Тангенс угла потерь конденсатора что это

35. Тангенс угла диэлектрических потерь

Тангенс угла диэлектрических 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 δ — угол диэлектрических потерь. При отсутствии потерь δ = 0. Тангенс угла потерь определяется отношением активной мощности P_а к реактивной P_р при синусоидальном напряжении определённой частоты. Величина, обратная tg δ называется добротностью конденсатора. Термины добротности и тангенса угла потерь применяются также для катушек индуктивности и трансформаторов.

36. Добротность конденсатора. Определение и физ. Объяснение.

Тангенс угла диэлектрических 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 δ — угол диэлектрических потерь. При отсутствии потерь δ = 0. Тангенс угла потерь определяется отношением активной мощности Pа к реактивной Pр при синусоидальном напряжении определённой частоты. Величина, обратная tg δ называется добротностью конденсатора. Добротность – величина, обратная затуханию.

37.Тке и как он учитывается в цветной кодировке.

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) — величина, применяемая для характеристики конденсаторов с линейной зависимостью емкости от температуры и равная относительному изменению емкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия.

Конденсаторы с линейной зависимостью от температуры

Конденсаторы с нелинейной зависимостью от температуры

38. Виды конденсаторов. Основные св-ва каждого вида.

39. Варикап. Назначение, материалы.

Варикап — полупроводниковый диод, работа которого основана на зависимости барьерной ёмкости p-n перехода от обратного напряжения. Варикапы применяются в качестве элементов с электрически управляемой ёмкостью в схемах перестройки частоты колебательного контура, деления и умножения частоты, частотной модуляции, управляемых фазовращателей и др.

40. Область применения катушек индуктивности. Их обозначения.

Катушки индуктивности (совместно с конденсаторами и/или резисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п..

Катушки индуктивности используются в импульсных стабилизаторах как элемент, накапливающий энергию и преобразующий уровни напряжения.

Две и более индуктивно связанные катушки образуют трансформатор.

Катушка индуктивности, питаемая импульсным током от транзисторного ключа, иногда применяется в качестве источника высокого напряжения небольшой мощности в слаботочных схемах, когда создание отдельного высокого питающего напряжения в блоке питания невозможно или экономически нецелесообразно. В этом случае на катушке из-за самоиндукциивозникают выбросы высокого напряжения, которые можно использовать в схеме, например, выпрямив и сгладив.

Катушки используются также в качестве электромагнитов.

Катушки применяются в качестве источника энергии для возбуждения индуктивно-связанной плазмы.

Для радиосвязи — излучение и приём электромагнитных волн (магнитная антенна, кольцевая антенна).

Для разогрева электропроводящих материалов в индукционных печах.

Как датчик перемещения: изменение индуктивности катушки может изменяться в широких пределах перемещением (вытаскиванием) сердечника.

Основные параметры конденсатора

Номинальная емкость С_ном относится к главному параметру и измеряется в фарадах [Ф], названная в честь выдающегося английского физика Майкла Фарадея.

Емкостью в одну фараду обладает конденсатор, который накапливает заряд, величиной в один кулон, если приложить к пластинкам напряжение один вольт. С_ном зависит от материала диэлектрика и конструкции конденсатора (взаимного расположения обкладок)

С_ном =εε_оS/d [Ф], где

ε_о – диэлектрическая постоянная ε_о = 8,85 х 10 -12 Ф/м,

ε — относительная диэлектрическая проницаемость, которая характеризует способность диэлектрика к поляризации. Диэлектрическая проницаемость ε показывает, во сколько раз заряд конденсатора с данным диэлектриком превосходит заряд аналогичного накопителя, если между его пластинками той же площади и находящихся на таком же расстоянии вакуум. Для воздуха ε равна единице, то есть практически ничем не отличается от вакуума. Сухая бумага обладает диэлектрической проницаемостью в два раза больше воздуха; фарфор – в четыре с половиной раза ε = 4,5. Конденсаторная керамика имеет ε = 10..200 единиц.

Отсюда вытекает важный вывод: чтобы получить максимальную емкость при сохранении прежних геометрических размеров, следует применять диэлектрик с максимальной диэлектрической проницаемостью. Поэтому в широко распространённых плоских конденсаторах используют керамику.

