Зависимость конденсаторной емкости от температуры. Зависимость емкости конденсаторов от температуры: особенности различных диэлектриков — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как меняется емкость конденсаторов с различными диэлектриками при изменении температуры. Какие факторы влияют на температурную зависимость емкости конденсаторов. Почему важно учитывать температурную стабильность емкости при выборе конденсаторов.

Содержание

Влияние температуры на емкость конденсаторов с различными диэлектриками

Температура оказывает существенное влияние на емкость конденсаторов. Степень и характер этого влияния зависит от типа диэлектрика, используемого в конденсаторе. Рассмотрим особенности температурной зависимости емкости для основных видов диэлектриков:

Неорганическое стекло

Для конденсаторов с диэлектриком из неорганического стекла характерна слабая зависимость емкости от температуры. Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) таких конденсаторов обычно находится в пределах ±(30-100) ppm/°C. Это обусловлено стабильной структурой стекла и преобладанием электронной поляризации.

Слюда

Слюдяные конденсаторы отличаются высокой температурной стабильностью. ТКЕ слюдяных конденсаторов может составлять всего ±(20-50) ppm/°C. Такая стабильность объясняется жесткой кристаллической структурой слюды.

Керамика (тиконд)

Керамические конденсаторы могут иметь как положительный, так и отрицательный ТКЕ в зависимости от состава керамики. Для материала тиконд характерен слабоотрицательный ТКЕ порядка -(100-200) ppm/°C. Это связано с особенностями ионной поляризации в данном материале.

Полипропилен

Полипропиленовые конденсаторы обладают отрицательным ТКЕ, который может достигать -200 ppm/°C. Причина — увеличение расстояния между молекулами полимера при нагреве, что приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости.

Сегнетокерамика

Для сегнетокерамических конденсаторов характерна сильная нелинейная зависимость емкости от температуры. ТКЕ может меняться от +1000 до -1000 ppm/°C в разных температурных диапазонах. Это связано с фазовыми переходами в сегнетоэлектрике при изменении температуры.

Факторы, влияющие на температурную зависимость емкости конденсаторов

На характер изменения емкости конденсатора с температурой влияют следующие основные факторы:

Изменение диэлектрической проницаемости материала с температурой
Тепловое расширение диэлектрика и электродов
Изменение геометрических размеров конденсатора при нагреве/охлаждении
Наличие фазовых переходов в диэлектрике
Влажность (для некоторых типов конденсаторов)

Рассмотрим подробнее влияние каждого из этих факторов.

Изменение диэлектрической проницаемости

Диэлектрическая проницаемость большинства материалов меняется с температурой. Для неполярных диэлектриков (например, полипропилена) она обычно уменьшается при нагреве из-за увеличения расстояния между молекулами. У полярных диэлектриков зависимость может быть более сложной.

Тепловое расширение

При нагреве происходит тепловое расширение как диэлектрика, так и электродов конденсатора. Это приводит к изменению геометрических размеров и, как следствие, емкости. Коэффициенты теплового расширения диэлектрика и металла электродов обычно различны, что вносит дополнительный вклад в температурную зависимость.

Изменение геометрических размеров

Как меняются размеры конденсатора при изменении температуры? Это зависит от конструкции:

В пленочных конденсаторах происходит изменение толщины диэлектрика и площади обкладок
В керамических чип-конденсаторах меняются линейные размеры керамического блока
В электролитических конденсаторах может меняться толщина оксидного слоя

Фазовые переходы

Некоторые диэлектрики (особенно сегнетоэлектрики) испытывают фазовые переходы при определенных температурах. Это приводит к резкому изменению диэлектрической проницаемости и, соответственно, емкости конденсатора.

Влияние влажности

Для некоторых типов конденсаторов (например, с бумажным диэлектриком) изменение влажности при нагреве может существенно влиять на емкость. Это происходит из-за изменения диэлектрической проницаемости при поглощении или испарении влаги.

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) конденсаторов

Температурный коэффициент емкости — важная характеристика, показывающая относительное изменение емкости при изменении температуры на 1°C. ТКЕ измеряется в ppm/°C (parts per million per degree Celsius) и рассчитывается по формуле:

ТКЕ = (1/C) * (dC/dT) * 10^6

где C — емкость, T — температура.

Значение ТКЕ может быть:

Положительным — емкость растет с повышением температуры
Отрицательным — емкость уменьшается при нагреве
Близким к нулю — емкость почти не зависит от температуры

Для большинства применений желательно иметь конденсаторы с малым по модулю ТКЕ, чтобы обеспечить стабильность работы электронных схем в широком температурном диапазоне.

Методы компенсации температурной зависимости емкости

Существует несколько способов уменьшить влияние температуры на емкость конденсаторов:

Выбор диэлектрика с малым ТКЕ (например, слюда или специальные керамические материалы)
Использование комбинации диэлектриков с противоположными знаками ТКЕ
Применение специальных конструкций конденсаторов (например, биметаллические компенсаторы)
Термостатирование конденсаторов в ответственных узлах
Использование схем автоматической подстройки емкости

Рассмотрим подробнее некоторые из этих методов.

Комбинация диэлектриков

Один из эффективных способов — использование в конденсаторе двух или более слоев диэлектриков с разными знаками ТКЕ. Например, комбинация положительного и отрицательного ТКЕ позволяет получить суммарную зависимость, близкую к нулю в заданном температурном диапазоне.

Биметаллические компенсаторы

В некоторых типах конденсаторов применяют биметаллические пластины, изгибающиеся при нагреве. Это позволяет компенсировать изменение емкости за счет изменения расстояния между обкладками.

Схемы автоподстройки

В современной электронике часто используют цифровые схемы автоматической подстройки емкости. Они измеряют текущую емкость и температуру, и корректируют параметры схемы для компенсации температурного дрейфа.

Особенности применения конденсаторов с учетом температурной зависимости

При выборе конденсаторов для конкретного применения важно учитывать следующие аспекты, связанные с температурной зависимостью емкости:

Рабочий температурный диапазон устройства
Требования к стабильности параметров схемы
Допустимые отклонения емкости
Возможность компенсации температурного дрейфа другими элементами схемы
Экономическая целесообразность применения прецизионных компонентов

Рассмотрим некоторые типичные случаи.

Высокочастотные схемы

В ВЧ и СВЧ технике даже небольшие изменения емкости могут существенно влиять на характеристики схемы. Здесь часто применяют конденсаторы с очень малым ТКЕ (например, на основе специальной керамики) или используют температурную компенсацию.

Прецизионные измерительные приборы

Для обеспечения высокой точности измерений в широком температурном диапазоне применяют конденсаторы с экстремально низким ТКЕ или используют термостатирование критичных узлов.

Силовая электроника

В преобразователях мощности важно учитывать не только начальное изменение емкости с температурой, но и влияние саморазогрева конденсаторов при работе на высоких токах.

Бытовая электроника

В большинстве потребительских устройств допускается использование конденсаторов с умеренным ТКЕ, так как небольшие изменения емкости обычно не критичны для работы схемы.

Влияние температурной зависимости емкости на надежность электронных устройств

Изменение емкости конденсаторов с температурой может оказывать существенное влияние на надежность и долговечность электронных устройств. Рассмотрим основные аспекты этого влияния:

Нарушение работы схем

Значительные изменения емкости могут приводить к:

Уходу частоты в генераторах и фильтрах
Изменению постоянной времени в интегрирующих и дифференцирующих цепях
Нарушению согласования в ВЧ трактах
Изменению коэффициента усиления в усилителях с емкостной обратной связью

Ускоренное старение

Циклические изменения температуры могут приводить к:

Механическим напряжениям в конструкции конденсатора
Ускоренной деградации диэлектрика
Нарушению контактов между выводами и обкладками

Тепловой пробой

В некоторых случаях изменение емкости с температурой может вызвать положительную обратную связь: увеличение емкости приводит к росту тока, что вызывает дополнительный нагрев и дальнейшее увеличение емкости. Это может привести к тепловому пробою конденсатора.

Заключение

Температурная зависимость емкости конденсаторов — важный фактор, который необходимо учитывать при разработке электронных устройств. Правильный выбор типа конденсатора и применение методов компенсации позволяют обеспечить стабильную работу схем в широком диапазоне температур и повысить общую надежность аппаратуры.

Важнейшие материалы, применяемые в конденсаторостроении

Страница 6 из 53

Проводниковые материалы

Важнейшим проводниковым материалом, применяемым в производстве силовых конденсаторов, является алюминиевая фольга, из которой выполняются обкладки конденсаторов. Технические данные ее должны соответствовать ГОСТ 618-50 «Фольга алюминиевая рулонная для технических целей».
Удельный расход фольги, т. е. вес ее на 1 кВАр реактивной мощности конденсатора, прямо пропорционален ее толщине, что заставляет стремиться к применению возможно более тонкой фольги. Обкладки отечественных силовых конденсаторов типа КМ выполняются из рулонной алюминиевой фольги толщиной 7,5—10 мк.
Удельный расход фольги зависит также от номинального напряжения секции, т. е. того напряжения, которое приходится на последнюю при номинальном напряжении на зажимах конденсатора. С понижением номинального напряжения секции удельный расход фольги увеличивается.
В производстве конденсаторов применяется также луженая медная фольга толщиной около 0,1 мм, из которой изготовляются выводы (вкладыши) секций, служащие для соединения секций между собой. Для соединения выемной части конденсатора с токоведущими стержнями выводных изоляторов служит луженая медная фольга толщиной около 0,3 мм или луженый многожильный медный провод. Токоведущие стержни выводных изоляторов изготовляются из круглой латуни сплошного или трубчатого сечения.

Изоляционная бумага

Изолирующие прослойки между обкладками силовых конденсаторов выполняются из специальной конденсаторной бумаги, которая в процессе производства конденсаторов подвергается пропитке жидким диэлектриком. Технические данные конденсаторной бумаги должны соответствовать ГОСТ 1908-67 «Бумага конденсаторная». Последний предусматривает две марки этой бумаги со следующими данными:

В производстве силовых конденсаторов применяется конденсаторная бумага обеих марок толщиной 7—12 мк. Объемный вес бумаги марки КОН-2 возрастает согласно ГОСТ от 1,16 до 1,25 по мере увеличения толщины бумаги.
Конденсаторная бумага представляет собой наиболее тонкий из всех существующих сортов бумаги. ГОСТ предъявляет к ней высокие требования в отношении изоляционных свойств и других показателей, от Которых зависит надежность работы конденсаторов.

Согласно ГОСТ конденсаторная бумага выпускается в бобинах шириной 12—750 мм и состоит по волокну полностью (на 100%) из древесной сульфатной небеленой целлюлозы марки КН. Ширина бобин, требующихся для изготовления конденсаторных секций, равна длине изготовляемых секций.
Установленные ГОСТ наименьшие допустимые значения пробивного напряжения конденсаторной бумаги зависят от ее марки и толщины, составляя 275—475 в переменного тока частотой 50 Гц для бумаги марки КОН-1 и 250—560 В — для бумаги марки КОН-2. Бумага марки КОН-2, имеющая больший объемный вес, имеет более высокое пробивное напряжение, чем бумага КОН-1 такой же толщины.

Более плотная бумага имеет также более высокие диэлектрическую проницаемость е и тангенс угла диэлектрических потерь tg δ. Согласно ГОСТ тангенс угла потерь при 60° С должен быть не более 0,0017 для бумаги марки КОН-1 и не более 0,002 для бумаги марки КОН-2.

В конденсаторах переменного тока с повышением ε и tgδ возрастают потери энергии в единице объема конденсаторной секции. Следовательно, увеличивается и количество тепла, выделяющегося в конденсаторе, что делает более тяжелыми условия работы изоляции между обкладками.
Относительная диэлектрическая проницаемость εr клетчатки, из которой состоит конденсаторная бумага, равна около 6,5—7, но εr непропитанной конденсаторной бумаги значительно ниже, составляя около 2,2—2,3 у бумаги нормальной плотности 1 г/см3 и около 3,5 у бумаги повышенной плотности 1,3 г/см3. Это снижение εr объясняется тем, что часть объема конденсаторной бумаги занята не клетчаткой, а воздухом, у которого εr=1.
Диэлектрическая проницаемость пропитанной бумаги определяется значениями е,- как самой бумаги, так и пропитывающего материала. Для бумаги, пропитанной минеральным маслом, εr составляет около 3,5 и для бумаги, пропитанной хлорированным дифенилом, — около 5,5.
Расход конденсаторной бумаги на 1 кВАр мощности конденсатора обратно пропорционален квадрату напряженности электрического поля в диэлектрике между обкладками. Из этой зависимости следует, что для получения конденсаторов со сравнительно низкой стоимостью 1 кВАр необходимо допускать высокие напряженности электрического поля в диэлектрике между обкладками.
Кроме конденсаторной бумаги, в производстве силовых конденсаторов типа КМ применяется кабельная бумага, служащая для изоляции секций от металлических деталей, стягивающих выемную часть, и выемной части в целом от бака (ГОСТ 645-59 «Бумага кабельная»). Подобно конденсаторной бумаге, кабельная бумага изготовляется из древесной сульфатной целлюлозы, но толщина ее больше, а объемный вес меньше, чем у конденсаторной бумаги.
Для тех же целей, что и кабельная бумага, применяется в конденсаторах электроизоляционный картон, из которого изготовляют также прокладки, расположенные между секциями и на торцовой поверхности их.

Особым видом силовых конденсаторов являются так называемые металлобумажные конденсаторы [Л. 1-11 и Л. 21]. В них конденсаторные секции не имеют отдельных обкладок, а состоят из металлизированной конденсаторной бумаги, т. е. бумаги с нанесенным на нее очень тонким слоем цинка или другого металла, играющим роль обкладки. Толщина этого слоя составляет около 0,1 мк. В зависимости от напряжения конденсатора иногда между листами металлизированной бумаги прокладываются еще и листы обыкновенной конденсаторной бумаги.
В металлобумажных конденсаторах вслед за пробоем бумаги покрывающий ее металлический слой плавится и испаряется вблизи места пробоя, отчего последнее оказывается изолированным от обкладок и секция продолжает нормально работать. Весь этот процесс продолжается всего лишь около 10 мксек, причем емкость конденсатора уменьшается крайне незначительно (по данным фирмы — на 1% после 10 000 пробоев). Такое протекание процесса дает основание называть металлобумажные конденсаторы самовосстанавливающимися.
Металлобумажные конденсаторы для повышения коэффициента мощности изготовляются только в некоторых странах Западной Европы. В Советском Союзе имеются установки для повышения коэффициента мощности, выполненные из металлобумажных радиоконденсаторов емкостью по несколько микрофарад.
Другую особенность в отношении диэлектрика между обкладками представляют собой силовые конденсаторы, изготовляемые в Японии. В них между обкладками прокладывается не конденсаторная бумага, а более толстая бумага типа кабельной.

Пропиточные материалы

Бумажная изоляция между обкладками силового конденсатора пропитана жидким диэлектриком, который заполняет также пространство внутри конденсаторного бака, не занятое выемной частью. Таким образом, жидкий диэлектрик выполняет в конденсаторе две задачи: во-первых, он повышает надежность работы изоляции, заполняя поры бумаги и покрывая торцовую поверхность секций, во-вторых, он усиливает охлаждение секций, передавая выделяющееся в них тепло стенкам конденсаторного бака.
В силовых конденсаторах отечественного производства типа КМ. секции пропитаны минеральным конденсаторным маслом, представляющим собой продукт переработки нефти и лишь незначительно отличающимся от трансформаторного масла, применяемого для заполнения трансформаторов и масляных выключателей.
Масло, применяемое в производстве силовых конденсаторов, должно удовлетворять требованиям ГОСТ 5775-51 «Масло конденсаторное». В табл. 1-1 приведены некоторые из этих требований.

Таблица 1-1
Некоторые свойства конденсаторного масла согласно ГОСТ 5775-51

Для конденсаторного масла нормируются некоторые электрические величины, не нормируемые ГОСТ 982-56 «Масло трансформаторное», а именно — удельное сопротивление, электрическая прочность и диэлектрическая проницаемость. В отношении тангенса угла диэлектрических потерь к конденсаторному маслу стандартом предъявляются более высокие требования, чем к трансформаторному маслу.
Стандартом не нормируется, но имеет существенное значение при работе конденсаторов, пропитанных минеральным маслом, стабильность масла при действии на него электрического поля высокой напряженности. Разложение масла в электрическом поле сопровождается выделением из него газообразных и твердых соединений и приводит к сокращению срока службы конденсаторов. Этот процесс изучен еще недостаточно, но имеющиеся данные говорят, что интенсивность его зависит, в числе прочих факторов, от химического состава масла [Л. 1-9].
Важнейшими недостатками минерального масла, как материала для пропитки конденсаторов, являются сравнительно низкое значение диэлектрической проницаемости (2,1—0,3) и горючесть. При этом температура вспышки масла сравнительно невысока (не ниже 135°С согласно ГОСТ 5775-51), а горение его сопровождается выделением большого количества тепла (теплотворная способность около 10 000 кал/г). Эти недостатки вызвали применение для пропитки конденсаторов жидких диэлектриков другого типа, не имеющих недостатков минерального масла.
Эти синтетические диэлектрики весьма близки друг к другу по своему химическому составу и по физическим свойствам, но называются в разных странах и у разных фирм по-разному, например: в Советском Союзе — совол, в ГДР и ФРГ — клофен, во Франции—пирален, в США —пиранол, инертин, элемекс и т. д. Иногда в отношении всей этой группы диэлектриков применяют общее наименование «аскарелы». Данные о некоторых свойствах совола приведены в табл. 1-2.
При температуре около 20°С совол представляет собой жидкость, бесцветную, как вода, но заметно более вязкую, со слабым запахом. С понижением температуры вязкость совола увеличивается, а с повышением уменьшается.
Все негорючие диэлектрики рассматриваемого типа получаются синтетическим путем в результате хлорирования дифенила С6Н5—С6Н5. Последний принадлежит к числу ароматических углеводородов и представляет собой бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 70° С.

Таблица 1-2
Некоторые свойства совола

В процессе хлорирования дифенила часть атомов водорода замещается атомами хлора. Для пропитки силовых конденсаторов применяют главным образом пентахлордифенил C12H5CI5, в молекуле которого замещены хлором пять атомов водорода.
Для пропитки конденсаторов, работающих при низких температурах окружающего воздуха, за рубежом используют иногда хлорированные дифенилы с меньшей степенью хлорирования, например с замещением только трех или четырех атомов водорода (трихлордифенил или тетрахлордифенил). Эти диэлектрики имеют более низкую температуру застывания, чем пентахлордифенил. Иногда применяют для той же цели и смеси пентахлордифенила с какой-либо другой хлорированной жидкостью, имеющей меньшую вязкость и более низкую температуру застывания.
Важнейшими особенностями совола и других хлор- дифенилов сравнительно с минеральным маслом являются значительно более высокое значение диэлектрической проницаемости (около 5 против 2,1—2,3 у масла) и полная негорючесть.
Бумага, пропитанная хлордифенилом, имеет более высокую диэлектрическую проницаемость, чем та жё бумага, пропитанная минеральным маслом (около 5,5 вместо 3,5). В результате этого емкость конденсатора, пропитанного хлордифенилом, примерно на 50% больше емкости такого же конденсатора, пропитанного минеральным маслом. Переход к пропитке хлордифенилом при прежнем значении напряженности электрического поля в диэлектрике позволяет уменьшить на одну треть затраты фольги и бумаги на 1 кВАр реактивной мощности конденсатора.
Преимуществом хлордифенила сравнительно с минеральным маслом является также более высокая стабильность во время эксплуатации конденсаторов. Эта особенность позволяет несколько повысить значения напряженности электрического поля и тем самым еще более снизить удельные затраты фольги и бумаги (,в общей сложности, учитывая и повышение емкости, примерно в 2 раза).
Диэлектрическая проницаемость хлордифенила близка к диэлектрической проницаемости клетчатки, и это обеспечивает во время эксплуатации конденсатора примерно одинаковые значения напряженности электрического поля как в волокнах бумаги, так и в ее порах, заполненных хлордифенилом. При пропитке бумаги минеральным маслом напряженность электрического поля в порах выше, чем в волокнах бумаги.
Хлордифенил совершенно негорюч, и даже при прямом воздействии пламени он только разлагается на составные части, но не воспламеняется. Поэтому пропитка конденсатора хлордифенилом устраняет возможность возгорания конденсатора при несвоевременном отключении внутреннего короткого замыкания и других авариях.
Хлордифенил как пропиточный материал для конденсаторов не лишен и недостатков, к числу которых относятся:
токсичность как самого хлордифенила, так и газообразных продуктов разложения его под действием высокой температуры: хлордифенил, попадая на слизистые оболочки, вызывает их раздражение, а продукты разложения его действуют раздражающе на дыхательные пути;
резкое ухудшение электрических свойств при весьма малых примесях некоторых посторонних веществ, что требует высокой чистоты всей аппаратуры (баков, трубопроводов и т. п.), содержащей хлордифенил при пропитке им конденсаторов;
более высокая стоимость сравнительно с конденсаторным маслом;
снижение диэлектрической проницаемости хлордифенила в области отрицательных температур, а следовательно, и снижение емкости пропитанных им конденсаторов (рис. 1-3).

Рис. l-3. зависимость емкости и тангенса угла потерь конденсатора, пропитанного соволом, от температуры.

