Диэлектрическое поглощение
Диэлектрическая абсорбция — это название эффекта, при котором конденсатор , заряжавшийся в течение длительного времени, разряжается лишь частично при кратковременной разрядке. Хотя идеальный конденсатор будет оставаться под напряжением 0 В , реальные конденсаторы будут развивать небольшое напряжение в результате дипольной разрядки с задержкой по времени. после разрядки [1] явление, которое также называют диэлектрической релаксацией , «пропиткой» или «аккумуляторным действием». Для некоторых диэлектриков , таких как многие полимерные оно может достигать 15% пленки, результирующее напряжение может составлять менее 1–2% от исходного напряжения, но для электролитических конденсаторов . Напряжение на клеммах, создаваемое диэлектрической абсорбцией, может вызвать проблемы в работе электронной схемы или представлять угрозу безопасности для персонала. Чтобы предотвратить удары током, большинство очень больших конденсаторов поставляются с закорачивающими проводами, которые необходимо удалить перед использованием, и/или с постоянно подключенными резисторами для сброса напряжения . При отсоединении с одного или обоих концов высоковольтные кабели постоянного тока также могут «перезаряжаться» до опасного напряжения.
Теория
[ редактировать ]
Зарядка конденсатора (за счет напряжения между обкладками конденсатора) приводит к электрического поля приложению к диэлектрику между электродами. Это поле оказывает крутящий момент на молекулярные диполи , заставляя направления дипольных моментов совпадать с направлением поля. Это изменение молекулярных диполей называется ориентированной поляризацией и также вызывает выделение тепла, что приводит к диэлектрическим потерям (см. Коэффициент рассеяния ). Время ориентации диполей не следует синхронно электрическому полю, а задерживается на постоянную времени , зависящую от материала. Эта задержка соответствует гистерезисному отклику поляризации на внешнее поле.
Когда конденсатор разряжается, напряженность электрического поля уменьшается и общая ориентация молекулярных диполей возвращается в ненаправленное состояние в процессе релаксации . Из-за гистерезиса в нулевой точке электрического поля зависящее от материала количество молекулярных диполей все еще поляризовано вдоль направления поля без появления измеримого напряжения на выводах конденсатора. Это похоже на электрическую версию магнитной остаточной намагниченности . Ориентированные диполи со временем будут самопроизвольно разряжаться, а напряжение на электродах конденсатора будет экспоненциально спадать . [2] Полное время разряда всех диполей может составлять от нескольких дней до недель в зависимости от материала. Это «перезаряженное» напряжение может сохраняться месяцами даже в электролитических конденсаторах , что вызвано высоким сопротивлением изоляции обычных современных диэлектриков конденсаторов. Разряд конденсатора и последующая перезагрузка могут повторяться несколько раз.
Измерение
[ редактировать ]Диэлектрическая абсорбция – это давно известное свойство. Его значение можно измерить в соответствии со стандартом IEC/EN 60384-1. Конденсатор следует заряжать при номинальном напряжении постоянного тока в течение 60 минут. Затем конденсатор отключают от источника питания и разряжают в течение 10 с. Напряжение, восстанавливающееся на выводах конденсатора (восстанавливающееся напряжение) в течение 15 минут, является напряжением диэлектрического поглощения. Величина напряжения диэлектрического поглощения указывается по отношению к приложенному напряжению в процентах и зависит от используемого диэлектрического материала. Многие производители указывают это в паспортах. [3] [4] [5] [6] [7]
| Тип конденсатора | Диэлектрическое поглощение |
|---|---|
| Воздушные и вакуумные конденсаторы | Не измеримо |
| класса 1 Керамические конденсаторы , NP0 | 0.6% |
| Керамические конденсаторы класса 2, X7R | от 0,6 до 1,0% [7] |
| Керамические конденсаторы класса 2, Z5U | от 2,0 до 2,5% [7] |
| полипропиленовые Конденсаторы пленочные (ПП) | от 0,05 до 0,1% |
| Конденсаторы полиэфирные пленочные (ПЭТ) | от 0,2 до 0,5% |
| Конденсаторы полифениленсульфидные пленочные (ППС) | от 0,05 до 0,1% |
| Конденсаторы полиэтиленнафталатные пленочные (ПЭН) | от 1,0 до 1,2% |
| Танталовые электролитические конденсаторы с твердым электролитом | от 2 до 3 %, [8] 10 % [9] |
| Алюминиевые электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом | от 10 до 15% [10] |
| Двухслойный конденсатор | данные недоступны |
Конструктивные соображения и безопасность
[ редактировать ]Напряжение на клеммах, создаваемое диэлектрической абсорбцией, может вызвать проблемы в работе электронной схемы. Для чувствительных аналоговых схем, таких как схемы выборки и хранения , интеграторы , усилители заряда или высококачественные аудиосхемы, вместо керамических конденсаторов класса 2 используются керамические или полипропиленовые конденсаторы класса 1, полиэфирные пленочные конденсаторы или электролитические конденсаторы. [11] Для большинства электронных схем, особенно для фильтров, небольшое напряжение диэлектрического поглощения не влияет на правильное электрическое функционирование схемы. Для алюминиевых электролитических конденсаторов с нетвердым электролитом, которые не встроены в цепь, генерируемое напряжение диэлектрического поглощения может представлять угрозу безопасности персонала. [12] Напряжение может быть весьма значительным, например 50 В для электролитических конденсаторов на 400 В, и может привести к повреждению полупроводниковых приборов или вызвать искры при установке в цепь. Алюминиевые электролитические конденсаторы большего размера и высоковольтные силовые конденсаторы транспортируются и доставляются короткозамкнутыми для рассеивания этой нежелательной и, возможно, опасной энергии.