S – площадь обкладок конденсатора,

d – расстояние между обкладками (толщина диэлектрика).

Физический смысл данной формулы следующий: чем больше площадь обкладок, тем больше зарядов на ней может расположиться (накопиться); чем больше расстояние между пластинами и соответственно между зарядами, тем меньшая сила их взаимного притяжения – тем слабее они удерживаются на обкладках, поэтому зарядам легче покинуть обкладки, что приводит к снижению их числа, следовательно и уменьшению емкости конденсатора.

Ранее часто можно было услышать такое утверждение, что емкость в 1 Ф – это очень много – почти емкость нашей планеты. Однако сейчас, с появлением суперконденсаторов так больше не говорят, поскольку емкость последних достигает сотни фарад. Тем не менее в большинстве электронных схем используют накопители меньшей C – пикофарады, нанофарады и микрофарады.

Фактическое значение емкости может отличаться от номинального на величину допускаемого отклонения в процентах.

Для емкостей, также как для резисторов, установлены семь рядов номинальных значений: ЕЗ, Е6, Е12, Е24, Е48, Е95, Е192 . Каждый ряд имеет свой класс точности

В зависимости от класса точности (допустимого отклонения) производятся стандартные значения емкости, то есть стандартные номиналы конденсаторов. Емкость в приведенной ниже таблице исчисляется пикофарадами. Любое значение из таблицы может быть умножено на 0,1 или 1 или 10 и т.д.

Температурный коэффициент емкости

Протекание электрического тока через любой радиоэлектронный элемент вызывает его нагрев, ввиду неизбежного наличия сопротивления. Чем больше ток и выше сопротивление, тем интенсивнее нагревается прибор. Такое явление в большинстве случаев является вредным и может привести к изменению параметров схемы, а соответственно и нарушить режим работы всего устройства. Поэтому нагрев радиоэлектронных элементов всегда учитывается при проектировании изделия. Характеристики конденсаторов также склонны изменятся с изменением температуры и с этим обязательно нужно считаться. Для этого введен температурный коэффициент емкости, сокращенно ТКЕ.

ТКЕ показывает, насколько отклоняется емкость конденсатора от номинального значения с ростом температуры. Значение емкости С₀ конденсатора приводится для температуры окружающей среды +20 С.

ТКЕ = (1/С₀ )  (dС dT ) [1C]

Рост температуры может вызвать как рост емкости, так и ее уменьшение. В зависимости от этого различают конденсаторы с положительным и отрицательным температурным коэффициентом емкости.

Следует знать, чем меньше значение ТКЕ, тем более стабильными характеристиками обладает конденсатор. Особое внимание уделяют ТКЕ при разработке измерительного оборудования высокого класса точности, где критичны значительные отклонения параметров любого радиоэлектронного элемента.

Тангенс угла потерь

Потери, неизбежно возникающие при работе конденсатора, главным образом определяются свойствами диэлектрика, расположенного между обкладками конденсатора, и характеризуются тангенсом угла потерь tg δ. Производители стремятся снизить значение угла tg δ и за счет этого улучшить характеристики конденсаторов. Поэтому наибольшее применение получила специальная керамика, обладающая минимальным тангенсом угла потерь. Значения тангенса угла потерь у керамических высокочастотных, слюдяных, полистирольных и фторопластовых конденсаторов находятся в пределах (10. 15)х10 -4 , поликарбонатных (15. 25)х10 -4 , керамических низкочастотных 0,035, оксидных 5. 35%.

Обратной величиной тангенса угла потерь конденсатора является добротность, равная

Конденсаторы высокого качества обладают добротностью свыше тысячи единиц.

Номинальное напряжение — напряжение, обозначенное на конденсаторе (или указанное в документации), при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах. Все конденсаторы имеют какое-то предельное напряжение, которое можно на них подавать. Дело все в том, что может произойти пробой диэлектрика, и конденсатор выйдет из строя. Чаще всего это напряжение пишут на самом корпусе конденсатора. Например, на электролитическом конденсаторе.

Кроме номинального рабочего напряжения в технических условиях обычно указывается испытательное напряжение. При выборочном выходном контроле оценивают способность конденсатора выдерживать кратковременные перегрузки U_исп = (1,5 – 2)U _ном

Ток утечки конденсатора

Дело все в том, что какой бы ни был диэлектрик, конденсатор все равно рано или поздно разрядится, так как через диэлектрик, как ни странно, все равно течет ток. Величина этого тока у разных конденсаторов тоже разная. Электролитические конденсаторы обладают самым большим током утечки.