Особенностью конденсаторов, пропитанных хлордифенилом, является также свойственная ему зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры с резко выраженным максимумом, приходящимся на температуру несколько ниже нуля (рис. 1-3).
Эта особенность не препятствует, однако, нормальной эксплуатации конденсаторов, так как максимум tg δ даже для пентахлордифенила наблюдается при температуре около —10° С, а для менее вязких хлордифенилов— при еще более низких температурах. Поэтому повышенное значение tg δ может наблюдаться только временно, в процессе разогрева остывшего конденсатора после его включения, а затем tgδ приобретает нормальное значение.
Недостатками пентахлордифенила являются также значительное увеличение вязкости и сравнительно большое уменьшение объема при понижении температуры, приводящие к образованию в застывшем хлордифениле пустот («раковин») и трещин при температурах 20—30° С ниже нуля. При включении конденсатора с такими пустотами может произойти пробой диэлектрика, что имело место при эксплуатации конденсаторов, пропитанных пентахлордифенилом, в местностях с холодным климатом [Л. 11-11]. В настоящее время этот недостаток устраняется путем пропитки силовых конденсаторов указанными выше сортами и смесями хлордифенила, имеющими пониженную температуру застывания.

Лабораторная работа 5 — Исследование свойств конденсаторных материалов

Подборка по базе: Лессы, их образование и строительные свойства..docx, Лекция 3. Социологическое исследование.docx, Исследование свойств диэлектрических конденсаторных материалов.d, информатика лабораторная работа №4.docx, Архитектура ЭВМ 4 лабораторная.rtf, Отчет. Лабораторная работа2.docx, 4 Основные свойства материалов.docx, Кудряшов Дмитрий Михайлович, ИКТ-12. Лабораторная работа №2..doc, МУ к лабораторной работе Исследование ПП диодов.pdf, Технологические методы повышения качества инструментальных матер

МИНОБРНАУКИ РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)

Кафедра микро- и наноэлектроники

ОТЧЁТ

по лабораторной работе №5

по дисциплине «Материалы электронной техники»

Тема: Исследование свойств конденсаторных материалов

Студентка гр. 6205 _____________________ Кравцова П.Д.

Преподаватель _____________________ Мазинг Д.С.
Санкт-Петербург

2017
Лабораторная работа № 5

Исследование свойств конденсаторных материалов

Описание установки

Испытательная установка состоит из пульта и цифрового моста, измеряющего емкость и tg δ. В испытательном модуле находится термостат, температура в котором может изменяться регулятором «Установка температуры».

Температура в термостате измеряется с помощью термопары, подключенной к расположенному на пульте прибору, проградуированному в градусах Цельсия.

В термостате размещены конденсаторы С1…C5, рабочими диэлектриками в которых являются исследуемые материалы (их наименования указаны на пульте).

Выводы от расположенных в термостате конденсаторов выведены к переключателю на лицевой панели испытательного модуля, с помощью которого исследуемые конденсаторы поочередно могут быть подключены к измерителю емкости.

В положении переключателя «С₀» измеряется емкость проводников, соединяющих образцы в термостате с измерительным прибором.

В качестве измерителя емкости может быть применен любой прибор, позволяющий измерять емкость с точностью до десятых долей пикофарады. Часто такие приборы позволяют измерять не только емкости образцов, но и потери в них, характеризуемые значениями tg δ.

В данной работе использован цифровой прибор, предназначенный для измерения емкости и tg δ на определенной фиксированной частоте.

Основные понятия и определения

К конденсаторным материалам относят материалы, применяемые в качестве рабочего диэлектрика в конденсаторах. К основным параметрам конденсатора относят емкость С, температурный коэффициент емкости α_с и тангенс угла диэлектрических потерь tg δ. Значения этих параметров во многом обусловлены свойствами используемого диэлектрического материала, основными характеристиками которого являются относительная диэлектрическая проницаемость ε и температурный коэффициент диэлектрической проницаемости α_ε.

Относительная диэлектрическая проницаемость характеризует способность различных диэлектриков поляризоваться в электрическом поле: ε = С_д/С₀, где С_д – емкость конденсатора с диэлектриком; С₀– емкость того же конденсатора в вакууме.

Поляризация может быть вызвана упругим смещение и деформацией электронных оболочек под действием поля (электронная поляризация), ориентацией дипольных молекул (дипольно-релаксационная поляризация), смещением ионов (ионная и ионно- релаксационная поляризация). Электронная и ионная поляризации устанавливаются практически мгновенно. Остальные механизма поляризации относятся к замедленным видам.

В процессе поляризации диэлектрик приобретает электрический момент, на его поверхностях образуются связанные заряды, на обкладках удерживается дополнительный заряд. В результате емкость конденсатора возрастает.

Состояние диэлектрика, характеризующееся наличием электрического момента у любого элемента его объема, называют пояризованностью.

В общем случае диэлектрическая проницаемость зависит от температуры и частоты электрического поля. Характер зависимости определяется присущими диэлектрику механизмами поляризации.

При включении конденсатора под напряжение в нем наблюдаются потери электрической энергии, приводящие к его разогреванию. Потери энергии складываются из потерь в диэлектрике и потерь в проводящих частях конденсатора.

Диэлектрическими потерями (потерями энергии в диэлектрике) называют электрическую мощность, затрачиваемую на нагрев диэлектрика. Находящегося в электрическом поле. Различают два основных вида диэлектрических потерь: потери на электропроводность и релаксационные потери. Потери на электропроводность обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную электропроводность, объемную или поверхностную, и наблюдаются во всех диэлектриках, как на постоянном, так и на переменном напряжении, причем являются преобладающими при низких частотах и при повышенных температурах. Релаксационные потери обусловлены активными составляющими поляризационных токов. Они характерны для диэлектриков с замедленными механизмами поляризации и проявляются в области достаточно высоких частот, когда сказывается отставание поляризации от изменения поля.

Полные потери в участке изоляции с емкостью С при воздействии напряжения U с угловой частотой ω

P_a = U²ωCtgδ,

где δ – угол диэлектрических потерь.

Углом диэлектрических потерь δ называют угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкости цепи. В случае идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи опережает вектор напряжения на угол π/2; при этом угол δ равен нулю. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, тем меньше угол сдвига фаз φ и тем больше угол диэлектрических потерь δ и его функция tg δ. Параметр tg δ характеризует способность диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле. Он безразмерный, не зависит от формы и размеров участка изоляции, а определяется только свойствами диэлектрика.

Параметр tg δ определяет диапазон частот, в котором возможно использование конденсатора с данным диэлектриком

При измерениях диэлектрической проницаемости и tg δ на промышленной и звуковых частотах обычно используют мостовые схемы, а для измерений в диапазоне радиочастот наибольшее распространение получили резонансные методы

Емкость конденсатора Сопределяется как отношение накопленного в нем заряда Q к напряжению U, приложенному к электродам, и зависит от конструкции и геометрических размеров конденсатора, а также от диэлектрической проницаемости диэлектрика.

Емкость плоского конденсатора определяется выражением:

(5.1)

где ε₀= 8,85-10^-12Ф/м — электрическая постоянная; ε — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S – площадь электродов, h— толщина диэлектрика, заключенного между электродами.

В случае квадратных электродов S=l², где l – сторона квадрата.

Как следует из выражения (5.1), при создании конденсаторов для увеличения емкости необходимо оптимизировать их размеры и выбирать материалы с возможно большим значением относительной диэлектрической проницаемости.

Температурный коэффициент емкости α_Cотражает отклонение емкости, обусловленное изменением температуры и, следовательно, характеризует температурную стабильность емкости конденсатора. Общее определение этого параметра соответствует выражению:

α_C= (1/C)·(dC/dТ) (5.2)
Дифференцируя выражения (5.1) по переменной Т, где Т-температура; S=l², получим:

dC/dТ= ε₀[ (l²/h)·(dε/dТ) + (2εl/h)·(dl/dТ) – (εl²/h²)·(dh/dТ) ] (5.3)
Разделив левую и правую часть выражения (5.3) на левую и правую часть выражения (5.1), придем к выражению:

(1/C)·(dC/dТ) = (1/ε)·(dε/dТ) + (2/l)·(dl/dТ) – (1/h)·(dh/dТ),

или

α_C= α_ε+ 2α_l_м–α_l_д,

где α_ε,_{α_l_ми_{α_l_д – температурные коэффициенты относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика, линейного расширения металла электродов и линейное расширение диэлектрика соответственно.}}

В металлизированных твердотельных конденсаторах, где в качестве электродов используют тонкий слой металл, нанесенный непосредственно на твердый диэлектрик, в этом случае изменение размеров электродов будет определяться линейным расширением диэлектрика, а не металла. И тогда можно считать α_l_м = α_l_д, а температурный коэффициент емкости определяется выражением:

α_с = α_ε + α_l_д. (5.4)

Характер температурной зависимости емкости конденсатора определяется механизмами поляризации рабочего диэлектрика, а параметр α_с может быть положительным, отрицательным и близким к нулю.

Для повышения температурной стабильности емкости конденсатора желательно, чтобы материал, применяемый для его изготовления, имел бы возможно меньшее значение температурного коэффициента относительной диэлектрической проницаемости α_ε.

Различают высокочастотные и низкочастотные конденсаторные материалы. В качестве высокочастотных применяются неполярные полимеры, ионные диэлектрики с плотной упаковкой ионов. На высоких частотах в этих диэлектриках определяющую роль играют мгновенные виды поляризации — электронная или ионная. Потери энергии в этом случае обусловлены в основном потерями на электропроводность.

Неполярные диэлектрики имеют малые значения тангенса угла диэлектрических потерь tg δ, который растет при увеличении температуры по экспоненциальному закону.

К низкочастотным материалам относятся полярные полимеры, диэлектрики с сегнетоэлектрическими свойствами. В области низких частот в них преобладают замедленные механизмы поляризации; потери энергии носят релаксационный характер. Материалы этой группы характеризуются повышенным значение tg δ, но обладают весьма высокой диэлектрической проницаемостью, что позволяет изготавливать на их основе конденсаторы большой емкости с малыми габаритами.

В настоящей работе исследуются параметры металлизированных конденсаторов, в которых в качестве рабочего диэлектрика используются диэлектрические материалы с различными видами поляризации и механизмами диэлектрических потерь.

Исходные данные

Испытатель-ная темпе-ратура t, °С	Испытуемые образцы
	«1»		«2»		«3»		«4»		«5»
	Неорганическое стекло		Слюда		Тиконд		Полипропилен		Сегнетокерамика
	c1, пФ	tg	c2, нФ	tg	c3, пФ	tg	c4, нФ	tg	c5, нФ	tg
22	1637,6	0,005	1,71	0,0537	1506,6	0,007	2,399	0,0605	2,302	0,0574
32	1638,7	0,0041	1,711	0,0542	1486,8	0,007	2,392	0,0606	4,083	0,0566
46	1639,1	0,0041	1,712	0,0542	1469,3	0,0073	2,386	0,0607	5,36	0,084
58	1639,8	0,0041	1,712	0,0544	1447,1	0,0077	2,375	0,0607	14,773	0,1176
64	1640,5	0,004	1,713	0,0545	1436,6	0,0079	2,366	0,0607	9,615	0,0475
68	1640,2	0,0038	1,714	0,0545	1431,6	0,0079	2,363	0,0608	7,752	0,0487
70	1641	0,0036	1,713	0,0546	1427,4	0,008	2,36	0,0608	6,787	0,0499
74	1641,2	0,0037	1,713	0,0547	1423,6	0,0079	2,357	0,0608	6,063	0,0786
76	1641,5	0,0036	1,714	0,0547	1420,3	0,008	2,355	0,0608	5,366	0,0731
82	1641,5	0,0036	1,717	0,0547	1414,7	0,008	2,35	0,0608	4,467	0,0608
88	1641,6	0,0036	1,714	0,0548	1409	0,0083	2,345	0,0608	3,74	0,0621

C₀=15,22 пФ

Обработка результатов

По экспериментальным данным построим температурные зависимости емкости исследованных образцов С(Т).

По экспериментальным данным построим температурные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь tg δ исследованных образцов

Рассчитаем значение температурного коэффициента емкости α_сдля исследованных образцов, пользуясь выражением α_с= (1/С)*(dС/dT). Значение производной dС/dT найдем путем графического дифференцирования. Для этого воспользуемся средой MSExcel и с помощью функции ЛИНЕЙН() (аппроксимация исходных данных линейной зависимостью y=k*x+b, производная dС/dT при данной температуре равна коэффициенту k) найдем значение производных. Результаты расчётов занесем в таблицу 5.2.

Пример вычислений:

Найдем значение производной для первого образца. В формулу линейно подставим экспериментальные данные для неорганического стекла. Получим значение коэффициента k₁ = 5,7697E-14.

Найдем значение температурного коэффициента емкости для температуры 22°С (295К), С= 1,6376E-09Ф

α_с= (1/ 1,6376E-09)*( 1,1E-13), α_с= 0,000067 К^-1.

Пользуясь формулой α_с = α_ε + α_l_д, рассчитаем значение температурного коэффициента диэлектрической проницаемости α_εдля исследованных материалов. Результаты расчётов занесем в таблицу 5.2.

Пример вычислений:

образец 1 (неорганическое стекло), Т=22°С, α_с=0,000067 К^-1, α_l_д= 3,00E-06 К^-1

α_ε = α_с — α_l_д, α_ε = 0,67E-04 — 3,00E-06, α_ε = 0,000064 К^-1.

Значение температурного коэффициента линейного расширения диэлектрика α_l_д:

«1»	«2»	«3»	«4»	«5»
Неорганическое стекло	Слюда	Тиконд	Полипропилен	Сегнетокерамика
3,00E-06	1,35E-05	8,00E-06	1,10E-04	1,20E-05

Таблица 5.2

По данным таблицы 5.2. построим температурные зависимости температурного коэффициента диэлектрической проницаемости α_ε для всех исследованных материалов

Выводы

При построении графиков температурной зависимости емкости мы обнаружили что графики для первых четырех образцов линейны: для неорганического стекла и слюды с ростом температуры увеличивается емкость. У конденсатора с полипропиленовым диэлектриком и диэлектриком из тиконда емкость уменьшается с ростом температуры.

Совсем иначе ведет себя сегнетокерамика, емкость такого конденсатора растёт до некоторой температуры 58°С (С= 14,773 нФ), далее уменьшается т.к. уменьшается диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика.

При построении температурной зависимости температурного коэффициента диэлектрической проницаемости α_ε мы получили, что для неорганического стекла и слюды данный коэффициент положителен. Для тиконда и полипропилена α_εимеет отрицательное значение. В случае с сегнетокерамикой коэффициент изменятся с ростом температуры от положительных до отрицательных значений.

Исследование зависимости емкости конденсаторов постоянной емкости от температуры и определение температурного коэффициента емкости (тке)

РАБОТА № 1

Исследование зависимости емкости конденсаторов постоянной емкости от температуры и определение температурного коэффициента емкости (ТКЕ)
Цель работы — исследование зависимости емкости конденсаторов с различными диэлектриками от температуры и определение (ТКЕ) этих конденсаторов.

Одним из важнейших факторов, характеризующих внешние воздействия на электрические конденсаторы, является температура окружающей среды.

Температурная зависимость емкости конденсаторов характеризуется величиной температурного коэффициента емкости (ТКЕ) :

Если зависимость емкости от температуры носит линейный характер, то величину ТКЕ можно вычислить по формуле:

где _С  температурный коэффициент емкости, град^-1;

C₁ емкость при комнатной температуре t₁ ;

С₂ емкость при измененной температуре t₂ .

При нелинейной зависимости емкости от температуры указанная формула дает только среднее значение ТКЕ.

Характер зависимости емкости конденсатора от температуры обычно определяется температурной зависимостью диэлектрической проницаемости применяемого в конденсаторе диэлектрика.

Кроме того, зависимость емкости от температуры обуславливается особенностями конструкции конденсатора и изменением его размеров при нагревании. Температурное расширение обкладок приводит к увеличению емкости, а увеличение толщины диэлектрика — к ее уменьшению.

В плоскости конденсатора с обкладками в виде квадрата со стороной l емкость равняется:

где С  емкость конденсатора, nФ;

 диэлектрическая проницаемость;

d  толщина диэлектрика, мм;

l  линейный размер, мм.

Дифференцируя это выражение по температуре, получим:

Разделив левую и правую части на выражение для емкости, имеем:

или

где _  температурный коэффициент диэлектрической проницаемости;

_M  коэффициент линейного расширения металлических обкладок;

_d  коэффициент линейного расширения диэлектрика.
1. Подключить провода от переключателя к клеммам “R – C – L”. Установить переключатель “Вид измерения” в положение “С”.

2. Установить переключатель “Q – tg” в положение “ tg”.

3. Ручкой установить величину фазы в нулевое положение.

4. Установить переключатели измерений в положение, близкое к номинальному значению.

5. Ручками, объединенными надписью “Отсчет”, добиться наименьшего по модулю показания на микроамперметре.

6. Произвести отсчет измеряемой величины емкости. Она равна сумме отсчетов по шкалам “Отсчет”, умноженной на соответствующий множитель предела измерений. (Порядок формирования измеряемой величины указан на панели моста).

Примечание: При измерениях на частоте 100 Гц отсчет емкости дополнительно должен быть умножен на 10 (загорается предупреждающий индикатор).
Порядок выполнения работы

1. Подготовить прибор к работе.

2. Записать номинал каждого конденсатора.

3. Измерить емкости конденсаторов при комнатной температуре, поочередно подсоединяя их к измерительному прибору при помощи переключателя емкостей.

4. Включить термостат.

5. Измерить емкости конденсаторов при температуре 40, 60, 80 и 100 ⁰С. Данные свести в таблицу.

6. Произвести подсчет ТКЕ. Построить графики С = f (t).

КМ	ФТ	КСО	МБМ
1100	1200	3000	0,05

Конденсаторы	(t ком.)25°	40°	60°	80°	100°
КМ	1100 пФ	1100 пФ	1100 пФ	1113 пФ	1119 пФ
МБМ	0,35 мкФ	0,5 мкФ	0,4 мкФ	0,39 мкФ	0,39 мкФ
ФТ	1200 пФ	1200 пФ	1210 пФ	1213 пФ	1219 пФ
КСО	3000 пФ	3000 пФ	3040 пФ	3070 пФ	3120 пФ

График С = f (t) для конденсатора КМ

График С = f (t) для конденсатора МБМ

График С = f (t) для конденсатора ФТ

График С = f (t) для конденсатора КСО

Подсчет ТКЕ:

где _С  температурный коэффициент емкости, град^-1;

C₁ емкость при комнатной температуре t₁ ;

С₂ емкость при измененной температуре t₂ .

Исследование свойств диэлектрических конденсаторных материалов

Страницы работы

Содержание работы

Министерство образования Российской Федерации

Владимирский государственный университет

Факультет радиофизики, электроники и медицинской техники

Кафедра конструирования и технологии радиоэлектронных средств

Лабораторная работа №3

по дисциплине «Материаловедение и материалы ЭС»

Исследование электрических свойств диэлектрических материалов

Выполнил студент гр. РЭ-101

Изучение зависимости основных электрических свойств диэлектрических материалов от их строения, температуры и частоты.

2. Исходные данные

Диэлектрики: фторопласт-3, полиэтилен. Обкладки конденсаторов – фольга.

3. Краткие теоретические сведения

Диэлектрики – это твёрдые, жидкие и газообразные вещества с высоким удельным электрическим поверхностным и объёмным сопротивлением, обладающие способностью к поляризации.

Поляризация – это изменение расположения в пространстве имеющих электрические заряды частиц диэлектрика. В зависимости от вида заряда, расстояния, на которое он способен перемещаться, времени, затрачиваемого на поляризацию, различают четыре её механизма.

Электронная поляризация – смещение орбит электронов относительно атомных ядер. При электронной поляризации происходит упругое смещение на очень малые расстояния частиц с предельно малой массой, что и обусловливает её безынерционность.

Ионная поляризация – упругое смещение на небольшое (в сравнении с параметром решётки) расстояние относительно друг друга ионов, образующих молекулу. Наблюдается у диэлектриков ионного строения. Время установления ионной поляризации около 10 -13 с.

Дипольная поляризация – ориентация в электромагнитном поле полярных молекул или групп атомов диэлектрика. Носит неупругий, релаксационный характер из-за расходования энергии поля на преодоление взаимодействия молекул и силы трения при повороте диполей.

Миграционная поляризация – неупругое перемещение слабосвязанных примесных ионов на расстояния, превышающие параметр решётки (часто до границ зёрен). Закономерности для поляризации по миграционному механизму те же, что и для дипольной поляризации.

При выборе диэлектрических материалов элементов РЭС необходимо учитывать зависимость их основных электрических свойств и прежде всего – диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь – от температуры и частоты.

Диэлектрическая проницаемость (ε) – это физическая величина, характеризующая способность диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.

Тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ) – определяет ту долю электрической энергии, которая необратимо переходит в теплоту (теряется в диэлектрике) за один период колебаний электрического поля.

4. Механизмы поляризации

Фторопласт-3 является полярным материалом (т.е. его молекулы без воздействия внешнего электрического поля имеют дипольный момент), а полиэтилен – это неполярный материал (т.е его частицы не имеют постоянного дипольного момента).

В неполярных полимерных диэлектриках имеет место преимущественно электронная поляризация, в полярных, кроме электронной, могут быть дипольная и миграционная. Под действием электрического поля может происходить смещение участков цепи молекулы – сегментов; это так называемая дипольно-сигментальная поляризация. Смещение полярных групп атомов, находящихся в основной цепи или боковых цепях макромолекулы, проявляется как дипольно-груповая поляризация. Миграционная поляризация в исследуемых материалах не наблюдается (в основном присуща композиционным материалам).