Другой эффект диэлектрической абсорбции иногда называют «пропиткой». Это проявляется как составляющая тока утечки и способствует коэффициенту потерь конденсатора. Об этом эффекте стало известно совсем недавно: [ не удалось пройти проверку ] теперь это пропорционально большая часть тока утечки из-за значительно улучшенных свойств современных конденсаторов. [9]
не имеется Никаких данных от производителей для двухслойных конденсаторов .
История
[ редактировать ]Диэлектрическая абсорбция была впервые обнаружена в лейденских банках и телеграфных кабелях и уже в конце 19 века была широко известным явлением. Когда-то известный как «электрическое поглощение», в то время отсутствовало удовлетворительное объяснение его физического механизма. Описание появилось в книге Джеймса Клерка Максвелла 1873 года «Трактат об электричестве и магнетизме» , в которой он вывел его физическую модель, но оно было применимо только к неоднородному диэлектрическому материалу с несколькими слоями. [13] [14]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Моделирование диэлектрической абсорбции в конденсаторах, Кен Кундерт» (PDF) .
- ^ «Звуковая продукция Elliot, 2.1 – Диэлектрическая абсорбция» .
- ^ WIMA, Характеристики металлизированных пленочных конденсаторов по сравнению с другими диэлектриками «ВИМА» . Архивировано из оригинала 05.11.2012 . Проверено 14 декабря 2012 г.
- ^ «Пленочные конденсаторы TDK Epcos, Общая техническая информация» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 1 февраля 2012 г. Проверено 23 января 2012 г.
- ^ AVX, Сравнительная таблица диэлектриков
- ^ «Holystone, Сравнение диэлектрической проницаемости конденсаторов, Техническое примечание 3» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 1 февраля 2012 г. Проверено 23 января 2012 г.
- ^ Перейти обратно: а б с https://www.wima.de/de/service/knowledge-base/grundlagen-der-kondensatorentechnologie/ база знаний производителя конденсаторов WIMA (немецкий), дата обращения 21 ноября 2020 г.
- ^ «Kemet, Полимерные танталовые конденсаторы на кристалле» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 23 ноября 2014 г. Проверено 23 января 2012 г.
- ^ Перейти обратно: а б Р.В. Франклин, AVX, Анализ тока утечки твердого танталового конденсатора, PDF , PDF
- ^ CDE, Руководство по применению алюминиевых электролитических конденсаторов, PDF
- ^ National Semiconductors, Поймите замачивание конденсаторов для оптимизации аналоговых систем. Архивировано 23 января 2010 г. в Wayback Machine.
- ^ Что вообще это за захваченный заряд и диэлектрическое сжатие?
- ^ Максвелл, Джеймс (1873). «Глава X. Проводимость в диэлектриках». Трактат об электричестве и магнетизме . Кларендон Пресс. п. 376.
В конденсаторе такого рода, сначала заряженном каким-либо образом, затем разряженном через провод малого сопротивления, а затем изолированном, никакой новой электризации не появится. Однако в большинстве реальных конденсаторов мы обнаруживаем, что после разрядки и изоляции постепенно образуется новый заряд того же типа, что и первоначальный заряд, но меньшей интенсивности. Это называется остаточным зарядом. Чтобы объяснить это, мы должны признать, что строение диэлектрической среды отличается от того, которое мы только что описали. Мы обнаружим, однако, что этим свойством будет обладать среда, состоящая из конгломерата маленьких кусочков различных простых сред.
- ^ Х. А. Роуленд (1878 г.). «Заметки по теории электрического поглощения» . Американский журнал математики . 1 (1): 53–58. дои : 10.2307/2369434 . JSTOR 2369434 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Понимание погружения конденсаторов для оптимизации аналоговых систем , Боб Пиз, EDN , 13 октября 1982 г.
- Что это вообще за штука с промоканием? , Боб Пиз, Electronic Design , 12 мая 1998 г.
- Знакомство с конденсаторами