5. Теоретические зависимости

Свободные заряды, концентрация которых в металле очень велика, легко перемещаются под действием электрического поля и спустя малое время создают обратное поле, полностью компенсирующее внешнее. Поле в объёме металла равно нулю, т.е. равна нулю диэлектрическая проницаемость (ε) металла. Значит, свойства обкладок не скажутся на зависимостях диэлектрической проницаемости изоляции конденсатора от температуры и частоты, которые будут определяться материалом диэлектрика.

У неполярных диэлектриков относительная диэлектрическая проницаемость слабо зависит от температуры, уменьшаясь при повышении последней вследствие теплового расширения вещества, т.е. уменьшения количества поляризующихся молекул в единице объема вещества (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости полиэтилена от температуры.

У полярных диэлектриков в области низких температур, когда вещество обладает большой вязкостью или даже находится в кристаллическом состоянии, ориентация дипольных молекул невозможна или, во всяком случае, затруднена. При повышении температуры возможность ориентации диполей облегчается, вследствие чего относительная диэлектрическая проницаемость существенно возрастает. Однако при еще более высоких температурах вследствие усиления хаотических тепловых колебаний молекул степень упорядоченности ориентации молекул снижается, поэтому ε, пройдя через максимум, уменьшается (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости фторопласта-3 от температуры.

Так как время установления электронной поляризации весьма мало, то даже при наиболее высоких частотах, применяемых в современной электротехнике и радиоэлектронике, поляризация неполярных диэлектриков успевает полностью установиться за время, которое пренебрежимо мало по сравнению с полупериодом переменного напряжения. Поэтому ε неполярных диэлектриков не зависит от частоты (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости полиэтилена от частоты.

Название	Исследование свойств конденсаторных материалов
Дата	09.04.2019
Размер	477 Kb.
Формат файла
Имя файла	Лабораторная работа 5.doc
Тип	Исследование #73143

Подборка по базе: Реферат — Испытания при повышенных температурах. Исследование по, Строительные материалы и их свойства..doc, Факторы, влияющие на состав и свойства молока.docx, 1.3 Материаловедение.doc, Вес строительных материалов.pdf, 1 Ассортимент вырабатываемой продукции и ее свойства.docx, Комплексное ультразвуковое исследование в диагностике заболевани, 9 Исследование квадратного трехчлена.docx, Тест по материаловедению.docx, Проект по внедрению системы управления проектами на базе Microso.

Кафедра микро- и наноэлектроники

по лабораторной работе №5

по дисциплине «Материалы электронной техники»

Тема: Исследование свойств конденсаторных материалов

Студентка гр. 6205 _____________________ Кравцова П.Д.

Преподаватель _____________________ Мазинг Д.С.
Санкт-Петербург

2017
Лабораторная работа № 5

Исследование свойств конденсаторных материалов

В термостате размещены конденсаторы С1. C5, рабочими диэлектриками в которых являются исследуемые материалы (их наименования указаны на пульте).

В положении переключателя «С_{» измеряется емкость проводников, соединяющих образцы в термостате с измерительным прибором.}

Основные понятия и определения

Относительная диэлектрическая проницаемость характеризует способность различных диэлектриков поляризоваться в электрическом поле: ε = С_д/С_{, где С_д – емкость конденсатора с диэлектриком; С_{– емкость того же конденсатора в вакууме.}}

Полные потери в участке изоляции с емкостью С при воздействии напряжения U с угловой частотой ω

где δ – угол диэлектрических потерь.

Емкость плоского конденсатора определяется выражением:

(5.1)

где ε_{= 8,85-10 -12 Ф/м — электрическая постоянная; ε — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S – площадь электродов, h— толщина диэлектрика, заключенного между электродами.}

В случае квадратных электродов S=l 2 , где l – сторона квадрата.

Температурный коэффициент емкости α_C отражает отклонение емкости, обусловленное изменением температуры и, следовательно, характеризует температурную стабильность емкости конденсатора. Общее определение этого параметра соответствует выражению:

α_C= (1/C)·(dC/dТ) (5.2)
Дифференцируя выражения (5.1) по переменной Т, где Т-температура; S=l 2 , получим:

dC/dТ= ε_{[ (l 2 /h)·(dε/dТ) + (2εl/h)·(dl/dТ) – (εl 2 /h 2 )·(dh/dТ) ] (5.3)
Разделив левую и правую часть выражения (5.3) на левую и правую часть выражения (5.1), придем к выражению:}

где α_ε, α_l_м и α_l_д – температурные коэффициенты относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика, линейного расширения металла электродов и линейное расширение диэлектрика соответственно.

Исходные данные

Испытатель-ная темпе-ратура t, °С	Испытуемые образцы
	«1»		«2»		«3»		«4»		«5»
	Неорганическое стекло		Слюда		Тиконд		Полипропилен		Сегнетокерамика
	c1, пФ	tg	c2, нФ	tg	c3, пФ	tg	c4, нФ	tg	c5, нФ	tg
22	1637,6	0,005	1,71	0,0537	1506,6	0,007	2,399	0,0605	2,302	0,0574
32	1638,7	0,0041	1,711	0,0542	1486,8	0,007	2,392	0,0606	4,083	0,0566
46	1639,1	0,0041	1,712	0,0542	1469,3	0,0073	2,386	0,0607	5,36	0,084
58	1639,8	0,0041	1,712	0,0544	1447,1	0,0077	2,375	0,0607	14,773	0,1176
64	1640,5	0,004	1,713	0,0545	1436,6	0,0079	2,366	0,0607	9,615	0,0475
68	1640,2	0,0038	1,714	0,0545	1431,6	0,0079	2,363	0,0608	7,752	0,0487
70	1641	0,0036	1,713	0,0546	1427,4	0,008	2,36	0,0608	6,787	0,0499
74	1641,2	0,0037	1,713	0,0547	1423,6	0,0079	2,357	0,0608	6,063	0,0786
76	1641,5	0,0036	1,714	0,0547	1420,3	0,008	2,355	0,0608	5,366	0,0731
82	1641,5	0,0036	1,717	0,0547	1414,7	0,008	2,35	0,0608	4,467	0,0608
88	1641,6	0,0036	1,714	0,0548	1409	0,0083	2,345	0,0608	3,74	0,0621

C_{=15,22 пФ}

Обработка результатов

По экспериментальным данным построим температурные зависимости емкости исследованных образцов С(Т).

По экспериментальным данным построим температурные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь tg δ исследованных образцов

Рассчитаем значение температурного коэффициента емкости α_с для исследованных образцов, пользуясь выражением α_с = (1/С)*(dС/dT). Значение производной dС/dT найдем путем графического дифференцирования. Для этого воспользуемся средой MSExcel и с помощью функции ЛИНЕЙН() (аппроксимация исходных данных линейной зависимостью y=k*x+b, производная dС/dT при данной температуре равна коэффициенту k) найдем значение производных. Результаты расчётов занесем в таблицу 5.2.

Пример вычислений:

Найдем значение температурного коэффициента емкости для температуры 22°С (295К), С= 1,6376E-09Ф

α_с = (1/ 1,6376E-09)*( 1,1E-13), α_с = 0,000067 К -1 .

Пользуясь формулой α_с = α_ε + α_l_д, рассчитаем значение температурного коэффициента диэлектрической проницаемости α_ε для исследованных материалов. Результаты расчётов занесем в таблицу 5.2.

Пример вычислений:

образец 1 (неорганическое стекло), Т=22°С, α_с =0,000067 К -1 , α_l_д = 3,00E-06 К -1

Значение температурного коэффициента линейного расширения диэлектрика α_l_д:

«1»	«2»	«3»	«4»	«5»
Неорганическое стекло	Слюда	Тиконд	Полипропилен	Сегнетокерамика
3,00E-06	1,35E-05	8,00E-06	1,10E-04	1,20E-05

Таблица 5.2

По данным таблицы 5.2. построим температурные зависимости температурного коэффициента диэлектрической проницаемости α_ε для всех исследованных материалов

Читайте также:

I. Общие сведения
I. Сведения о заявителе
II. Общетеоретические вопросы
II. Основные теоретические положения
II. Основные теоретические положения
II. Основные теоретические положения
II. Основные теоретические положения
II. Основные теоретические положения
Безумный день продолжался. С фронта поступали все новые отчаянные сведения.
Введение . Общие сведения о языке и речи.
ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЦВЕТА И СВЕДЕНИЯ О ЦВЕТЕ
Виды налогов и их краткие характеристики (согласно НК РФ по состоянию на 01.01.2012г.)

Лабораторная работа №2

Тема: Исследование сопротивления электроизоляционных материалов.

Цель: Научиться Исследование сопротивления электроизоляционных материалов с помощью измерительного прибора Е6-3.

Согласно зонной теории твердого тела диэлектрики – это вещества, у которых запрещенная зона настолько велика, что в нормальных условиях электропроводность в них отсутствует.

По назначению диэлектрические материалы можно разделить на электроизоляционные материалы и активные диэлектрики.

Электроизоляционными называют материалы, применяемые для создания электрической изоляции между токоведущими частями радиоэлектронной аппаратуры.

Активными диэлектриками называют материалы, применяемые для усиления генерации и преобразования электрических сигналов.

По агрегатному состоянию диэлектрические материалы подразделяют на твердые, жидкие, газообразные. В особую группу можно выделить твердеющие материалы, которые в исходном состоянии являются жидкостями (лаки, компаунды).

По химической основе диэлектрические материалы подразделяют на органические, неорганические и элементоорганические – промежуточные по своему составу между первыми двумя.

Органическими называют материалы, содержащие в своем составе углерод. Материалы, в состав которых углерод не входит, называют неорганическими. Однако есть ряд соединений, имеющих в своем составе углерод и относящихся к неорганическим веществам: оксиды углерода, сероуглерод, угольная кислота и ее соли.

Органические диэлектрики более гибки и эластичны по сравнению с неорганическими, но они, за небольшим исключением, менее нагревостойки.

Для оценки эксплуатационных свойств диэлектриков и возможных областей их применения необходимо изучить физические явления, которые имеют место в материалах при воздействии на них электромагнитного поля, и определить параметры:

Поляризация диэлектриков. Поляризация – это процесс, состоящий в ограниченном смещении, или ориентации связанных зарядов в диэлектрике при воздействии на него внешнего электрического поля.

Положительные заряды смещаются в направлении вектора напряженности поля Е, отрицательные – в обратном направлении.

S – площадь обкладки (электрода)

h – расстояние между обкладками (толщина слоя диэлектрика).

Поляризация приводит к образованию в объеме индуцированного электрического момента, равного векторной сумме дипольных электрических моментов молекул диэлектрика

Интенсивность поляризации определяется поляризованностью Р, измеряемой в Кл/м. В однородном поле, когда дипольные электрические моменты всех п молекул ориентированы параллельно .

Поскольку в глубине диэлектрика положительные и отрицательные заряды взаимно компенсируются, нескомпенсированные электрические заряды останутся только на поверхности диэлектрика, если поверхностная плотность этих зарядов равна G, то величина этого нескомпенсированного электрического заряда поверхности равна G∙Ѕ. Тогда величина суммарного электрического момента всех п молекул диэлектрика вычисляют по формуле или P=G.

Таким образом, в случае однородного поля поляризованность диэлектрика равна поверхностной плотности его зарядов.

Если увеличивать напряженность электрического поля, то поверхностная плотность электрических зарядов будет также возрастать, следовательно, будет увеличиваться и поляризованность диэлектрика.

Для большинства диэлектриков поляризованность прямо пропорциональна напряженности электрического поля. Такие диэлектрики называют линейными. К ним относят все применяемые в современной электротехнике электроизоляционные материалы. У диэлектриков, в частности, сегнетоэлектриков, прямой пропорциональности между поляризованностью и напряженностью электрического поля нет. Такие диэлектрики называют нелинейными. Они в последнее время находят все более широкое применение, поскольку позволяют управлять электрическими и оптическими свойствами материалов путем изменения напряженности электрического поля, температуры и т.д.

Одной из важнейших характеристик диэлектрика является его относительная диэлектрическая проницаемость Е.

Диэлектрик, включенный в электрическую цепь можно рассматривать как конденсатор определенной емкости. Представим заряд Q конденсатора с данным диэлектриком как сумму зарядов Q конденсатора, между обкладками которого вакуум и Q_д, который обусловлен поляризацией диэлектрика:

Относительная диэлектрическая проницаемость представляет собой отношение заряда Q конденсатора с данным диэлектриком к заряду Q конденсатора тех же размеров, той же конфигурации электродов, при том же напряжении:

Отсюда следует, что относительная диэлектрическая проницаемость любого вещества больше единицы (равна единице только в вакууме).

Диэлектрическая проницаемость безразмерная величина, которая количественно определяет способность диэлектриков поляризоваться и образовывать электрическую емкость.

Диэлектрические проницаемости различных веществ значительно отличаются. Величина Е газов близка к единице. Для большинства практически применяемых жидких и твердых электроизоляционных материалов Е – величина порядка нескольких единиц, реже – порядка нескольких десятков и весьма редко более 100. Наибольшую диэлектрическую проницаемость имеют некоторые сегнетокерамические материалы, Е которых в определенных условиях может иметь величину – порядка десятка тысяч.

Основные виды поляризации. В зависимости от агрегатного состояния и структуры диэлектриков различают следующие виды поляризации: электронную, ионную, дипольно-релаксационную, ионно-релаксационную, миграционную. Самопроизвольную (спонтанную).

Электропроводность диэлектриков. В диэлектрике, находящемся под напряжением происходят поляризационные процессы, связанные с перемещением электрических зарядов. Следовательно, поляризационные процессы создают электрические токи в диэлектрике. Ток, соответствующий электронной и ионной поляризации называют током смещения и его мгновенное значение обозначают i_см. Он проходит в очень малые промежутки времени (10 -13 – 10 -14 с) и является чисто реактивным.

Релаксационные виды поляризации вызывают прохождение в диэлектрике тока абсорбции i_аб. Наличие в диэлектрике небольшого числа свободных зарядов обуславливает возникновение небольшого по величине сквозного тока i_ск. Таким образом, ток, проходящий через диэлектрик, представляет собой сумму токов смещения, абсорбции и сквозного:

В первый момент приложения постоянного напряжения ток значительно больше, чем спустя некоторое время, когда в диэлектрике проходит лишь сквозной ток. Это объясняется тем, что токи смещения и абсорбции вскоре прекращаются, поскольку они обусловлены быстропротекающими процессами поляризации.

В случае переменного напряжения все три вида токов имеют место в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле.

Удельная проводимость диэлектриков γ в нормальных условиях составляет 10 -10 –10 -16 см/м.

Диэлектрические потери. Под диэлектрическими потерями понимают электрическую мощность, поглощаемую диэлектриком при воздействии на него электрического поля. Эта мощность рассеивается в диэлектрике, превращаясь в тепло.

Электроизоляционные материалы (диэлектрики). Каждый из материалов, будь то проводник, полупроводник или диэлектрик, проводят электрический ток, то есть в нем наблюдается явление электропроводности. В диэлектриках протекают очень малые токи, если даже проводить к ним высокое напряжение (от 500В и выше).

У диэлектриков различают два вида электропроводности: объемную, которая определяется током объемной утечки I и поверхностную, обусловленную током поверхностной утечки I_S. Поэтому в диэлектриках различают два вида удельных сопротивлений – удельное объемное сопротивление ρ_v и удельное поверхностное сопротивление ρ_s. . Удельное объемное сопротивление ρ_v количественно определяет способность диэлектрика проводить электрический ток iv через его объем, а поверхностное удельное сопротивление ρ_s – по поверхности диэлектрика. Удельное объемное сопротивление измеряют в (Ом·см). Удельное поверхностное сопротивление измеряют в Ом. Удельное объемное сопротивление не может быть положено в основу распределения всех электротехнических материалов на три основные группы: проводники, полупроводники и диэлектрики.

У проводниковых материалов величина удельного объемного электрического сопротивления: 10 -6 ÷ 10 -4 Ом·см, у полупроводников: 10 -4 ÷ 10 10 Ом·см, а у диэлектриков эта характеристика изменяется от 10 10 ÷ 10 18 Ом·см и выше.

Пробой диэлектриков. Диэлектрики применяются в качестве электроизоляционных материалов в электрических установках, машинах и аппаратах, где они подвергаются действию высокого напряжения и могут быть разрушены силами электрического поля. Это явление называется пробоем диэлектрика. В результате пробоя диэлектрик становится неспособным удерживать приложенное к нему напряжение, так как в месте пробоя он разрушается и проводит ток.

Свойство диэлектрика выдерживать высокое напряжение количественно выражают напряженностью электрического поля. Величина напряженности электрического поля (Е_пр), при которой произошел пробой диэлектрика, называется электрической прочностью.

Электрическая прочность диэлектриков. Электрическая прочность диэлектрика определяется отношением напряжения, при котором происходит пробой (пробивное напряжение U_пр), к единице толщины (h) диэлектрика в месте пробоя.

Процесс пробоя может произойти в результате нагрева диэлектрика проходящим через него электрическим током, причем сопротивление диэлектрика непрерывно уменьшается. Это уменьшение сопротивления диэлектрика вызывает увеличение тока, что в свою очередь обуславливает повышение его температуры. Электрический ток может достигнуть такой величины, при которой диэлектрик термически разрушается (проплавляется). В этом случае пробой диэлектрика называется тепловым пробоем.

Можно представить пробой диэлектрика и как результат увеличения количества свободных электронов в какой-либо части его объема. Количество свободных электронов с повышением напряженности поля быстро нарастает, и процесс нарастания электронов может закончиться пробоем диэлектрика. Такая форма пробоя называется электрическим пробоем.

Как при тепловом, так и при электрическом пробое в диэлектрике образуется сквозной канал в месте пробоя. Этот канал обладает повышенной проводимостью.

Как было сказано выше электроизоляционные материалы подразделяются по их агрегатному состоянию на газообразные, жидкие и твердые. В особую группу могут быть выделены твердеющие материалы, которые в исходном состоянии, во время введения их в изготовляемую изоляцию, являются жидкостями, но затем отверждаются и в готовой, находящейся в эксплуатации изоляции, представляют из себя твердые тела.

Классификация электроизоляционных материалов.

1. Газообразные диэлектрики. К газообразным диэлектрикам относятся все газы, в том числе воздух. В слаботочной технике используется вакуум.

2. Жидкие диэлектрики. К жидким диэлектрикам относятся: нефтяные (минеральные) масла и синтетические масла.

Нефтяные масла подразделяются на трансформаторные, кабельные и конденсаторные.

К синтетическим маслам относятся: совол, кремнийорганические жидкости, фторорганические жидкости.

3. Твердые диэлектрики. Классификация твердых диэлектриков.

· Волокнистые электроизоляционные материалы состоят из волокон: природных, искусственных или синтетических. К ним относятся бумаги (кабельная, телефонная, конденсаторная, миколентная), картоны, пряжа, ткани, лента, древесина и фибра. Природные электроизоляционные смолы (канифоль, шеллак). Пропиточные волокнистые материалы: лакоткани, лакобумаги. Электроизоляционные лаки и эмали (лаки делятся на пропиточные, покровные, клеящие).

· Полимерные материалы. Полимерные материалы подразделяются на 3 группы: термопласты, слоистые пластики (которые изготавливают прессованием: гетинакс, текстолиты), пластмассы (которые изготовляются на основе синтетических смол с наполнителями и без них).

· Электроизоляционные гибкие пленки. Они изготовляются на основе синтетических смол и эфиров целлюлозы в виде тонких до 200 мкм пленок.

· Каучуковые материалы. Их изготовляют из естественного или искусственного каучука. Из каучуковых материалов широкое применение нашли резина и эбонит.

· Минеральные диэлектрики. К ним относят, в первую очередь, слюду (из которой делают миканиты и микаленты), асбестовые изделия, стеклянные изделия, керамические изделия (фарфор, стеатит).

Дата добавления: 2014-12-10 ; Просмотров: 741 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Конденсаторы температурный коэффициент — Справочник химика 21

Тиконд — конденсаторная керамика, используемая для получения конденсаторов с отрицательным температурным коэффициентом емкости. [c.32]

При оборотной системе водоснабжения холодильной установки обычно применяют горизонтальные кожухотрубные конденсаторы. Ориентировочно коэффициент теплопередачи для аммиачных аппаратов такого типа К = 800 Вт/(м — К) [5, 17]. Средний температурный напор в конденсаторах [c.177]

Для повышения стабильности частоты основной генератор должен иметь кварцевый резонатор и должен быть термостатирован вместе с измерительным генератором, чтобы колебания температуры не превышали 0,5 град. Конденсатор переменной емкости измерительного генератора для повышения точности измерений должен обладать малым температурным коэффициентом (не более 10-10 1/град) и высокой стабильностью. [c.212] Для компенсации фазового сдвига, вызванного температурной вариацией индуктивности Ь, конденсатор С, составляющий основную часть емкости Си выбирается с температурным коэффициентом, обратным знаку температурного коэффициента I. [c.156]

II, III. Температурный коэффициент и температурная стабильность емкости конденсаторов соответствуют данным, указанным в табл. 9.8. [c.352]

Емкость конденсатора может изменяться в зависимости от температурных условий его работы. Отклонение в этих случаях определяется свойствами диэлектрика. В меньшей степени на изменение емкости влияет температурное увеличение площади обкладок. Однако при конструировании высокоточных цепей управления оборудованием это должно учитываться. Зависимость емкости конденсатора от температуры характеризуется температурным коэффициентом емкости (ТКЕ). [c.20]

Наиболее просто такая компенсация выполняется путем подключения к датчику конденсатора с температурным коэффициентом, равным температурному коэффициенту исследуемого материала, но с обратным знаком. Кроме того, температурная компенсация может быть осуществлена путем подбора размеров и материалов датчика с соответствующими температурными коэффициентами с таким расчетом, чтобы изменение размеров конденсатора от температуры вызывало изменение его емкости. [c.107]

В этой формуле зависимость между Р п выражена через коэффициент С], который при обычных для конденсаторов температурных условиях меняется в узких пределах. [c.97]

Температурный коэффициент емкости пленочных конденсаторов из неполярных пленок увеличен по сравнению со слюдяными конденсаторами и имеет отрицательное значение. Конденсаторы из неполярных пленок имеют высокие значения постоянной времени (т > 10 ол-ф). Особым преимуществом конденсаторов с диэлектриком из неполярных пле- [c.346]

Температурный коэффициент и температурная стабильность емкости конденсаторов СГМ [c.353]

Конденсаторы КСГ (ГОСТ 6116—52) выпускают четырех классов точности О, I, II, III. Температурный коэффициент и температурная стабильность емкости конденсаторов соответствуют данным, указанным в табл. 9.11. [c.354]

Катушки индуктивности обладают положительным температурным коэффициентом индуктивности (ТКИ). При повышении температуры окружающей среды индуктивность катушки будет возрастать, что приведет к уменьшению частоты контура. Если в такой контур включить конденсатор с отрицательным ТКЕ, то вследствие уменьшения его емкости при повышении температуры частота контура увеличится и при соответствующем подборе может быть достигнута полная компенсация изменения индуктивности.—Яриж. ред. [c.27]

Температурные коэффициенты и температурная стабильность емкости конденсаторов КСГ [c.355]

Группа Температурный коэффициент емкости ТКЕ-106 Отличительный цвет окраски конденсатора [c.19]

По ТКЕ (температурный коэффициент емкости) конденсаторы КСО делятся на четыре группы [c.22]

В зависимости от состава керамики конденсаторы имеют положительный или отрицательный температурный коэффициент емкости по знаку и величине этого параметра конденсаторы разделяют на шесть групп (табл. 1.5). [c.17]

Неполярными и более стабильными являются оксидные конденсаторы, в которых роль диэлектрика играет тонкий слой окисла на поверхности полупроводника. В качестве обкладки служит слой металла, осажденного в вакууме. Конденсаторы оксидного типа характеризуются температурным коэффициентом ТКЕ = 100-10″ град и высокой стабильностью во времени. Величина емкости не превышает 0,1 нф/мм . [c.187]

В разделе 1 было показано, что кристаллообразование зависит от условий конденсации-сублимации. При медленном охлаждении скорость роста кристаллов опережает рост центров кристаллообразования, что более благоприятно для процесса улавливания и уменьшения уноса. Мягкие условия охлаждения ПГС могут быть обеспечены, во-первых, оптимальным температурным режимом в конденсаторах системы улавливания и, во-вторых, использованием для этих целей соответствующего теплоносителя. В качестве теплоносителя для создания мягких условий охлаждения рекомендуется воздух, так как теплообмен между газами обеспечивается при низких коэффициентах теплопередачи. [c.112]

Экспериментальные исследования процессов конденсации пара в смешивающих конденсаторах показывают высокую интенсивность теплоотдачи, превосходящую по величине коэффициента теплоотдачи а капельную конденсацию на твердой поверхности теплообменника. Так, например, при смешивании пара (температурой 100— 250° С) и воды (температурой 15—40° С) в многоструйном конденсаторе средний коэффициент теплоотдачи а , отнесенный к поверхности струи и температурному напору в камере смешения, достигает 100 квт/ м -°С) и более [27]. [c.78]

Применяют для покрытия керамических конденсаторов с целью электрической изоляции проводящей поверхности и защиты ее от действия влаги п механических повреждений. Эмаль обладает малым температурным коэффициентом емкости. Наносят в два слоя окунанием. [c.425]

Было установлено , что поликарбонатная пленка при использовании в качестве диэлектрика в конденсаторах имеет ряд преимуществ по сравнению с другими изоляционными пленками благодаря большому электрическому сопротивлению, малым диэлектрическим потерям, чрезвычайно низкому температурному коэффициенту емкости при температуре выше комнатной и минимальному изменению сопротивления изоляции и емкостного сопротивления под действием влаги. В тех областях, где от изделия требуется высокая механическая прочность в сочетании с хорошими диэлектрическими свойствами, применяют вытянутую в одном нанравлении, кристаллическую изоляционную пленку, производство которой освоено в последнее время. [c.213]

В качестве испытательного образца может быть использован конденсатор, причем пластины его служат электродами. Конденсатор герметизируется.. Может быть определено влияние температуры и ускоренного старения на свойства, и, наконец, если используются материалы, имеющие различные температурные коэффициенты расширения, конденсатор может быть использован в качестве образца для определения теплового удара [Л. 4-22]. [c.69]

Температурный коэффициент емкости (ТКК) конденсаторов при температурах от—60 до+20°С составлял (0,7-=-2,5)-КГ4 град 1, а при 20—125° С равнялся (4,6-=-6,0)-10 4 град 1. После термообработки конденсаторов при 140° С в течение 4—5 час., предпринятой для стабилизации параметров, емкость за 1000 час. старения изменилась на 1,0—1,5%. [c.447]

Относительный температурный коэффициент линейного расширения антегмита также изменяется при повышении температуры от 20 до 160—170°С а возрастает в 3—4 раза. Это следует учитывать при конструировании теплообменников из антегмитовых труб (установка конденсаторов, свободно плавающих решеток). На основании практических данных установлено, что кожухотрубчатые теплообменники из антегмитовых труб, заделанных в трубные решетки, работают удовлетворительно при нагреве стенок до 130° С. При более высоких температурах в местах заделки труб появляются трещины и замазка разрушается. [c.434]

Пленки из полистирола используются в производстве точных стабильных высокочастотных конденсаторов с высоким сопротивлением изоляции, малым тангенсом угла диэлектрических потерь в широком интервале частот и относительно небольшим температурным коэффициентом емкости (ТКЕ г 150- 10 на 1 градус) [363]. [c.118]

Вакуумная технология находит применение не только в производстве конденсаторов и кабелей с БПИ. Одним из типов электрических конденсаторов является вакуумный конденсатор, имеющий меньшие диэлектрические потери, чем газовый, малый температурный коэффициент емкости, большую устойчивость к вибрациям по сравнению с газонаполненным [13]. Значение пробивного напряжения вакуумного конденсатора не зависит от атмосферного давления, поэтому он широко используется в авиационной технике. [c.39]

При детальном моделировании ТТО разделения к разделяемому потоку, если это необходимо, добавляется разделяющий агент. Если агрегатное состояние разделяемого потока не соответствует типу ТТО, моделируется полный конденсатор или разделитель фаз. При необходимости моделируется использование хладагентов и теплоносителей с соответствующими температурными уровнями, а также вакуума или повышенного давления. В качестве экономического критерия используется сумма эксплуатационных и капитальных затрат с весовыми коэффициентами. Фактические затраты для данного типа ТТО разделения включают затраты на последующее. выделение разделяющего агента, яа из.ме-нение агрегатного состояния сырья и на перекачку или сжатие потока. Детальное моделирование в процессе синтеза осуществляется с использованием модулей, т. е. упрощенных моделей, без расчета от ступени к ступени . После определения фактических затрат на разделение производится коррекция стоимостных коэффициентов [c.293]

Ниже приведены практические коэффициенты теплопередачи k и удельные тепловые нагрузки q (при температурном напоре вер. = 5 С) для конденсаторов различных типов [c.540]

Чтобы охарактеризовать зависимость электрической емкости конденсатора от температуры, пользуются температурным коэффициентом емкости (ТКЕ), который определяет относительное изменение емкости при изменении температуры на один градус Цельсия. ТКЕ для некоторых неорганических диэлектриков составляет для кварца плавленого С5-1 — 0,055-10 °С , для сапфирита — 1,34 10 °С , рутила -минус 8 10 °С . [c.587]

Стекло со смесью празеодима и неодима (дидимовое стекло) применяется для защитных очков стеклодувов и сварщиков. Стекло с празеодимом предохраняет от ультрафиолетовых лучей. Окись празеодима используется в керамическом производстве для изготовления конденсаторов с заданным температурным коэффициентом емкости [469]. [c.788]

Термоконд — конденсаторная керамика на основе двуокиси титана, обладает малым температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости, что позволяет его использовать при изготовлении высокостабильных конденсаторов (контурных). [c.32]

В приближенных расчетах теплообменников, холодильников, конденсаторов Холодильииков коэффициент теплопередачи можно брать по практическим данным в зависимости от температурного режима работы аппарата и потоков продукта, поступающих в аппарат. Значения коэффициента теплопередачи даны в Приложениях 42, 43. В Приложениях 43, 44 дана характеристика теплообменных аппаратов. [c.70]

Термостойкое кварцевое стекло на 99,Н% состоит из двуокиси кремния, обладает исключительно малым температурным коэффициентом расширения 5 гpaд ), высокой нагревостойкостью (до 1000° С), высокими электрическими свойствами (е = 3,7—4,2 tg б = 1- -2х X 10 р = 10 ом-см), высокой механической прочностью. Такое стекло часто используется как высокочастотный, высоконагревостойкий диэлектрик, для изоляторов в воздушных и вакуумных конденсаторах, для различных установочных деталей, хотя технология изготовления изделий из этого стекла весьма тяжела вследствие высокой температуры плавления. Существует целый ряд разновид-222 [c.222]

Конденсаторы из обычного стекла нашли применение только в отдельных специальных случаях техники. Известно, что разработаны способы получения очень тонких стеклянных пленок, которые используют в производстве конденсаторов. Секции стеклянных конденсаторов набирают из чередующихся слоев стеклянной ленты в виде тонкой пленки толщиной 12,7—25 мк и алюминиевой фольги и спекают в монолитный блок. Диэлектрическая проницаемость стекла выще, чем у слюды, поэтому объем стеклопленочных конденсаторов меньше объема слюдяных той же емкости. Стеклянные конденсаторы имеют положительный температурный коэффициент порядка 140 10 град- . Так как корпус конденсатора изготовляется из стекла, то подобные конденсаторы имеют высокое значение добротности при малых емкостях. Малая индуктивность выводов, непосредственно присоединенных к обкладкам, дает высокое значение добротности и при больших емкостях. Добротность их не ниже следующих значений [c.364]

В отличие от других неталлизованных пленок, полученная пленка по утверждению фирны, не инеет темных краев. Конденсаторы, изготовленные из новой пленки, имеют более низкий температурный коэффициент, чем конденсаторы из других диэлектрических пленок. [c.106]

Чтобы в процессе настройки не изменять число витков катушки индуктивности, необходимы высокоточные емкости для того, чтобы не выйти за пределы возможностей подстроечника индуктивности. По этой причине не рекомендуется использовать однопроцентные емкости. В рассматриваемом диапазоне частот применяются слюдяные и поли-стироловые, а также керамические и стеклянные конденсаторы с низким температурным коэффициентом, [c.32]

В простом случае конденсации при постоянных температуре и коэффициентах теплоотдачи, а также прн одноходовой схеме течения теплоносителя используется средний логарифмический температурный напор. Прн последовательном расчете в каждом сечении конденсатора используются локальная разность температур и значения коэффициентов с последующим численным интегрированием. При многоходовом течении потока необходимо использовать локальные коэффициенты и разности температур для каждого хода. Для того чтобы определить температуры в точках поворота потока, необходимы итерационные расчеты, которые могут быть выполнены с помощью ЭВМ. Для конденсации в межтрубном пространстве в предположении, что коэффициенты теплоотдачи постоянны на каждом выбранном прямом участке идоль кожуха, в 127) предложена следующая последовательность расчетов. [c.64]

Применение средств вычислительной техники значительно облегчает процедуру расчета и выбора теплообменной аппаратуры. В проектных институтах нефтепереработки и нефтехимии применяются программы теплового и гидравлического расчета на ЭВМ конденсатора парогазовой смеси, тер лосифонных кипятильников, теплообменников, в которых осуществляется нагрев или охлаждение продуктов. Исходными данными для расчета служат тепловая нагрузка, температурный режим, теплофизические свойства сред, термические сопротивления загрязнений. Результаты счета — коэффициент теплопередачи, расчетная и рекомендуемая площади поверхности теплообмена, геометрическая характеристика аппаратов и их гидравлическое сопротивление. [c.115]

Конденсатор — это… Что такое Конденсатор?

Основа конструкции конденсатора — две токопроводящие обкладки, между которыми находится диэлектрик

Слева — конденсаторы для поверхностного монтажа; справа — конденсаторы для объёмного монтажа; сверху — керамические; снизу — электролитические.

Различные конденсаторы для объёмного монтажа

Конденса́тор — двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

История

В 1745 году в Лейдене немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и голландский физик Питер ван Мушенбрук создали первый конденсатор — «лейденскую банку».

Свойства конденсатора

Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд конденсатора), по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течет, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора.

В терминах метода комплексных амплитуд конденсатор обладает комплексным импедансом

где — мнимая единица, — частота^[1] протекающего синусоидального тока, — ёмкость конденсатора. Отсюда также следует, что реактивное сопротивление конденсатора равно: . Для постоянного тока частота равна нулю, следовательно, реактивное сопротивление конденсатора бесконечно (в идеальном случае).

При изменении частоты изменяются диэлектрическая проницаемость диэлектрика и степень влияния паразитных параметров — собственной индуктивности и сопротивления потерь. На высоких частотах любой конденсатор можно рассматривать как последовательный колебательный контур, образуемый ёмкостью , собственной индуктивностью и сопротивлением потерь .

Резонансная частота конденсатора равна

При конденсатор в цепи переменного тока ведёт себя как катушка индуктивности. Следовательно, конденсатор целесообразно использовать лишь на частотах , на которых его сопротивление носит ёмкостный характер. Обычно максимальная рабочая частота конденсатора примерно в 2—3 раза ниже резонансной.

Конденсатор может накапливать электрическую энергию. Энергия заряженного конденсатора:

где — напряжение (разность потенциалов), до которого заряжен конденсатор.

Обозначение конденсаторов на схемах

В России условные графические обозначения конденсаторов на схемах должны соответствовать ГОСТ 2.728-74^[2] либо международному стандарту IEEE 315-1975:

Обозначение по ГОСТ 2.728-74	Описание
	Конденсатор постоянной ёмкости
	Поляризованный конденсатор
	Подстроечный конденсатор переменной ёмкости

На электрических принципиальных схемах номинальная ёмкость конденсаторов обычно указывается в микрофарадах (1 мкФ = 10⁶ пФ) и пикофарадах, но нередко и в нанофарадах. При ёмкости не более 0,01 мкФ, ёмкость конденсатора указывают в пикофарадах, при этом допустимо не указывать единицу измерения, т.е. постфикс «пФ» опускают. При обозначении номинала ёмкости в других единицах указывают единицу измерения (пикоФарад). Для электролитических конденсаторов, а также для высоковольтных конденсаторов на схемах, после обозначения номинала ёмкости, указывают их максимальное рабочее напряжение в вольтах (В) или киловольтах (кВ). Например так: «10 мк x 10 В». Для переменных конденсаторов указывают диапазон изменения ёмкости, например так: «10 – 180». В настоящее время изготавливаются конденсаторы с номинальными ёмкостями из десятичнологарифмических рядов значений Е3, Е6, Е12, Е24, т.е. на одну декаду приходится 3, 6, 12, 24 значения, так, чтобы значения с соответствующим допуском (разбросом) перекрывали всю декаду.

Характеристики конденсаторов

Основные параметры

Ёмкость

Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками (q = CU). Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до сотен микрофарад. Однако существуют конденсаторы с ёмкостью до десятков фарад.

Ёмкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью каждая, расположенных на расстоянии друг от друга, в системе СИ выражается формулой: , где — относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между пластинами (эта формула справедлива, лишь когда много меньше линейных размеров пластин).

Для получения больших ёмкостей конденсаторы соединяют параллельно. При этом напряжение между обкладками всех конденсаторов одинаково. Общая ёмкость батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех конденсаторов, входящих в батарею.

или

Если у всех параллельно соединённых конденсаторов расстояние между обкладками и свойства диэлектрика одинаковы, то эти конденсаторы можно представить как один большой конденсатор, разделённый на фрагменты меньшей площади.

При последовательном соединении конденсаторов заряды всех конденсаторов одинаковы. Общая ёмкость батареи последовательно соединённых конденсаторов равна

или

Эта ёмкость всегда меньше минимальной ёмкости конденсатора, входящего в батарею. Однако при последовательном соединении уменьшается возможность пробоя конденсаторов, так как на каждый конденсатор приходится лишь часть разницы потенциалов источника напряжения.

Если площадь обкладок всех конденсаторов, соединённых последовательно, одинакова, то эти конденсаторы можно представить в виде одного большого конденсатора, между обкладками которого находится стопка из пластин диэлектрика всех составляющих его конденсаторов.

Удельная ёмкость

Конденсаторы также характеризуются удельной ёмкостью — отношением ёмкости к объёму (или массе) диэлектрика. Максимальное значение удельной ёмкости достигается при минимальной толщине диэлектрика, однако при этом уменьшается его напряжение пробоя.

Номинальное напряжение

Другой, не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение — значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.

Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры допустимое напряжение снижается.

Полярность

Конденсаторы, разрушившиеся без взрыва из-за температуры и напряжения, не соответствующих рабочим.

Многие конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические) функционируют только при корректной полярности напряжения из-за химических особенностей взаимодействия электролита с диэлектриком. При обратной полярности напряжения электролитические конденсаторы обычно выходят из строя из-за химического разрушения диэлектрика с последующим увеличением тока, вскипанием электролита внутри и, как следствие, с вероятностью взрыва корпуса.

Взрывы электролитических конденсаторов — довольно распространённое явление. Основной причиной взрывов является перегрев конденсатора, вызываемый в большинстве случаев утечкой или повышением эквивалентного последовательного сопротивления вследствие старения (актуально для импульсных устройств). Для уменьшения повреждений других деталей и травматизма персонала в современных конденсаторах большой ёмкости устанавливают клапан или выполняют насечку на корпусе (часто можно заметить её в форме буквы X, K или Т на торце). При повышении внутреннего давления открывается клапан или корпус разрушается по насечке, испарившийся электролит выходит в виде едкого газа, и давление спадает без взрыва и осколков.

Паразитные параметры

Реальные конденсаторы, помимо ёмкости, обладают также собственными сопротивлением и индуктивностью. С высокой степенью точности, эквивалентную схему реального конденсатора можно представить следующим образом:

Электрическое сопротивление изоляции конденсатора —

Сопротивление изоляции — это сопротивление конденсатора постоянному току, определяемое соотношением r = U / I_ут , где U — напряжение, приложенное к конденсатору, I_ут — ток утечки.

Эквивалентное последовательное сопротивление —

Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС, англ. ESR) обусловлено главным образом электрическим сопротивлением материала обкладок и выводов конденсатора и контакта(-ов) между ними, а также потерями в диэлектрике. Обычно ЭПС возрастает с увеличением частоты тока, протекающего через конденсатор.

В большинстве случаев этим параметром можно пренебречь, но иногда (напр., в случае использования электролитических конденсаторов в фильтрах импульсных блоков питания) достаточно малое его значение может быть жизненно важным для надёжности устройства (см., напр., Capacitor plague(англ.)).

Эквивалентная последовательная индуктивность —

Эквивалентная последовательная индуктивность обусловлена, в основном, собственной индуктивностью обкладок и выводов конденсатора. На низких частотах (до единиц килогерц) обычно не учитывается в силу своей незначительности.

Тангенс угла потерь

Тангенс угла потерь — отношение мнимой и вещественной части комплексной диэлектрической проницаемости.

Потери энергии в конденсаторе определяются потерями в диэлектрике и обкладках. При протекании переменного тока через конденсатор векторы напряжения и тока сдвинуты на угол , где — угол диэлектрических потерь. При отсутствии потерь . Тангенс угла потерь определяется отношением активной мощности P_а к реактивной P_р при синусоидальном напряжении определённой частоты. Величина, обратная , называется добротностью конденсатора. Термины добротности и тангенса угла потерь применяются также для катушек индуктивности и трансформаторов.

Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ)

ТКЕ — относительное изменению емкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия (Кельвина). Таким образом значение ёмкости от температуры представляется линейной формулой:

где ΔT — увеличение температуры в °C или °К относительно нормальных условий, при которых специфицировано значение ёмкости. TKE применяется для характеристики конденсаторов со значительной линейной зависимостью ёмкости от температуры. Однако ТКЕ определяется не для всех типов конденсаторов. Конденсаторы, имеющие нелинейную зависимость емкости от температуры, и конденсаторы с большими уходами емкости от воздействия температуры окружающей среды в обозначении имеют указание на относительное изменение емкости в рабочем диапазоне температур.

Диэлектрическое поглощение

Если заряженный конденсатор быстро разрядить до нулевого напряжения путём подключения низкоомной нагрузки, а затем снять нагрузку и наблюдать за напряжением на выводах конденсатора, то мы увидим, что напряжение медленно повышается. Это явление получило название диэлектрическое поглощение или адсорбция электрического заряда. Конденсатор ведёт себя так, словно параллельно ему подключено множество последовательных RC-цепочек с различной постоянной времени. Интенсивность проявления этого эффекта зависит в основном от свойств диэлектрика конденсатора. Подобный эффект можно наблюдать и на большинстве электролитических конденсаторов, но в них он является следствием химических реакций между электролитом и обкладками. Наименьшим диэлектрическим поглощением обладают конденсаторы с органическими диэлектриками: тефлон (фторопласт), полистирол, полиэтилентерефталат, поликарбонат.

Классификация конденсаторов

Основная классификация конденсаторов проводится по типу диэлектрика в конденсаторе. Тип диэлектрика определяет основные электрические параметры конденсаторов: сопротивление изоляции, стабильность ёмкости, величину потерь и др.

По виду диэлектрика различают:

Конденсаторы вакуумные (обкладки без диэлектрика находятся в вакууме).
Конденсаторы с газообразным диэлектриком.
Конденсаторы с жидким диэлектриком.
Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком: стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклоплёночные), слюдяные, керамические, тонкослойные из неорганических плёнок.
Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, плёночные, комбинированные — бумажноплёночные, тонкослойные из органических синтетических плёнок.
Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. Такие конденсаторы отличаются от всех прочих типов прежде всего своей огромной удельной ёмкостью. В качестве диэлектрика используется оксидный слой на металлическом аноде. Вторая обкладка (катод) — это или электролит (в электролитических конденсаторах) или слой полупроводника (в оксидно-полупроводниковых), нанесённый непосредственно на оксидный слой. Анод изготовляется, в зависимости от типа конденсатора, из алюминиевой, ниобиевой или танталовой фольги или спеченного порошка.

Кроме того, конденсаторы различаются по возможности изменения своей ёмкости:

Постоянные конденсаторы — основной класс конденсаторов, не меняющие своей ёмкости (кроме как в течение срока службы).
Переменные конденсаторы — конденсаторы, которые допускают изменение ёмкости в процессе функционирования аппаратуры. Управление ёмкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды, варикапы) и температурой (термоконденсаторы). Применяются, например, в радиоприемниках для перестройки частоты резонансного контура.
Подстроечные конденсаторы — конденсаторы, ёмкость которых изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных ёмкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где требуется незначительное изменение ёмкости.

В зависимости от назначения можно условно разделить конденсаторы на конденсаторы общего и специального назначения. Конденсаторы общего назначения используются практически в большинстве видов и классов аппаратуры. Традиционно к ним относят наиболее распространённые низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования. Все остальные конденсаторы являются специальными. К ним относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляюшие, дозиметрические, пусковые и другие конденсаторы.

Применение конденсаторов

Конденсаторы находят применение практически во всех областях электротехники.

Так как конденсатор способен длительное время сохранять заряд, то его можно использовать в качестве элемента памяти или устройства хранения электрической энергии.

Измерительный преобразователь (ИП) малых перемещений: малое изменение расстояния между обкладками очень заметно сказывается на ёмкости конденсатора.
ИП влажности воздуха (изменение состава диэлектрика приводит к изменению емкости)
ИП влажности древесины

В схемах РЗиА конденсаторы используются для реализации логики работы некоторых защит. В частности, в схеме работы АПВ использование конденсатора позволяет обеспечить требуемую кратность срабатывания защиты.

Внешние ссылки

Смотри также

Ссылки

↑ Частота в радианах в секунду.
↑ ГОСТ 2.728-74 (2002)

Автоматическое регулирование от неэлектрических датчиков | Автоматическое регулирование мощности конденсаторных установок | Архивы

Страница 15 из 20

В зависимости от технологии производства возможно осуществление комбинированных схем регулирования мощности конденсаторных установок от неэлектрических датчиков НД, например температуры, давления, либо от включения или отключения отдельных производственных механизмов, поточных линий и других устройств, если при этом изменение реактивной нагрузки будет соответствовать технологической загрузке промышленного предприятия. На рис. 38 приведена принципиальная схема регулирования мощности неэлектрическими датчиками в зависимости от производственных процессов: например, включение конденсаторной установки осуществляется только при обязательном срабатывании контактов датчиков при определенной температуре 1НД и давлении 2ИД, а отключение возможно раздельно при повышении температуры или давления против номинального.

Рис. 38. Принципиальная схема автоматического регулирования неэлектрическими датчиками в зависимости от производственных процессов.
1ИД— датчик температуры; 2НД — датчик давления.
На рис. 39 приведена принципиальная схема регулирования мощности неэлектрическим датчиком в зависимости от режима работы технологических участков производства, которые включаются и отключаются в работу с диспетчерского пункта предприятия. При включении этих технологических участков их механический или электрический контакт НД замыкается в цепи автоматики и включает конденсаторную установку, при отключении участка контакта НД размыкается и отключает конденсаторную установку. Переключатель П предусматривается для перевода с ручного на автоматическое управление. Схема проста, исключает несвоевременное включение и отключение конденсаторной установки и тем самым осуществляет автоматическое регулирование реактивной мощности предприятия.

Рис. 39. Принципиальная схема автоматического регулирования неэлектрическим датчиком НД в зависимости от режима работы технологического участка.
Возможны и другие комбинации схем управления конденсаторных установок в зависимости от технологии производства. Любая схема автоматики с неэлектрическими датчиками должна учитывать основные условия автоматического управления конденсаторными установками: исключение возможности повторного включения конденсаторной установки до ее полного разряда, для чего в схеме автоматического включения и отключения выключателя предусматриваются реле времени 1В и 2В с выдержкой времени не менее 3 мин, наличие возможности ручного аварийного отключения выключателя конденсаторной установки независимо от схемы автоматики.
В схеме автоматики на рис. 39 реле времени могут и не устанавливаться, если по технологии производства время включения конденсаторной установки после ее отключения будет более 3 мин, т. е. достаточное для разряда конденсаторов.
Таким образом, использование контактов неэлектрических датчиков дает возможность заменить ручное включение и отключение конденсаторных установок либо автоматическое управление от сложных электрических параметров своевременным управлением конденсаторными установками в зависимости от графика реактивной нагрузки данных предприятий. Следовательно, пристройка контакта неэлектрического датчика к любому технологическому механизму делает возможным одновременно включать и отключать с приводным электродвигателем соответствующего механизма конденсаторную установку и тем самым осуществлять саморегулирование выработкой реактивной мощности.

Температурные характеристики электростатической емкости

Конденсаторная направляющая

15.10.2012

Приветствую всех.
В этой технической колонке описаны основные сведения о конденсаторах.
В этом уроке описываются температурные характеристики электростатической емкости.

Температурные характеристики

1. Температурные характеристики различных типов конденсаторов

Электростатическая емкость конденсаторов обычно изменяется в зависимости от рабочей температуры.Говорят, что конденсаторы имеют хорошие температурные характеристики, когда эта ширина отклонения мала, или плохие температурные характеристики, когда ширина отклонения велика. При использовании конденсаторов в местах с высокими рабочими температурами, например в машинных отделениях автомобилей, или в электронном оборудовании, используемом в холодных регионах, таких как Антарктика, при проектировании необходимо учитывать условия рабочей среды.

На рис. 1 показаны зависимости скорости изменения емкости от температуры для различных типов конденсаторов с типичными температурными характеристиками.

Проводящие полимерные алюминиевые электролитические конденсаторы (Polymer Al), пленочные конденсаторы (Film) и многослойные керамические конденсаторы с температурной компенсацией (MLCC ) показаны в качестве примеров конденсаторов с хорошими температурными характеристиками. Напротив, токопроводящие полимерные танталовые электролитические конденсаторы (Polymer Ta) и многослойные керамические конденсаторы с высокой диэлектрической постоянной (MLCC ) демонстрируют большие изменения емкости при высоких температурах.

Рисунок 1.Скорость изменения емкости vs. температурные характеристики различных типов конденсаторов (Пример)

2. Температурные характеристики многослойных керамических конденсаторов

Многослойные керамические конденсаторы в общих чертах делятся на два типа, и температурные характеристики различаются в зависимости от типа.
(1) Один из типов — это многослойные керамические конденсаторы с температурной компенсацией, которые в официальных стандартах относятся к классу 1. В этом типе используются диэлектрические материалы, такие как оксид титана или цирконат кальция, и электростатическая емкость изменяется довольно линейно в зависимости от температуры.Наклон по отношению к температуре называется температурным коэффициентом, и это значение выражается в единицах 1/1 000 000 на 1 ° C [ppm / ° C]. Температурный коэффициент определяется уравнением 1 ниже на основе значения емкости C25 при эталонной температуре (это 20 ° C в стандартах IEC и JIS и 25 ° C в стандарте EIA, но 25 ° C используется в качестве эталона. здесь) и значение емкости CT при температуре верхнего предела категории (максимальная рабочая температура: максимальная расчетная температура окружающей среды, при которой конденсатор может использоваться непрерывно).

—

Стандарт EIA определяет различные температурные коэффициенты электростатической емкости в диапазоне от 0 ppm / ° C до -750 ppm / ° C. На рисунке 2 ниже показаны температурные характеристики типичных материалов, а в таблице 1 приведены выдержки из применяемых стандартов JIS и EIA.

Рис. 2. Зависимость скорости изменения емкости от температурных характеристик керамические конденсаторы термокомпенсирующего типа (пример) Таблица 1. Значения температурного коэффициента и допуск термокомпенсирующего типа многослойные керамические конденсаторы и соответствующие коды

Многослойные керамические конденсаторы термокомпенсирующего типа имеют небольшой температурный коэффициент электростатической емкости (макс.± 30 ppm / ° C (справочная 25 ° C)) в диапазоне температур от -55 ° C до + 125 ° C; иными словами, это продукты с характеристиками C0G с небольшой шириной температурного отклонения. Однако в многослойных керамических конденсаторах с температурной компенсацией используются диэлектрические материалы с небольшой диэлектрической проницаемостью, поэтому существует недостаток, заключающийся в том, что изделия с большой емкостью не могут быть реализованы.

(2) Другой тип — это многослойные керамические конденсаторы с высокой диэлектрической проницаемостью, которые в официальных стандартах относятся к классу 2.В этом типе в качестве диэлектрического материала используется титанат бария, а значение емкости нерегулярно изменяется в зависимости от температуры. По этой причине стандартные значения характеристик электростатической емкости в зависимости от температуры задаются максимальными и минимальными значениями скорости изменения емкости в пределах применяемого диапазона температур относительно значения емкости C25 при эталонной температуре (25 ° C используется в качестве ссылка здесь). (См. Уравнение 2.)

В таблице 2 приведены выдержки из применяемых стандартных значений JIS и EIA.Существует несколько типов стандартов, от одного, который ограничивает скорость изменения емкости в пределах температурного диапазона категории в пределах ± 15% (характеристики X5R), до стандарта, допускающего скорость изменения емкости в диапазоне от + 22% до -82% (характеристики Y5V). продукты). В последнее время продукты с характеристиками X5R с уровнем скорости изменения емкости ± 15% учитывают все больший процент используемых конденсаторов, что говорит о том, что разработчики схем обращают внимание на выбор конденсаторов.

Таблица 2. Стандарты температурных характеристик с высокой диэлектрической проницаемостью многослойные керамические конденсаторы и соответствующие коды

В следующем уроке будут описаны вольт-амперные характеристики электростатической емкости.
Увидимся!

Ответственное лицо ： Закипедия, Подразделение компонентов, Murata Manufacturing Co., Ltd.

Сопутствующие товары

Конденсатор

Керамический конденсатор

Статьи по теме

15.10.2012

Будьте в курсе!

Получайте электронные письма от Мураты с последними обновлениями на этом сайте.
Murata Newsletter (электронный информационный бюллетень)

mail_outline

Емкость керамических конденсаторов изменяется в зависимости от температуры? / Каковы емкостные температурные характеристики конденсаторов? ｜ Q&A Corner

Емкость керамических конденсаторов изменяется в зависимости от температуры?

Каковы емкостные температурные характеристики конденсаторов?

Емкость керамических конденсаторов изменяется в зависимости от температуры окружающей среды.Это изменение называется емкостными температурными характеристиками.
Это вызвано материалом, из которого изготовлены керамические конденсаторы, и обычно встречается на керамических конденсаторах. других компаний.

На следующем рисунке показан коэффициент изменения емкости нашего продукта LMK212BJ105KD-T в зависимости от температуры.

Что касается температурных характеристик керамических конденсаторов, то широко используются два стандарта.Один из них — это Японские промышленные стандарты (JIS), а другой — стандарт Electronic Industries Alliance (EIA). Производители керамических конденсаторов, включая нашу компанию, предоставляют символ температурных характеристик как JIS, так и / или EIA для каждого продукта. Из этой информации вы можете узнать операционную температурный диапазон и коэффициент емкости в пределах диапазон рабочих температур или коэффициент изменения емкости, относящийся к каждому продукту.В следующей таблице показан типичный список символов температурных характеристик JIS и EIA. и список также показывает соответствующий диапазон рабочих температур, температурный коэффициент и коэффициент изменения емкости.

CLASS1 (Тип с температурной компенсацией)
Символ		Диапазон рабочих температур [℃]	Температурный коэффициент [ppm / ℃]
JIS	EIA	Диапазон рабочих температур [℃]	Температурный коэффициент [ppm / ℃]
КГ	C0G	-55 до +125	0 ± 30
CH	C0H		0 ± 60
CJ	C0J		0 ± 120
СК	C0K		0 ± 250
UJ	U2J		-750 ± 120
Великобритания	U2K		-750 ± 250
SL	–		-1000 до +350

CLASS2 (Тип с высокой диэлектрической проницаемостью)
Символ		Диапазон рабочих температур [℃]	Коэффициент изменения емкости [%]
JIS	EIA	Диапазон рабочих температур [℃]	Коэффициент изменения емкости [%]
B	–	-25 до +85	± 10
–	X5R	-55 до +85	± 15
–	X6S	-55 до +105	± 22
–	X7R	-55 до +125	± 15
–	X7S	-55 до +125	± 22
–	X7T	-55 до +125	-22 / + 33
F	–	-25 до +85	+ 30 / -80
–	Y5V	-30 до +85	+ 22 / -82

* Эталонная температура составляет 20 ℃ в JIS и 25 ℃ в EIA.

Температурный коэффициент и коэффициент изменения емкости можно рассчитать по формуле емкость C _T при рабочей температуре T и емкость C _T0 при эталонной температуре T0 используя следующие формулы. Эти значения должны находиться в пределах диапазона, указанного в приведенной выше таблице.

Пожалуйста, обратитесь к TY-COMPAS по каждому продукту. где вы можете искать спецификации и характеристики нашей продукции.

Зависимость емкости от температуры для полимерных танталовых конденсаторов …

Контекст 1

… зависимость емкости от температуры для полимерных танталовых конденсаторов с анодами 12000 мкКл / г или анодами 50000 мкКл / г, a Ta 2 O 5 диэлектрик, сформированный при 44 В, и катод из суспензии PEDOT показаны на рис. 2. Согласно рис. 2, полимерные танталовые конденсаторы с анодами, спеченными с более крупным порошком (b), имеют меньшую разницу в емкости при комнатной температуре между увлажненными и сухие конденсаторы по сравнению с полимерными конденсаторами, спеченными с более мелким порошком тантала, (а).Эта разница может указывать на лучшую пропитку …

Контекст 2

… зависимость емкости от температуры для полимерных танталовых конденсаторов с анодами 12 000 мкКл / г или анодами 50 000 мкКл / г, a Ta 2 O 5 диэлектрик, сформированный при 44 В, и катод из суспензии PEDOT показаны на рис. 2. Согласно рис. 2, полимерные танталовые конденсаторы с анодами, спеченными с более крупным порошком (b), имеют меньшую разницу в емкости при комнатной температуре между увлажненными и сухие конденсаторы по сравнению с полимерными конденсаторами, спеченными с более мелким порошком тантала, (а).Эта разница может указывать на лучшую пропитку суспензии PEDOT в …

Контекст 3

… на Рис. 2 и Рис. 3 указывает на корреляцию между разницей емкостей между увлажненными и сухими образцами при комнатной температуре. и изменение емкости в зависимости от температуры относительно емкости, измеренной при комнатной температуре. В полимерно-танталовых конденсаторах с анодами, спеченными более крупным порошком тантала, имеется меньший …

Context 4

… этанола составляет -114 • C, что намного ниже стандартных рабочих температур, использованных в этих экспериментах. Эти результаты показывают, что замерзание воды внутри пористых анодов полимерных танталовых конденсаторов не является доминирующим механизмом потери емкости, наблюдаемой в этих устройствах при низких температурах. Из данных, представленных на фиг. 2, и диэлектрика до суспензии PEDOT путем погружения сформированных танталовых анодов в раствор аминосилана на основе метанола. 14 Температурная зависимость емкости полимерных танталовых конденсаторов с силаном и без него показана на рис.5 для 12000 мкКл / г тантала …

5 Влияние низких температур на алюминиевые электролитические конденсаторы — Блог пассивных компонентов

Источник

: блог Capacitor Faks

Capacitor Faks опубликовал введение в алюминиевые электролитические конденсаторы и объяснил их поведение при низких температурах. Конструкция алюминиевых электролитических конденсаторов
Срок службы всех остальных конденсаторов, алюминиевый электролитический конденсатор состоит из двух слоев проводящего материала, разделенных слоем диэлектрического материала.Алюминиевая фольга очень высокой чистоты используется в качестве анода, а проводящая жидкость (электролит) используется в качестве катода. Две алюминиевые фольги алюминиевого электролитического конденсатора обеспечивают большую площадь контакта, необходимую для прохождения тока к проводящему рабочему электролиту. Для достижения высоких значений емкости эффективную площадь контакта анода обычно увеличивают электрохимическим травлением. Тип и степень травления определяется желаемой эффективной площадью контакта.

В алюминиевом электролитическом конденсаторе в качестве диэлектрика используется слой оксида алюминия (Al2O3), что позволяет изготавливать компоненты с высокой емкостью с очень тонкими слоями диэлектрического материала, часто толщиной менее 1 мкм.Этот тонкий диэлектрический слой в сочетании с большой площадью контакта протравленного анода означает, что алюминиевые электролитические конденсаторы имеют более высокую емкость на единицу площади, чем другие семейства диэлектриков.

Низкотемпературные характеристики алюминиевых электролитических конденсаторов
Различные параметры алюминиевых электролитических конденсаторов, включая рабочие температуры и электрические характеристики, в значительной степени зависят от характеристик электролита. Свойства жидкого электролита, на которые существенно влияют колебания температуры, включают электропроводность и вязкость.Электропроводность электролита увеличивается с повышением температуры и уменьшается с понижением температуры. Температурные колебания больше влияют на характеристики алюминиевых электролитических конденсаторов, чем на другие типы конденсаторов. Некоторые из функциональных параметров алюминиевых электролитических конденсаторов, на которые значительно влияют изменения температуры, включают емкость, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), касательную дельту, ток утечки и импеданс.

Емкость
Температурные изменения существенно влияют на емкость алюминиевого электролитического конденсатора.По мере снижения температуры электролита его вязкость увеличивается, что приводит к снижению электропроводности. Следовательно, емкость алюминиевых электролитических конденсаторов уменьшается с понижением температуры. На низких частотах зависимость между температурой и емкостью алюминиевых электролитических конденсаторов почти линейна. При работе при -400 ° C низковольтные алюминиевые электролитические конденсаторы с низкотемпературным номиналом -550 ° C демонстрируют потерю емкости от -10% до -20%.Потери емкости высоковольтных конденсаторов могут достигать 40%. При работе на пределе низких температур емкость алюминиевых электролитических конденсаторов с низкотемпературным номиналом -550 ° C снижается менее чем на 20%.

Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR)
Активный компонент эквивалентной последовательной цепи конденсатора называется эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR). На ESR алюминиевых электролитических конденсаторов значительно влияют изменения температуры и частоты.В мокрых алюминиевых электролитических конденсаторах при понижении температуры наблюдаются резкие изменения емкости. Изменения емкости в основном связаны с влиянием изменения температуры на электролит, а не на диэлектрик. Удельное сопротивление электролита увеличивается с понижением температуры. Например, когда температура падает с 250 ° C до -550 ° C, удельное сопротивление электролита может увеличиваться примерно в 100 раз, что приводит к значительному увеличению ESR. В влажных алюминиевых конденсаторах при понижении температуры наблюдаются резкие изменения ESR.Для алюминиевого электролитического конденсатора, работающего на низкотемпературном пределе, ESR более чем в 10 раз. Если конденсатор с низкотемпературным номиналом -200C работает при -400C, его эквивалентное последовательное сопротивление может увеличиться более чем в два раза.

Ток утечки
Ток утечки электролитического конденсатора в первую очередь зависит от характеристик материала диэлектрика. Дефекты кристаллов, трещины, напряжения и повреждения, связанные с установкой, являются одними из основных причин тока утечки.Хотя значение тока утечки можно уменьшить за счет минимизации этих дефектов, полностью исключить его невозможно. Ключевые факторы, влияющие на ток утечки, включают температуру, время, приложенное напряжение и конструкцию конденсатора. Ток утечки увеличивается с повышением температуры и уменьшается с понижением температуры. Для алюминиевых электролитических конденсаторов этот функциональный параметр обычно стабилен при низких температурах. Кроме того, начальный ток утечки алюминиевого электролитического конденсатора зависит от продолжительности и условий хранения.

Импеданс
Импеданс алюминиевого электролитического конденсатора зависит от частоты и температуры. Он включает в себя емкостное сопротивление конденсатора, омические и диэлектрические потери фольги, электролита и выводов, а также индуктивное сопротивление обмоток конденсатора. Емкостное реактивное сопротивление и эквивалентное последовательное сопротивление зависят как от частоты, так и от температуры, в то время как индуктивное реактивное сопротивление зависит только от частоты. Импеданс алюминиевого электролитического конденсатора увеличивается с понижением температуры.Когда алюминиевый электролитический конденсатор работает на пределе низких температур, его полное сопротивление увеличивается до 10 раз.

Коэффициент рассеяния (тангенс угла потерь или Tan δ)
Коэффициент рассеяния или тангенс угла потерь конденсатора относится к отношению эквивалентного последовательного сопротивления к емкостному реактивному сопротивлению. Коэффициент рассеяния алюминиевого электролитического конденсатора зависит как от температуры, так и от частоты. Этот параметр увеличивается с понижением температуры.При работе на низкотемпературном пределе коэффициент рассеяния алюминиевого электролитического конденсатора с низкотемпературным номиналом -550 ° C увеличивается более чем в 10 раз. Когда тот же конденсатор работает при -400С, параметр увеличивается до 5 раз.

Часть 9 — Параметры испытаний и электрические свойства

Добро пожаловать в серию «Основы работы с конденсаторами», где мы расскажем вам обо всех особенностях микросхем конденсаторов — их свойствах, классификации продукции, стандартах испытаний и сценариях использования — чтобы помочь вам сделать обоснованные решения о правильных конденсаторах для ваших конкретных приложений.После описания классификации диэлектриков в нашей предыдущей статье, давайте обсудим условия испытаний конденсаторов и электрические свойства.

Электрические характеристики конденсаторов с керамической микросхемой сильно зависят от условий испытаний, в первую очередь от температуры, напряжения и частоты. Эта зависимость от параметров испытаний более очевидна для сегнетоэлектрических диэлектриков класса II и пренебрежимо мала или более легко предсказуема для составов класса I. Поэтому были установлены определенные отраслевые стандарты измерений, которые устанавливают соответствующие пределы производительности для любых заданных электрических свойств и диэлектрических характеристик.

Температурная зависимость

Температурный коэффициент (зависимость емкости и температуры)

Как правило, материалы с более высокой диэлектрической проницаемостью K при 25 ° C демонстрируют большее изменение при изменении температуры. Температурный коэффициент емкости (T _CC или TC) измеряет отклонение емкости от температуры и выражается в единицах ppm / ° C (частей на миллион на градус Цельсия) для конденсаторов класса I и% ΔC (изменение емкости в процентах. ) от измерения комнатной температуры для конденсаторов класса II.

Диэлектрические потери и температура

Диэлектрики класса I показывают лишь незначительное изменение коэффициента рассеяния (DF) при температуре в стандартном температурном диапазоне от -55 ° C до 125 ° C, тогда как диэлектрики класса II демонстрируют общее уменьшение DF с температурой (особенно в точке или около точки Кюри). материала). При комнатной температуре 25 ° C отраслевые стандарты требуют, чтобы DF для стандартных диэлектриков класса I (например, C0G-NP0) не превышал 0,1%, тогда как DF для диэлектриков класса II Mid-K (например, X7R) не должен превышать 2 .5%, а DF диэлектриков High-K класса II (таких как Z5U и Y5V) не должен превышать 3,0%.

Рисунок 1. Кривые коэффициента диэлектрических потерь при температуре

Сопротивление изоляции и температура

Емкость конденсатора обратно пропорциональна его сопротивлению изоляции (IR), которое является мерой способности материала выдерживать утечку тока. Поскольку тепловая энергия увеличивает диффузию носителей заряда, утечка тока увеличивается с температурой.Обычно ИК-излучение большинства диэлектриков при 125 ° C уменьшается на один-два порядка величины по сравнению с измерением при 25 ° C. Отраслевые стандарты требуют, чтобы показания ИК-излучения при 125 ° C превышали 100 Ом-Фарад (ΩF).

Диэлектрическая прочность и температура

Диэлектрическая прочность изоляторов обратно пропорциональна температуре, так как тепло снижает собственное удельное сопротивление материала. Как правило, правильно спроектированный конденсатор прочной конструкции должен выдерживать нормальное диэлектрическое напряжение 25 ° C, выдерживающее импульсное напряжение, даже при температуре 125 ° C.

Зависимость от напряжения постоянного тока

Коэффициент постоянного тока (зависимость емкости и постоянного напряжения)

При подаче постоянного напряжения все сегнетоэлектрические составы класса II в конечном итоге испытывают снижение диэлектрической проницаемости, и это воздействие более серьезное для диэлектриков с более высокой диэлектрической проницаемостью. Такое поведение объясняется ограничением постоянного напряжения на реакцию поляризационных механизмов, которые приводят к увеличению диэлектрической проницаемости материала.

Как видно на рисунке 2, ожидаемая емкость изменяется с увеличением напряжения смещения постоянного тока вольт / мил. Толщина отдельных диэлектрических слоев определяет нагрузку устройства вольт / мил во время работы. Следовательно, конденсаторы с одинаковым значением емкости и номинального напряжения могут вести себя по-разному в зависимости от внутренней конструкции конденсаторов.

Рисунок 2. Коэффициенты напряжения для смещения постоянного тока

Этот эффект имеет большое значение в конструкции конденсаторов, предназначенных для удовлетворения характеристик, которые требуют, чтобы комбинированные коэффициенты температуры и напряжения (TVC) не превышали определенного ΔC в рабочем диапазоне температур при рабочем напряжении.Предполагая, что диэлектрик доступен с T.C. характеристики находятся в пределах максимального ΔC ± 15%, производителю обычно нужно обращать внимание только на отрицательный вклад коэффициента напряжения.

Например, давайте рассмотрим конденсатор X7R емкостью 0,1 мкФ, рассчитанный на 50 В постоянного тока. Этот многослойный керамический конденсатор (MLCC) состоит из 30 слоев толщиной 1,5 мм, что означает, что диэлектрические слои испытывают только 33 В / мм при работе при 50 В постоянного тока. Следовательно, согласно рисунку 2, коэффициент напряжения (VC) составляет всего -15%.Если T.C. диэлектрика составляет ± 7% ΔC, а VC составляет -15% ΔC, тогда максимальное TVC составляет + 7% -22% ΔC.

Преобразование напряжения и старение

Диэлектрики

класса II испытывают эффект ускоренного старения при воздействии постоянного напряжения даже при комнатной температуре, и этот эффект еще сильнее проявляется при более высоких напряжениях и с диэлектриками с повышенной диэлектрической проницаемостью. При производстве диэлектриков Mid-K или высоковольтных устройств с жесткими допусками (± 5%) продукт обычно повторно нагревается после испытания на выдерживаемое ИК-излучение или напряжение диэлектрика, чтобы сохранить допуск по емкости и установить новый цикл старения.Блоки X7R могут снизить емкость до 3% после испытания выдерживаемым постоянным напряжением 300 вольт / мил.

Коэффициент рассеяния и напряжение постоянного тока

Диэлектрики

класса II уменьшают диэлектрические потери с увеличением напряжения. Фактически, DF может быть уменьшен на 75% при смещении 100 вольт / мил для диэлектриков X7R.

Зависимость от напряжения переменного тока

Коэффициент переменного напряжения (зависимость емкости и переменного напряжения)

У конденсаторов класса II диэлектрическая проницаемость всегда увеличивается с изменением испытательного напряжения переменного тока (более высокие диэлектрики K реагируют быстрее) до тех пор, пока не будет достигнуто некоторое пороговое значение напряжения, при котором эффект обратится.Диэлектрики класса I, работающие в параэлектрическом состоянии, демонстрируют незначительную или ограниченную реакцию на смещение переменного тока.

Отраслевые стандарты определяют испытательное напряжение 1,0 ± 0,2 В _{среднеквадратичное значение} для всех диэлектриков, за исключением некоторых менее стабильных корпусов класса II High-K, которые обычно указываются производителями при 0,1 или 0,5 В _{среднеквадратичное значение}. Таким образом, применение этих материалов при других напряжениях создает проблемы корреляции даже при низком напряжении (ниже 5 В, _{среднеквадратичных значений,} / мил), как показано на рисунке 3.Как и в случае с коэффициентом постоянного напряжения, ситуация еще больше усложняется из-за дополнительной переменной конструкции конденсатора (т. Е. Толщины диэлектрика отдельных слоев).

Рисунок 3. Коэффициенты переменного напряжения

Коэффициент рассеяния и напряжение переменного тока

Увеличение диэлектрической проницаемости при испытательном напряжении переменного тока сопровождается заметным увеличением коэффициента рассеяния, как показано на рисунке 4. Поскольку MLCC построены с тонкими диэлектрическими слоями, они не идеальны для использования схем с большим переменным напряжением и большим током. , поскольку диэлектрические потери становятся весьма значительными при напряжении от 5 до 20 В, действующее значение _, / мил.

Рис. 4. Влияние смещения переменного тока на диэлектрические потери

Частотная зависимость

Ранее мы обсуждали тесную взаимосвязь частоты, диэлектрической поляризации и диэлектрических потерь. По сути, увеличение частоты приложенного поля приводит к уменьшению измеренного значения емкости. Некоторые поляризационные процессы имеют более медленное время реакции, которое не может угнаться за высокочастотным изменением полярности поля, что приводит к снижению диэлектрической проницаемости и увеличению диэлектрических потерь.

Эти эффекты являются общими для всех диэлектрических групп, но более преобладают в сегнетоэлектрических составах, которые демонстрируют большую ионную поляризацию. Типичные кривые зависимости емкости и коэффициента рассеяния от частоты показаны на рисунках 5 и 6.

Рисунок 5. Зависимость емкости от частоты

Рисунок 6. Коэффициент рассеяния в зависимости от частоты

Старение и зависимость от времени

Как обсуждалось в части 5 нашей серии статей, сегнетоэлектрические диэлектрики проявляют старение, когда происходит потеря емкости, когда ионы в кристаллической решетке смещаются и стабилизируются в положениях с более низкой потенциальной энергией.Ограничения на процентную потерю емкости за десятилетний час скорости старения обычно устанавливаются пользователями микросхем конденсаторов.

Ожидается, что

X7R будет стареть менее 2,5% за декаду час, и большинство диэлектриков с этой характеристикой обычно имеют скорость старения от 0,8% до 2,0% за декаду час. Спецификация старения High-K по необходимости более либеральна; Скорость старения 5% за декаду в час считается нормальной. Многие диэлектрики класса II могут также демонстрировать старение коэффициента рассеяния, что более характерно для составов с высоким содержанием K.

Надеюсь, часть 9 дала вам лучшее понимание параметров диэлектрических испытаний и того, как их результаты могут повлиять на ваше конкретное приложение. В части 10 мы подробно рассмотрим отраслевые стандарты тестирования. Также ознакомьтесь с нашими конденсаторами Knowles Precision Devices, чтобы ознакомиться с полным ассортиментом нашей продукции.

Чтобы узнать больше о конденсаторах, загрузите нашу электронную книгу «Руководство по выбору правильного конденсатора для вашего конкретного применения».

Устойчивость полимерных танталовых конденсаторов к окружающей среде

Полимерные танталовые конденсаторы относятся к числу электронных компонентов, производительность и надежность которых за последнее время претерпели самые значительные изменения.¹ Когда эти конденсаторы появились на рынке в конце 1990-х годов, они имели низкое рабочее напряжение, высокую утечку постоянного тока (DCL) и низкую надежность, что ограничивало их применение коммерческой электроникой, допускающей риски. Сегодня полимерные танталовые конденсаторы, изготовленные с использованием передовых технологий, демонстрируют самое высокое рабочее напряжение и самый низкий DCL среди всех твердотельных танталовых конденсаторов, фактически приближаясь к характеристикам влажных танталовых конденсаторов. Они также демонстрируют высокую надежность в умеренном температурном диапазоне, что делает их привлекательными для критически важных приложений.Кроме того, полимерные танталовые конденсаторы сохраняют свои основные преимущества по сравнению с другими типами танталовых конденсаторов, имея самое низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и самую высокую способность к пульсирующему току, что связано с высокой проводимостью полимерного катода по сравнению с жидким. электролитный катод в конденсаторах из влажного тантала и катод из диоксида марганца в танталовых конденсаторах с твердым электролитом.

Несмотря на все улучшения производительности и надежности, основная структура полимерных танталовых конденсаторов остается неизменной с момента их изобретения корпорацией NEC.² Он состоит из пористого анода из тантала, спеченного в вакууме с порошком тантала, пленки анодного оксида тантала, используемой в качестве диэлектрика, и проводящего полимерного катода, обычно сделанного из поли (3,4-этилендиокситиофена) (PEDOT). Тем не менее, значительные изменения в технологии и методиках испытаний были внесены с целью повышения производительности и надежности, включая «безупречную» диэлектрическую технологию (F-Tech), ^1,3 предварительно полимеризованный (суспензионный) ПЕДОТ, ^4,5 и имитация пробоя скрининга (SBDS).^6,7

Несмотря на значительный прогресс, полимерные танталовые конденсаторы все еще имеют проблемы с производительностью, которые минимальны или отсутствуют в других типах танталовых конденсаторов. Эти проблемы включают аномальный ток заряда (ACC), ⁸ низкое восстановление емкости по сравнению с емкостью в жидком электролите, ^9,10 нестабильность емкости при напряжении смещения, ¹¹ потеря емкости и увеличение DCL при длительных испытаниях, ¹², чтобы назвать несколько.Операционная среда играет решающую роль во всех этих проблемах; однако его эффект может варьироваться от очень положительного (стабильные параметры) до очень отрицательного (нестабильные параметры). Комбинация влаги и повышенных температур практически исключает возможность использования ACC. ⁸ Наличие влаги устраняет нестабильность емкости при напряжении смещения ¹¹ и стабилизирует DCL в частях с более высоким напряжением. ^3,13,14 Однако присутствие влаги также вызывает потерю емкости и увеличение DCL во время длительных испытаний при повышенных температурах.¹²

Очевидно, что дальнейший прогресс в производительности и надежности полимерных танталовых конденсаторов требует понимания природы воздействия окружающей среды на характеристики этих конденсаторов переменного и постоянного тока и того, как эти эффекты связаны с конденсаторной технологией и условиями испытаний. В этой статье мы исследуем влияние условий окружающей среды на стабильность емкости в зависимости от температуры, частоты и напряжения смещения как в сухих, так и во влажных танталовых конденсаторах с полимерными герметичными уплотнениями (PHS) с широким диапазоном рабочих напряжений и соответствующей толщиной диэлектрика.Герметичная конструкция позволила поддерживать стабильный уровень влажности в деталях PHS во время электрических испытаний.

Результаты, представленные в этой статье, демонстрируют, что присутствие влаги в этих устройствах оказывает сильное влияние на стабильность емкости при изменении температуры и частоты; Более того, это влияние наиболее заметно в конденсаторах с самым низким рабочим напряжением (самые тонкие диэлектрики) и уменьшается с увеличением рабочего напряжения (более толстые диэлектрики). Предложена модель влияния окружающей среды на стабильность емкости в зависимости от температуры и частоты в полимерных танталовых конденсаторах, основанная на электрических характеристиках изготовленных конденсаторов и изображениях несформированных танталовых анодов и танталовых анодов с различной анодно-оксидной пленкой с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) высокого разрешения. толщины.

Изготовление конденсатора

В данной работе были исследованы танталовые конденсаторы PHS с четырьмя рабочими напряжениями (WV): 15 В, 50 В, 75 В и 100 В. Изготовление танталовых анодов для рабочих напряжений 15 В, 50 В и 75 В было выполнено с использованием 12000 танталового порошка мкм C g ^-1 со средним размером частиц 4,2 мкм мкм, спрессованным с массой 5,7 г. / cc плотностью 1,32 г цилиндрических таблеток с полученными размерами 5,2 мм в диаметре и 10,7 мм в высоту и спекали при 1650 ° C.Изготовление танталовых анодов для рабочего напряжения 100 В было выполнено с использованием порошка тантала 3,500 мкм C g ^-1 со средним размером частиц 9,3 мкм мкм, прессованного с плотностью 8,5 г / куб. Плотность в цилиндрические гранулы 1,96 г с полученными размерами 5,2 мм в диаметре и 10,7 мм в высоту, спеченных при 1850 ° C. Танталовые порошки для конденсаторов как низкого, так и высокого рабочего напряжения были получены от H.C. Старка, и количество основного загрязнения в порошках было меньше или равно 10 ppm, за исключением количества кислорода, которое превышало 1000 ppm, в основном из-за кислорода в природном оксиде тантала.Затем спеченные танталовые аноды анодировали в 0,1 мас.% Фосфорной кислоте. Во время анодирования плотность постоянного тока составляла приблизительно 1 мА · см ⁻², а напряжения пласта были в 2,75 раза выше рабочих напряжений. В этих условиях толщина пленок анодного оксида составляла 82,5 нм, 275 нм, 412,5 нм и 550 нм для частей 15 В, 50 В, 75 В и 100 В соответственно. Эти толщины оксидов были рассчитаны как [отношение напряжений пласта] x [рабочее напряжение] x [коэффициент пропорциональности], где отношение напряжений пласта равно 2.75, а коэффициент пропорциональности составляет 2 нм V ^-1 при 80 ° C. ^15,16 Предварительно полимеризованный ПЭДОТ с добавкой полистиролсульфоната (ПСС) наносили путем погружения спеченных и анодированных гранул тантала в водную дисперсию наноразмерных частиц ПЭДОТ с последующей сушкой на воздухе при комнатной температуре и затем при 150 ° C. ¹⁰ Молекулярные массы PEDOT и PSS составляли около 1000–2500 г моль ^–1 и 400000 г моль ^–1, соответственно.Размер частиц в дисперсии составлял от 10 мкм, мкм до 40 нм. После нанесения внешних углеродных и серебряных слоев конденсаторы собирали в гальванические латунные банки со стеклянным изолятором для положительного внешнего вывода. Перед запечатыванием герметичных банок конденсаторы подвергали воздействию относительной влажности 50% при комнатной температуре в течение 24 часов (влажные части) или сушили на воздухе при 125 ° C в течение 24 часов (сухие части). И для влажных, и для сухих случаев значения емкости стабилизировались до 24-часовой обработки и не менялись при более длительной обработке.

Электрические измерения и анализ SEM

Измерения емкости танталовых конденсаторов PHS были выполнены с использованием прецизионного измерителя LCR Agilent E4980A. Измерения проводились при различных частотах, температурах и напряжениях смещения постоянного тока на устройствах с четырьмя разными толщинами диэлектрика, как указано выше. По сути, были выполнены три типа измерений: зависимость емкости от температуры ° C (T) , зависимость емкости от частоты ° C (f) и зависимость емкости от смещения постоянного тока ° C (В) .

C (T) измерения были выполнены в диапазоне рабочих частот от –55 ° C до 125 ° C с использованием печи с воздушной баней для высокотемпературных измерений и колбы Дьюара, содержащей смесь сухого льда и этанола для низких температур. измерения. Температуру контролировали путем прикрепления термопары к конденсаторам, и использовали 15-минутное время ожидания при желаемой температуре перед выполнением измерения емкости, чтобы гарантировать стабилизацию температуры внутри конденсаторов.Измерения C (f) проводились в диапазоне частот от 20 Гц до 40 кГц. C (V) измерения были выполнены в широком диапазоне напряжений смещения постоянного тока, от 0 В до рабочего напряжения конденсатора. По крайней мере, пять конденсаторов с каждым рабочим напряжением (толщиной диэлектрика) использовались для тестирования C (T, f, V) , и были представлены средние показания.

Сканирующая электронная микроскопия (SEM) была проведена на спеченных танталовых анодах до и после анодирования при различных напряжениях (толщинах оксидов).Аноды охлаждали жидким азотом, ломали и устанавливали на штыре SEM. Изображения были получены на сканирующем электронном микроскопе Thermo Fisher Scientific, работающем при 2 кВ, с использованием детектора Эверхарта-Торнли, расположенного над линзой объектива.

На рис. 1 показана зависимость емкости от температуры C (T) во влажных и сухих частях PHS с разной толщиной диэлектрика, T _ox (рабочие напряжения), измеренная при 120 Гц и нулевом напряжении смещения. Из этих результатов видно, что при любой толщине диэлектрика емкость во влажных частях выше, чем емкость в сухих частях, и во всех случаях емкость увеличивается с температурой.Разница в емкости между влажными и сухими частями уменьшается как при низких, так и при высоких температурах по сравнению с комнатной температурой. По сравнению с емкостью при комнатной температуре потеря емкости (уменьшение по сравнению с результатом комнатной температуры) при низких температурах больше во влажных частях, чем в сухих частях, в то время как выигрыш емкости (увеличение по сравнению с результатом комнатной температуры) при высоких температурах выше в сухих частях, чем во влажных. части.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 1. Зависимость емкости от температуры влажных и сухих конденсаторов PHS, измеренная при 120 Гц и напряжении смещения 0 для различной толщины диэлектрика: (а) 82,5 нм, (б) 275 нм, (в) 412,5 нм и (в) 550 нм.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

На рис. 2 показано относительное изменение емкости в зависимости от температуры относительно емкости при комнатной температуре, C (RT), которая рассчитывается как 100 * [C (T) -C (RT)] / C (RT) для влажные и сухие детали из PHS с разной толщиной диэлектрической пленки.Согласно рис. 2, при низких температурах потери емкости во влажных частях больше для деталей с более тонкими диэлектриками, в то время как потери емкости в сухих частях низки и примерно одинаковы для всех толщин диэлектрика. И наоборот, при высоких температурах выигрыш в емкости во влажных частях невелик и примерно одинаков для всех толщин диэлектрика, в то время как выигрыш в емкости в сухих частях выше для частей с более тонкими диэлектриками.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 2. Относительное изменение емкости по отношению к емкости при комнатной температуре для влажных и сухих конденсаторов PHS.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Относительные потери емкости при T = –55 ° C по отношению к емкости при комнатной температуре показаны на рис. 3a, которые рассчитываются как 100 * [C (RT) –C (–55 ° C)] / C (RT ). Увеличение емкости при T = +125 ° C по сравнению с емкостью при комнатной температуре показано на рис. 3b, которое рассчитывается как 100 * [C (125 ° C) -C (RT)] / C (RT).Эти потери емкости и усиление отображаются как функция толщины диэлектрика как во влажных, так и в сухих конденсаторах PHS. Согласно рис. 3, потери емкости при –55 ° C в сухих частях и усиление емкости при 125 ° C во влажных частях практически одинаковы для разной толщины диэлектрика. Эти потери и усиления аналогичны температурному изменению диэлектрической проницаемости анодной пленки Ta ₂ O ₅. ¹⁷ Однако потери емкости при –55 ° C во влажных частях намного больше, чем в сухих частях, в то время как выигрыш емкости при 125 ° C в сухих частях намного больше, чем во влажных частях, и в обоих случаях наблюдаемый эффект более значительный в устройства с более тонкими диэлектриками.Очевидно, что толщина диэлектрика играет ключевую роль в этих экспериментальных результатах.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 3. Потеря емкости при –55 ° C (a) и усиление емкости при 125 ° C (b) по отношению к емкости при комнатной температуре во влажных и сухих конденсаторах PHS.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Результаты, представленные на рис.1–3 показывают, что существует корреляция между изменением емкости от сухого состояния C (сухой) до влажного состояния C (влажный) и изменением емкости с температурой во влажных и сухих частях. Относительное изменение емкости между влажными и сухими условиями в зависимости от температуры показано на рис. 4 и рассчитывается как 100 * [C (влажный) —C (сухой)] / C (влажный). Согласно рис. 4, разница в емкости между влажными и сухими условиями максимальна при комнатной температуре и уменьшается как при низких, так и при высоких температурах.Кроме того, эта разница больше для конденсаторов с самым тонким диэлектриком и уменьшается для более толстых диэлектриков.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 4. Изменение емкости между влажными и сухими конденсаторами PHS в зависимости от температуры.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Влияние влажности на емкость и ее зависимость от температуры в полимерно-танталовых конденсаторах может быть связано с целостностью границы раздела диэлектрик-полимер.¹⁰ Когда частицы суспензии PEDOT осаждаются на диэлектрическую поверхность, часть этой поверхности не имеет прямого контакта с полимером (свободная площадь) и, следовательно, не влияет на емкость в сухих условиях. Во влажных условиях поверхностная проводимость свободной площади диэлектрика увеличивается из-за тонкого слоя поглощенных молекул воды, что приводит к большей общей площади поверхности и, следовательно, к более высокой емкости.

При низких температурах поверхностная проводимость диэлектрика в свободной зоне влажных частей уменьшается из-за низкой подвижности ионных носителей заряда, что в конечном итоге приводит к емкости влажных частей, которая практически равна емкости в сухих частях. .Однако изменение емкости с температурой в сухих частях невелико и коррелирует с изменением диэлектрической проницаемости анодной пленки Ta ₂ O ₅. При высоких температурах полимер в сухих частях расширяется, что приводит к увеличению площади поверхности и, следовательно, емкости, которая приближается к емкости, наблюдаемой во влажных частях. Однако изменение емкости с температурой во влажных частях невелико и коррелирует с изменением диэлектрической проницаемости анодной пленки Ta ₂ O ₅.

Более сильное влияние условий окружающей среды на емкость в конденсаторах с более тонкими диэлектриками может быть связано с большей шероховатостью поверхности диэлектрика в этих конденсаторах. На рис. 5 представлены СЭМ-изображения с высоким разрешением поверхности несформированного спеченного танталового анода и формованных танталовых анодов с различной толщиной пленки анодного оксида. Из рис. 5а видно, что несформированные аноды, которые имеют собственный оксид толщиной 3,3 нм, ¹⁶ демонстрируют относительно шероховатую поверхность, связанную с кристаллической структурой частиц тантала в спеченном аноде.По мере того как толщина диэлектрика увеличивается с увеличением напряжения пласта, поверхность диэлектрика становится более гладкой, как показано на фиг. 5b и 5c. Этот эффект обусловлен перераспределением электрического поля в пленке анодного оксида при анодировании тантала. ¹⁵ Для того же типа танталовых анодов и полимерной технологии покрытие диэлектрической поверхности полимером улучшается по мере того, как его поверхность становится более гладкой, что, естественно, происходит для более толстых пленок.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 5. СЭМ-изображения несформированного спеченного танталового анода (а) и танталовых анодов с пленками анодного оксида 140 нм (б) и 292 нм (в).

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Зависимость емкости от частоты в полимерно-танталовых конденсаторах также сильно зависит от условий окружающей среды. Зависимость емкости от частоты во влажных и сухих частях PHS при комнатной температуре и нулевом напряжении смещения показана на рис. 6. Качественно аналогичные результаты были получены при других температурах в диапазоне температур, исследованном в данной работе.Согласно рис. 6, на более низких частотах емкость во влажных частях постепенно уменьшается с частотой, в то время как емкость в сухих частях остается относительно неизменной. Подобно потере емкости при низких температурах во влажных частях, потеря емкости с частотой во влажных частях может быть связана с низкой подвижностью ионных носителей заряда, которые не могут следовать за сигналом переменного тока на более высоких частотах. В конце концов, на «изломе», когда емкость как во влажных, так и в сухих частях начинает резко снижаться, емкость влажных частей становится равной емкости сухих частей.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 6. Зависимость емкости от частоты во влажных и сухих конденсаторах PHS, измеренная при комнатной температуре и напряжении смещения 0 для различной толщины диэлектрика: (a) 82,5 нм, (b) 275 нм, (c) 412,5 нм и ( г) 550 нм.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

«Частота излома» в танталовых конденсаторах с пористыми танталовыми анодами была объяснена моделью распределенной емкости, которая представляет конденсатор как сумму емкостей нескольких слоев, начиная с внешнего слоя анода, за которым следует слой диппера, и, наконец, сердцевина анода.¹⁸ На «частоте излома» период сигнала переменного тока T _p = 1 / f становится меньше постоянной времени τ = RC для сердечника анода, где R — сопротивление сердечника. часть анода, в которой преобладает сопротивление полимерного катода. При T _p <τ часть сердечника анода перестает вносить вклад в общую емкость, и поэтому емкость начинает резко уменьшаться. Когда частота продолжает увеличиваться выше «частоты излома», внешние слои анода, которые имеют более низкое сопротивление катода по сравнению с сопротивлением сердечника катода из-за меньшего расстояния до поверхности анода, также перестают вносить вклад в общая емкость, которая продолжает уменьшаться.

Подобно более низкому ESR, более высокая «частота перегиба» (более высокая стабильность емкости с частотой) в полимерных танталовых конденсаторах по сравнению с твердоэлектролитическими и влажными танталовыми конденсаторами может быть объяснена более высокой проводимостью (более низким сопротивлением) полимерного катода по сравнению с ним. к проводимости катодов из MnO ₂ и жидкого электролита. Разница в проводимости этих катодов становится больше при более низких температурах, когда наблюдается небольшое изменение проводимости PEDOT, почти вырожденного полупроводника p-типа, ¹⁹ некоторое снижение проводимости MnO ₂, полупроводник n-типа с узкой запрещенной зоной, ²⁰ и сильное снижение проводимости жидкого электролита, приближающееся к гелевому состоянию с минимальной ионной подвижностью при –55 ° C.²¹

Мы заметили, что помимо основного перехода «частоты колена», хорошо описанного в рамках модели распределенной емкости, есть другие мелкие вторичные переходы, наблюдаемые до «частоты колена» (рис. 6). Эти переходы обозначаются небольшими изменениями наклона зависимости емкости от частоты. Хотя эти переходы не оказывают существенного влияния на общее электрическое поведение конденсаторов, они могут пролить свет на общий режим работы полимерного конденсатора.В общем, эти переходы более заметны для влажных частей, где они происходят на более низких частотах. Мы связываем вторичные переходы с подвижностью проводящих полярных сегментов в полимерном катоде.

Хорошо известно, что полярные сегменты макромолекул реагируют на переменное электрическое поле. ^22,23 Способность к отклику связана со временем релаксации, τ _REL: время, необходимое для того, чтобы сегменты вернулись в состояние равновесия или достигли нового равновесия после возмущения, вызванного приложенным электрическим полем.Время релаксации связано с размером сегмента, где большие сегменты имеют более длинную τ _REL. Сегментарный отклик на поле является сильным на более низких частотах, где T _p> τ _REL и полярные сегменты макромолекул следуют за приложенным полем. На более высоких частотах отклика практически нет, где T _p <τ _REL и сегменты определенного размера иммобилизованы. Незначительный переход происходит, когда величина T _p становится сравнимой с τ _REL. Для влажных частей времена релаксации меньше из-за пластификации, связанной с водой, и, следовательно, вторичные переходы несколько более выражены и происходят на более низких частотах.

Относительное изменение емкости в зависимости от частоты представлено на рис. 7, которое рассчитывается как 100 * [C (f) -C (20)] / C (20), где C (20) — эталонная емкость при 20 Гц — наименьшая частота, используемая в данной работе. Из рис. 7 видно, что «частота перегиба» ниже в полимерно-танталовых конденсаторах с более тонкими диэлектриками и увеличивается с увеличением толщины диэлектрика.ESR также ниже для конденсаторов с более тонким диэлектриком и увеличивается с толщиной диэлектрика; однако практически нет разницы в ESR между влажными и сухими частями PHS, как показано на рис. 8.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 7. Относительное изменение емкости по отношению к емкости при 20 Гц для влажных и сухих конденсаторов PHS.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 8. ESR при 100 кГц для различной толщины диэлектрика во влажных и сухих конденсаторах PHS.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Результаты, представленные на рис. 7 и 8 показывают более низкую «изломанную частоту» и более низкое ESR в полимерно-танталовых конденсаторах с более тонкими диэлектриками. Кроме того, за исключением конденсаторов 82,5 нм, существует лишь небольшая разница в частоте перегиба между влажными и сухими частями PHS. Также существует очень небольшая разница в ESR между влажными и сухими деталями PHS для любой толщины диэлектрика.Эти конкретные наблюдения не могут быть полностью объяснены моделью распределенной емкости. Для того же танталового анода полимерные танталовые конденсаторы с более тонкими диэлектриками имеют более высокую емкость и, следовательно, более низкое реактивное сопротивление X _C = 1/2 π фКл, а также более низкую частоту собственного резонанса f = 1/2 π (LC) ^1/2, где L — паразитная индуктивность конденсатора. Более низкое реактивное сопротивление и более низкая частота собственного резонанса могут объяснить более низкую частоту перегиба в конденсаторах с более тонкими диэлектриками по сравнению с конденсаторами с более толстыми диэлектриками.На рис. 7 мы видим, что кривая частотной характеристики конденсаторов 82,5 нм, особенно для влажных образцов, выравнивается примерно на 10 кГц, а затем начинает расти. Это то, что мы ожидаем на частоте собственного резонанса или около нее. Кроме того, для всех более толстых диэлектрических образцов измерения показали, что кривые выравниваются и начинают расти по мере увеличения частоты; однако эти данные не были нанесены на рис. 7 для ясности. Простой расчет показывает, что паразитная индуктивность, необходимая для достижения собственного резонанса в этих конденсаторах, составляла несколько десятых микрогенри и варьировалась только примерно на 0.5 микрогенри на любой толщине. Следовательно, кажется разумным, что более низкое реактивное сопротивление и более низкая частота собственного резонанса в более тонких диэлектрических полимерных танталовых конденсаторах могут адекватно объяснить результаты на рис. 7 и 8.

Зависимость емкости от напряжения смещения во влажных и сухих частях PHS при комнатной температуре и 120 Гц показана на рис. 9. Качественно аналогичные результаты были получены при всех других температурах и частотах. Из рис.9 видно, что зависимость емкости от смещения как для влажных, так и для сухих танталовых конденсаторов PHS практически отсутствует.Нестабильность емкости при напряжении смещения в сухих полимерных танталовых конденсаторах, недавно представленных в ¹¹ может быть связано с увеличением DCL при более высоких напряжениях. При высокой утечке постоянного тока в конденсаторах измерения емкости будут неточными, поскольку измерители LCR фактически измеряют ток смещения и не могут отличить его от тока утечки. Благодаря «безупречной» технологии (F-Tech) и другим передовым технологиям и методам тестирования, использованным при изготовлении полимерных танталовых конденсаторов для этой работы, DCL был низким и стабильным как во влажных, так и в сухих частях при всех напряжениях, меньших и равных рабочее напряжение.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 9. Зависимость емкости от напряжения смещения постоянного тока во влажных и сухих конденсаторах PHS, измеренная при комнатной температуре и 120 Гц для различной толщины диэлектрика: (a) 82,5 нм, (b) 275 нм, (c) 412,5 нм и (г) 550 нм.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Эти модели, созданные на основе корреляции между результатами электрических измерений и электронной микроскопии высокого разрешения, позволили сформулировать технологические принципы повышения экологической устойчивости полимерных танталовых конденсаторов.Эти технологические принципы, которые очень важны для отрасли, а также возможные последствия изменений в технологии на общие характеристики и надежность полимерных танталовых конденсаторов обсуждаются в Заключении.

Аналогично нашей предыдущей работе, ¹⁰ результаты, представленные в этой статье, демонстрируют сильное влияние условий окружающей среды на стабильность емкости полимерных танталовых конденсаторов. В частности, изменение емкости при изменении температуры C (T) и частоты C (f) коррелирует с изменением емкости при увлажнении между сухими и влажными условиями.Покрытие диэлектрической поверхности частицами суспензии ПЭДОТ играет решающую роль в воздействии условий окружающей среды на эти конденсаторы. Во влажных условиях проводимость поверхности диэлектрика увеличивается в свободной зоне, где нет прямого контакта между диэлектриком и полимером. Это увеличение поверхностной проводимости диэлектрика, обеспечиваемое тонким слоем поглощенных молекул воды, приводит к более высокой общей площади поверхности и, таким образом, более высокой емкости во влажных частях по сравнению с емкостью в сухих частях.При более низких температурах и более высоких частотах проводимость увлажненной поверхности диэлектрика уменьшается из-за более низкой подвижности ионных носителей заряда, что увеличивает потери емкости с температурой и частотой по сравнению с сухими частями.

Влияние условий окружающей среды на стабильность емкости полимерных танталовых конденсаторов более выражено в конденсаторах с более тонкими диэлектриками по сравнению с конденсаторами с более толстыми диэлектриками. Наши результаты показывают, что этот эффект может быть связан с изменениями диэлектрической поверхности с увеличением толщины анодной пленки Ta ₂ O ₅, где шероховатость поверхности уменьшается для более толстых пленок, но увеличивается для более тонких пленок.Эти изменения морфологии поверхности диэлектрика влияют на степень покрытия диэлектрика частицами PEDOT и, таким образом, на емкость и ее стабильность в зависимости от температуры и частоты.

Согласно этой модели, улучшение целостности границы раздела диэлектрик-полимер (уменьшение свободной площади) должно уменьшить влияние условий окружающей среды и улучшить стабильность емкости полимерных танталовых конденсаторов. Для достижения этой цели существует несколько технологических приемов. ¹⁰ Один из методов заключается в использовании более крупного порошка тантала в анодах тантала и, таким образом, увеличении размера пор для облегчения пропитки частицами суспензии полимера.Недостатком этого подхода является снижение объемного КПД (CV / c.c.), Особенно в деталях с более низким напряжением, которые обычно изготавливаются из более тонкого порошка тантала. Другой метод улучшения целостности границы раздела диэлектрик-полимер заключается в использовании процесса полимеризации на месте вместо предварительно полимеризованной суспензии PEDOT. Молекулы PEDOT с полимеризацией in-situ обеспечивают гораздо лучшее покрытие диэлектрической поверхности по сравнению с частицами суспензии PEDOT. Частотная характеристика также улучшается за счет меньшего размера молекул в PEDOT in situ по сравнению с размером молекул в суспензии PEDOT.Однако полимеризация на месте оставляет остаточные побочные продукты химических реакций внутри полимерного катода, и эти побочные продукты влияют на характеристики постоянного тока, особенно BDV и DCL. ³ Нанесение аминосилана на поверхность диэлектрика перед суспензией PEDOT также улучшает диэлектрическое покрытие за счет частиц суспензии полимера без отрицательного воздействия на объемный КПД, BDV и DCL.

Результаты этой и более ранних работ показывают, что влияние условий окружающей среды на характеристики и надежность полимерных танталовых конденсаторов сильно зависит от рабочего напряжения (толщины диэлектрика) в этих конденсаторах.В нашей текущей работе влияние условий окружающей среды на стабильность емкости сильнее в деталях с более низким напряжением и более тонкими диэлектриками, что связано с большей шероховатостью поверхности более тонких диэлектриков в этих конденсаторах. В отличие от этой работы, наша более ранняя работа ³ показал, что влияние условий окружающей среды на BDV и DCL сильнее в деталях с более высоким напряжением и более толстыми диэлектриками. Эти детали демонстрируют более высокий BDV и более низкий и более стабильный DCL в присутствии влаги по сравнению с этими характеристиками в сухих деталях.Этот эффект был связан с влагой, действующей как пластификатор для длинных молекул суспензии ПЭДОТ с полупроводниковыми свойствами p-типа. При нормальной полярности (+ на танталовом аноде) молекулы PEDOT ориентируются на границе раздела диэлектрик-полимер, увеличивая потенциальный барьер на этой границе и, таким образом, увеличивая BDV и уменьшая утечку. Понимание этих механизмов приводит к созданию более совершенных технологий производства конденсаторов, что приводит к повышению производительности и надежности полимерно-танталовых конденсаторов и помогает разработчикам найти наилучшее применение этих конденсаторов.

Одновременное достижение высокой диэлектрической проницаемости и низкой температурной зависимости емкости в тонких пленках твердого раствора BaTiO3-Bi (Mg0.5Ti0.5) O3-BiFeO3 с ориентацией (111): AIP Advances: Vol 6, No 1

I. ВВЕДЕНИЕ

Раздел:

ВыбратьВверх страницыАБСТРАКТИ.ВВЕДЕНИЕ << II.ПРОЦЕДУРА ЭКСПЕРИМЕНТАIII.РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ ... IV.Заключение. потребность в диэлектрических материалах с более высокими характеристиками, особенно при высоких рабочих температурах.^1,2 1. J. Nishikawa, T. Hagiwara, K. Kobayashi, Y. Mizuno, H. Kishi, Jpn. J. Appl. Phys. 46 , 6999 (2007). https://doi.org/10.1143/JJAP.46.69992. П. Саймон, Ю. Гогоци, Nature Mater. 7 , 845 (2008). https://doi.org/10.1038/nmat2297 Несмотря на возросшее количество запросов на высокотемпературные диэлектрические материалы, материалы, которые демонстрируют стабильные свойства вплоть до более высоких температур, на сегодняшний день еще недостаточно разработаны. Кроме того, потребность в более высоких уровнях интеграции требует, чтобы эти материалы обладали выдающимися свойствами, даже в форме тонких пленок, для увеличения плотности емкости.Поэтому исследование керамических пленочных конденсаторов со стабильной температурной зависимостью важно, поскольку эти пленочные конденсаторы позволяют реализовать устройства с более высокой емкостью по сравнению с устройствами из спеченного тела. Материалы перовскита на основе CaZrO ₃ широко исследовались для этих приложений из-за их превосходная химическая стабильность и стабильные диэлектрические свойства даже при повышенных температурах. ^3,4 3. Ч. С. Чанг, В. Х. Ли, Х. Дж. Ян и Ю.К. Ли, Сегнетоэлектрики 435 , 110 (2012). https://doi.org/10.1080/00150193.2012.7403704. H. Lee, J. R. Kim, M. J. Lanagan, Trolier-Mckinstry, and C.A. Randall, J. Am. Ceram. Soc. 96 , 1209 (2013). https://doi.org/10.1111/jace.12184 Однако диэлектрическая проницаемость (ε _r) этих материалов составляет всего 55 при комнатной температуре. Исключительная диэлектрическая стабильность пленок CaZrO ₃ может быть связана с параэлектрическая фаза материала, которая не демонстрирует какого-либо резкого изменения ее ε _r в широком диапазоне температур от комнатной до 400 ° C.⁵ 5. И. Левин, Т. Г. Амос, С. М. Белл, Л. Фарбер, Т. А. Вандера, Р. С. Рот и Б. Х. Тоби, J. Solid. Состояние. Chem. 175 , 170 (2003). https://doi.org/10.1016/S0022-4596(03)00220-2 Напротив, материалы на основе BaTiO ₃ широко исследовались для применения в многослойных керамических конденсаторах (MLCC) и демонстрируют высокие значения ε _r. при комнатной температуре со значениями более 1000 и 500 для насыпной и пленочной форм соответственно. ^6–8 6. Д. Фу, М.Ито, С. Кошихара, Т. Косуги, С. Цунеюки, Phys. Rev. Lett. 100 , 227601 (2008). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.2276017. Смоленский Г.А., Розгачев К.И. // Журн. Тех. Физ. 24 , 1751 (1954) 8. К. Б. Паркер, J. –P. Мария, А.И. Кингон, Appl. Phys. Lett. 81 , 340 (2002). https://doi.org/10.1063/1.14 Эти выдающиеся диэлектрические свойства обусловлены близостью температуры Кюри ( T _c ) к комнатной температуре около 100 ° C.Однако диэлектрические свойства материалов на основе BaTiO ₃ резко ухудшаются при более высоких температурах выше 200 ° C, поскольку эти свойства подчиняются закону Кюри-Вейсса в параэлектрической фазе. ^8,9 8. К. Б. Паркер, Дж. –П. Мария, А.И. Кингон, Appl. Phys. Lett. 81 , 340 (2002). https://doi.org/10.1063/1.149. Т. М. Шоу, З. Суо, М. Хуанг, Э. Линигер, Р. Б. Лайбовиз и Дж. Д. Баницкий, Appl. Phys. Lett. 75, , 2129 (1999). https://doi.org/10.1063 / 1.124939 В предыдущей работе мы предложили тонкие пленки перовскитовых диэлектриков со слоем висмута, таких как CaBi ₄ Ti ₄ O ₁₅ с ориентацией оси c , в качестве возможных материалов для применения в высокотемпературных конденсаторах. . К сожалению, компромисс между низкой температурной зависимостью емкости и низким значением ε _r, равным примерно 200, остался. ¹⁰ 10. Дж. Кимура, И. Такува, М. Мацусима, С. Ясуи, Т. Ямада, Х. Фунакубо, Дж.Прил. Phys. 114 , 027002 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4811816 Поэтому важно разработать новые материалы-кандидаты с высоким значением ε _r и высокой стабильностью в широком диапазоне температур. Многие исследователи сосредоточили внимание на расширении эволюции ε _r. с температурой, особенно около T _c . В случае MLCC на основе BaTiO ₃ обычным явлением является легирование так называемыми «депрессорными элементами». ^11,12 11.Ю. Ю. Юнг, Э. С. На, У. Пайк, Дж. Ли и Дж. Ким, Mater. Res. Бык. 37 , 1633 (2002). https://doi.org/10.1016/S0025-5408(02)00813-912. Я. Х. Сонг и Я. Х. Хан, Jpn. J. Appl. Phys. 44 , 6143 (2005). https://doi.org/10.1143/JJAP.44.6143 Также сообщалось о низкой температурной зависимости ε _r для систем твердых растворов BaTiO ₃ и оксидов перовскита на основе Bi с псевдокубической структурой при комнатной температуре. Спеченные тела из BaTiO ₃ -BiMO ₃ [где M = Sc ³⁺, Al ³⁺, (Mg _0.5 Ti _0,5) ³⁺ и (Zn _0,5 Ti _0,5) ³⁺] с псевдокубической симметрией показывают особенно высокую стабильность ε _r при температурах до 400 ° C. ^13–19 13. Х. Огихара, К. А. Рэндалл, С. Тролье-Маккинстри, J. Am. Ceram. Soc. 92 , 110 (2013). https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2008.02798.x14. Х. Ю. и З. –Г. Ye, J. Appl. Phys. 103 , 034114 (2008). https://doi.org/10.1063/1.283847915. Д. Х.Choi, A. Baker, M. Lanagan, S. Trolier-Mckinstry, and C. Randall, J. Am. Ceram. Soc. 7 , 2197 (2013). https://doi.org/10.1111/jace.1231216. Q. Zhang, Z. Li, F. Li, and Z. Xu, J. Am. Ceram. Soc. 94 , 4335 (2011). https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2011.04695.x17. C. C. Huang, D. Cann, J. Appl. Phys. 104 , 024117 (2008). https://doi.org/10.1063/1.296046918. D. S. Tinberg и S. Trolier-Mckinstry, J. Appl. Phys. 101 , 024112 (2007). https: // doi.org / 10.1063 / 1.243062719. Х. Танака, М.-Т. Чентир, Т. Ямада, С. Ясуи, Ю. Эхара, К. Ямато, Ю. Кашиваги, К. Н. Тенг, Дж. Ван, С. Окамура, Х. Учида, Т. Иидзима, С. Вада и Х. Фунакубо, J. Appl. Phys. 111 , 084108 (2012). https://doi.org/10.1063/1.4704384 В предыдущем исследовании мы исследовали диэлектрические свойства тройного BaTiO ₃ -Bi (Mg _0,5 Ti _0,5) O ₃ -BiFeO ₃ пленок твердых растворов. получены методом химического осаждения из раствора (CSD) в качестве альтернативы материалам с высоким ε _r на основе BaTiO ₃.²⁰ 20. J. Kimura, M.-T Chentir, T. Shimizu, H. Uchida, and H. Funakubo, Jpn. J. Appl. Phys. 53 , 09ПА12 (2014). https://doi.org/10.7567/JJAP.53.09PA12 Эта система имеет широкую композиционную область с псевдокубической симметрией между тетрагональной и ромбоэдрической симметриями при комнатной температуре. В частности, для материалов (0,90– x ) BaTiO ₃ -0,10Bi (Mg _0,5 Ti _0,5) O ₃ — x BiFeO ₃ рентгеноструктурный анализ показывает, что Полученные пленки имеют симметрию кристалла, которая изменяется от псевдокубической до ромбоэдрической вблизи области состава, когда x находится между 0.30 и 0,50.

В данном исследовании температурная зависимость диэлектрических свойств (0,90– x ) BaTiO ₃ -0,10Bi (Mg _0,5 Ti _0,5) O ₃ — x BiFeO ₃ твердое тело пленочные растворы исследуются в широком диапазоне температур (от комнатной температуры до 400 ° C), чтобы выяснить их потенциал для применения в высокотемпературных конденсаторах.

II. ПРОЦЕДУРА ЭКСПЕРИМЕНТА

Раздел:

ВыбратьВверху страницы АБСТРАКТЫ.ВВЕДЕНИЕII.ПРОЦЕДУРА ЭКСПЕРИМЕНТА << III.РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ ... IV.ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПРАВОЧНЫЕ СТАТЬИ Толщина около 300 нм (0,90– x ) BaTiO ₃ -0,10Bi (Mg _0,5 Ti — x BiFeO ₃ пленка твердого раствора с x = 0–0,90 была нанесена методом CSD. ²⁰ 20. J. Kimura, M.-T Chentir, T. Shimizu, H. Uchida, and H. Funakubo, Jpn. J. Appl. Phys. 53 , 09ПА12 (2014).https://doi.org/10.7567/JJAP.53.09PA12 Процесс выбора состава подробно описан в другом месте. ²⁰ 20. J. Kimura, M.-T Chentir, T. Shimizu, H. Uchida, and H. Funakubo, Jpn. J. Appl. Phys. 53 , 09ПА12 (2014). https://doi.org/10.7567/JJAP.53.09PA12 Ba (OCOCH ₃) ₂, Ti (O- n -C ₄ H ₉) ₄, Bi (O- т -C ₅ H ₁₁) ₃, использовались Mg (OC ₂ H ₅) ₂ и Fe (C ₅ H ₇ O ₂) в качестве исходных материалов для источников Ba, Ti, Bi, Mg и Fe соответственно.Эти материалы растворяли в растворителе 2-метоксиэтанол с ацетилацетоном для приготовления растворов предшественников с химическим составом (0,90– x ) BaTiO ₃ -0,10Bi (Mg _0,5 Ti _0,5) O ₃ — x BiFeO ₃. Эти растворы с концентрацией 0,10 моль / дм ³ были нанесены методом центрифугирования на подложки при скорости вращения 3000 об / мин в течение 50 с с последующей сушкой при 150 ° C в течение 1 минуты и процессом пиролиза при 400 ° C. C в течение 1 мин с использованием горячей плиты.Кристаллизация проводилась в печи быстрого термического отжига (RTA) при 750 ° C в течение 5 минут после процессов сушки и пиролиза. (111) _c SrRuO ₃ / (111) Pt / TiO ₂ / SiO Для получения пленок с ориентацией (111) _c использовались подложки ₂ / (100) Si. Псевдокубический индекс был использован для SrRuO ₃ в форме ( hkl ) _c. Слои Pt и SrRuO ₃ были приготовлены методом радиочастотного магнетронного распыления.(111) -ориентация была выбрана потому, что она имеет более высокое значение ε _r, чем (100) -ориентация при использовании этой системы. ²¹ 21. Н. Канеко, Дж. Кимура, Х. Фунакубо и Х. Утида, не опубликовано. Состав полученных пленок был определен с помощью рентгенофлуоресцентной (XRF) спектрометрии (PW2404, PANalytical), при которой проводилась калибровка. выполняется на стандартных образцах. ²⁰ 20. J. Kimura, M.-T Chentir, T. Shimizu, H. Uchida, and H. Funakubo, Jpn. J. Appl. Phys. 53 , 09ПА12 (2014).https://doi.org/10.7567/JJAP.53.09PA12 Электрические свойства пленок были измерены при различных температурах с использованием анализатора импеданса (Agilent, HP4194A) после осаждения круглых верхних Pt-электродов диаметром 100 мкм методом электронно-лучевое испарение с последующим отжигом при 500 ° C.

III. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Раздел:

Выбрать верх страницы АБСТРАКТЫ.ВВЕДЕНИЕII.ПРОЦЕДУРА ЭКСПЕРИМЕНТАIII.РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ … << IV.ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПРАВОЧНЫЕ СТАТЬИ На рис. различные значения x .Частота 100 кГц выбрана потому, что как ε _r, так и tan δ на этой частоте показали типичное поведение, которое наблюдалось в диапазоне частот от 1 до 1000 кГц в предыдущей работе. ²⁰ 20. J. Kimura, M.-T Chentir, T. Shimizu, H. Uchida, and H. Funakubo, Jpn. J. Appl. Phys. 53 , 09ПА12 (2014). https://doi.org/10.7567/JJAP.53.09PA12 Для диапазона составов от x = 0 до 0,6, ε _r увеличивается с 410 до 650 при комнатной температуре.Для более высокого содержания в BiFeO ₃ (т.е. x > 0,6) ε _r при комнатной температуре монотонно уменьшается до 330 при 100 кГц для x = 0,9. Эта эволюция ε _r является максимумом в отношении состава пленки. Этот результат можно объяснить наличием псевдокубической и ромбоэдрической фазовой границы. ²⁰ 20. J. Kimura, M.-T Chentir, T. Shimizu, H. Uchida, and H. Funakubo, Jpn. J. Appl. Phys. 53 , 09ПА12 (2014).https://doi.org/10.7567/JJAP.53.09PA12 Максимальное значение ε _r также было зарегистрировано для фазовых границ между псевдокубическими и ромбоэдрическими перовскитами в системе BaTiO ₃ -BiFeO ₃. ^22,23 22. Ф. Прихор, А. Янкулеску, Л. Митосериу, П. Постолаке, Л. Куречери, Н. Драган и Д. Крисан, Ferroelectrics 391 , 76 (2009). https://doi.org/10.1080/00150190
172223. Y. Wei, X. Wang, J. Zhu, X. Wang, J. Jia, J. Am. Ceram. Soc. 96 , 3163 (2013) Температурную зависимость ε _r можно разделить на две области по составу. Для пленок с x = 0,50–0,90, ε _r монотонно увеличивается с температурой, тогда как ε _r имеет относительно небольшую температурную зависимость для пленок с x = 0–0,30. Высокие токи утечки препятствовали измерению ε _r при температурах выше 250 ° C для пленок с x = 0,50–0,90 (см. Также tan δ, как показано на рис.1 (б)). Граница состава, которая была обнаружена эволюцией ε _r с температурой, согласуется с границей состава, которая наблюдалась на основе эволюции кристаллической симметрии, как описано в нашей предыдущей статье. ²⁰ 20. J. Kimura, M.-T Chentir, T. Shimizu, H. Uchida, and H. Funakubo, Jpn. J. Appl. Phys. 53 , 09ПА12 (2014). https://doi.org/10.7567/JJAP.53.09PA12 Эти результаты показывают, что пленки с псевдокубической симметрией показывают небольшую температурную зависимость ε _r, в то время как пленки с ромбоэдрической симметрией кристалла будут демонстрировать монотонный рост ε _r. с температурой.Низкотемпературная зависимость диэлектрических свойств псевдокубической фазы хорошо согласуется с предыдущими сообщениями для спеченных тел, сформированных с использованием твердых растворов BaTiO ₃ -BiMO ₃. ^13–19 13. Х. Огихара, К. А. Рэндалл, С. Тролье-Маккинстри, J. Am. Ceram. Soc. 92 , 110 (2013). https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2008.02798.x14. Х. Ю. и З. –Г. Ye, J. Appl. Phys. 103 , 034114 (2008). https://doi.org/10.1063/1.283847915.D. H. Choi, A. Baker, M. Lanagan, S. Trolier-Mckinstry и C. Randall, J. Am. Ceram. Soc. 7 , 2197 (2013). https://doi.org/10.1111/jace.1231216. Q. Zhang, Z. Li, F. Li, and Z. Xu, J. Am. Ceram. Soc. 94 , 4335 (2011). https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2011.04695.x17. C. C. Huang, D. Cann, J. Appl. Phys. 104 , 024117 (2008). https://doi.org/10.1063/1.296046918. D. S. Tinberg и S. Trolier-Mckinstry, J. Appl. Phys. 101 , 024112 (2007). https: // doi.org / 10.1063 / 1.243062719. Х. Танака, М.-Т. Чентир, Т. Ямада, С. Ясуи, Ю. Эхара, К. Ямато, Ю. Кашиваги, К. Н. Тенг, Дж. Ван, С. Окамура, Х. Учида, Т. Иидзима, С. Вада и Х. Фунакубо, J. Appl. Phys. 111 , 084108 (2012). https://doi.org/10.1063/1.4704384 Считается, что это связано с расслабленным поведением этих твердых растворов и диффузной температурной зависимостью ε _r, которая снижает общую температурную зависимость ε _r. ²⁰ 20.J. Kimura, M.-T Chentir, T. Shimizu, H. Uchida и H. Funakubo, Jpn. J. Appl. Phys. 53 , 09ПА12 (2014). https://doi.org/10.7567/JJAP.53.09PA12 Напротив, Mitsui et al. сообщил, что максимальное значение ε _r наблюдалось при температуре более 400 ° C для x = 0,60. ²⁴ 24. Р. Мицуи, И. Фуджи, К. Накашима, Н. Кумада, Ю. Куроива и С. Вада, Ceram. Int. 39 , S695 (2013). https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2012.10.164 Таким образом, наблюдаемое поведение ε _r с температурой для BiFeO ₃ с содержанием более x = 0.60 можно считать хорошо согласующимся с тенденциями, наблюдаемыми для объемной керамики. Одним из возможных объяснений такого поведения может быть наличие фазового сдвига из сегнетоэлектрической фазы в параэлектрическую при температурах выше 400 ^o C, что приводит к монотонному увеличению ε _r при температурах ниже 400 ^{o C.} C. На рисунке 1 (b) показана температурная зависимость tan δ при измерении на частоте 100 кГц. Для x = от 0 до 0,77 tan δ имеет относительно низкие значения менее 0.2 при комнатной температуре, а tan δ резко возрастает при x = 0,90. Эти результаты показывают, что высокое содержание BiFeO ₃, то есть высокое значение x , может включать ионы железа с нестабильными валентностями (Fe ²⁺ / Fe ³⁺), и это приводит к плохим изоляционным свойствам. даже при комнатной температуре. Низкое значение tan δ менее x = 0,20 наблюдалось при 100 кГц до 400 ° C для x = 0–0,30. Напротив, диэлектрические потери увеличиваются за пределы x = 0.30 в диапазоне температур от 250 ° C до 400 ° C. Кроме того, пленки с x = 0,90 показывают высокие значения тангенса дельта даже ниже 100 ° C. Результаты показывают, что пленки с x = 0–0,30 обеспечивают лучшие изолирующие свойства на частоте 100 кГц для температур до 400 ° C в рамках данного исследования. На рисунке 2 (а) показана нормализованная емкость при комнатной температуре (). C — C _RT) / C _RT, как функция температуры.Небольшое изменение ( C — C _R.T.) / C _R.T. с температурой рассчитывается для псевдокубических фаз, то есть для пленок с x = от 0 до 0,3, ( C — C _R.T.) / C _R.T. = — 32,4 — 19,2% в диапазоне от комнатной температуры до 400 ° C. В то же время ромбоэдрическая фаза показывает большие изменения ( C — C _R.Т.) / C _R.T. с температурой, и даже достигает значений более 100% при 250 ° C. Расчетные изменения в ( C — C _R.T.) / C _R.T. с температурами в диапазоне от комнатной до 400 ° C составляют -78,5, -51,7 и 85% для заявленных (Ba _0,3 Sr _0,7) TiO ₃, SrTiO ₃ и 0,5BaTiO ₃ -0,5Bi (Mg _0.5 Ti _0,5) O ₃ структур соответственно. ^10,19 10. Дж. Кимура, И. Такува, М. Мацусима, С. Ясуи, Т. Ямада и Х. Фунакубо, J. Appl. Phys. 114 , 027002 (2013). https://doi.org/10.1063/1.481181619. Х. Танака, М.-Т. Чентир, Т. Ямада, С. Ясуи, Ю. Эхара, К. Ямато, Ю. Кашиваги, К. Н. Тенг, Дж. Ван, С. Окамура, Х. Учида, Т. Иидзима, С. Вада и Х. Фунакубо, J. Appl. Phys. 111 , 084108 (2012). https://doi.org/10.1063/1.4704384 Абсолютные значения для настоящих псевдокубических пленок, которые показаны на рисунке 2 (а), значительно меньше, чем для других оксидов перовскита.Далее мы исследуем абсолютное значение температурной зависимости емкости в диапазоне от комнатной температуры до определенной температуры T , т. Е. | TCC _T | , как определено Raengthon et al. : ²⁵ 25. Н. Н. Рэнгтон, Т. Себастьян, Д. Камминг, И. М. Рини и Д. П. Канн, J. Am. Ceram. Soc. 95 , 3554 (2012). https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2012.05340.x

TCCT = εmax − εminεmid × 1T − R.T ..

Мы отслеживали эволюцию | TCC _{250 ° C} | и | TCC _{400 ° C} | особенно; они были оценены при 250 ° C и 400 ° C соответственно как функция x дюйма (0,90– x ) BaTiO ₃ -0,10Bi (Mg _0,5 Ti _0,5) O ₃ — x BiFeO ₃ (см. Рис. 2 (б)). Низкий | TCC _{250 ^o C} | значения от 210 ppm / K до 840 ppm / K были рассчитаны для пленок с x = 0–0.30. Эта область состава соответствует псевдокубической фазе при комнатной температуре, как обсуждалось в наших предыдущих статьях. ²⁰ 20. J. Kimura, M.-T Chentir, T. Shimizu, H. Uchida, and H. Funakubo, Jpn. J. Appl. Phys. 53 , 09ПА12 (2014). https://doi.org/10.7567/JJAP.53.09PA12 | TCC _{250 ^o C} | увеличивается выше 3000 ppm / K для пленок с x > 0,50.

Аналогично мы оценили низкий | TCC _{400 ^o C} | значения (от 100 ppm / K до 950 ppm / K) для того же диапазона составов.Эти результаты также показывают, что эта система твердых растворов может реализовать низкий температурный коэффициент емкости для температур до 400 ° C в области псевдокубической фазы.

Дальнейший анализ температурной зависимости ε _r выполняется путем построения графика эволюции T [ε _r (макс.)] Как функции x (см. Рис. 3). T [ε _r (макс.)] Определяется как температура, при которой ε _r достигает своего максимума на рис.1 (а). Из рис. 3 мы замечаем, что T [ε _r (макс.)] Увеличивается с 27 ° C до 200 ° C, когда x изменяется от 0 до 0,3, соответственно. Однако за пределами x = 0,5 ε _r не показывает никакого максимального значения до 250 ° C, что означает, что T [ε _r (макс.)] Должно быть выше 250 ° C. Примечательно, что монотонное увеличение T [ε _r (макс.)] В диапазоне от x = 0 до 0,30 почти не зависит от стабильности, которая показывает аналогичные | TCC _T | значения (T = 250 ° C и 400 ° C) в том же интервале составов (рис.2 (б)). Это контрастное поведение между T [ε _r (макс.)] И | TCC _T | является уникальным и отличается от диэлектрических характеристик обычных оксидов перовскита. ²⁶ 26. G. Shirane, K. Suzuki, J. Phys. Soc. Jpn. 6 , 274 (1951). https://doi.org/10.1143/JPSJ.6.274 Таким образом, исходя из данных, представленных на рис. 2 (б) и 3, (0,90– x ) BaTiO ₃ -0,10Bi (Mg _0,5 Ti _0,5) O ₃ — x BiFeO _{3 пленки} с псевдокубической фазой обладают уникальными характеристиками , где ε _r увеличивается на x при комнатной температуре, но также показывает небольшую температурную зависимость в широком диапазоне температур.

Эти результаты подтверждают, что (111) -ориентированные (0,90– x ) BaTiO ₃ -0,10Bi (Mg _0,5 Ti _0,5) O ₃ — x BiFeO ₃ тонкие пленки с x = 0–0,30 показывают высокое значение ε _r выше 400 и низкое | TCC _{400 ^o C} | ниже 1000 ppm / K , и особенно для x = 0,2. 0,70BaTiO ₃ -0,10Bi (Mg _0,5 Ti _0,5) O ₃ -0.20BiFeO ₃ показывает самые высокие ε _r (более 500) и самые низкие | TCC _{400 ^o C} | (100 частей на миллион / K).