Также ток утечки зависит от напряжения между обкладками конденсатора. Здесь уже работает закон Ома: I=U/R_{диэлектрика}. Поэтому, никогда не стоит подавать напряжение больше, чем максимально рабочее напряжение, прописанное на конденсаторе.

Удельная емкость конденсатора

С_уд = С_ном/V (S_{подложки}), где

С_ном –номинальная емкость конденсатора,

V – объем конденсатора,

S_{подложки} – площадь, которую занимает конденсатор на подложке.

Величина удельной емкости должна быть максимально возможной, т. к. желательно получить конденсатор с необходимой величиной емкости при минимальных размерах.

Хотите сделать конденсатор с огромной удельной емкостью, делайте площадь пластин как можно больше, расстояние между пластинами как можно меньше и выбирайте диэлектрик с максимальным значением диэлектрической проницаемости. К сожалению, все эти способы получения максимальной С_уд имеют серьезные ограничения.

Уменьшение толщины диэлектрика ограничено электрической прочностью материала.

Выбор материала с большой диэлектрической проницаемостью приводит к ограничению частотного диапазона применения конденсатора, т.к. как правило, такие материалы обладают большим значением тангенса угла диэлектрических потерь tg δ.

Поэтому часто, для увеличения удельной емкости используют разные конструктивные решения.

ESR. Способы измерения.

ESR — Equivalent Series Resistance (Эквивалентное Последовательное Сопротивление — ЭПС), как один из значимых паразитных параметров электролитических конденсаторов, в последние годы приобрёл широкую популярность среди ремонтников электронной аппаратуры. Измерители и пробники ESR для многих мастеров стали прибором первой необходимости наряду с тестером или мультиметром.
Увеличение ESR конденсатора на несколько Ом, а иногда на несколько десятых долей Ома, может являться причиной неработоспособности устройства, в котором он установлен, что иногда невозможно выявить существующими измерителями ёмкости, не способными учитывать другие параметры конденсатора.

Обычно в ремонтной практике не требуется особой точности в измерении ESR, поэтому ощутимая погрешность пробников чаще не вызывает неудобств в отыскании неисправных элементов, а определение состояния конденсатора пробником может упрощаться до оценки его качества по принципу – годен или не годен для работы в конкретном узле устройства.
Но, следует отметить, для конденсаторов, работающих при больших импульсных токах, например, в фильтрах преобразователей, иногда требуется более объективная оценка качества, а погрешность в десятые и даже сотые доли Ома может иметь существенное значение.

На рисунке можно увидеть, что в диапазоне рабочих частот преобразователей (нескольких десятков кГц) реактивное сопротивление конденсатора большой ёмкости и паразитной индуктивности в последовательной цепи имеют значения на порядок меньше ESR и полного сопротивления переменному току (импеданса) . Следовательно, практически весь ток, который в импульсе может достигать десятков ампер, будет выделять активную мощность на сопротивлении (ESR), разогревая диэлектрик и электролит конденсатора.

Тангенс угла потерь, указываемый в технической документации производителей электролитических конденсаторов для частоты 120 Гц (типовое значение 0.1-0.22), теряет свою актуальность на рабочих частотах преобразователей ИИП и для конденсаторов фильтров их вторичных выпрямителей будет на порядки больше.
Для работы в таких режимах производители изготавливают низкоимпедансные конденсаторы (Low impedance) и указывают для них значение импеданса, измеренного на частоте 100 кГц для каждого номинала в таблицах.
Значение активной составляющей (ESR) тогда можно вычислить по формуле R = √(Z² — X²).
Например, для конденсатора Jamicon 1000uF 25V серии WL значение Z указано 0.04 Ом, учитывая его реактивное сопротивление Xc = 0.0016 Ом для указанной частоты, можно посчитать значение ESR. В миллиомах это будет примерно 39.97 мOм, что практически не отличается от значения Z= 40 мОм.
Тангенс угла потерь для данного случая R/Xc составит 39.97/1.6 приблизительно 25. Паразитная индуктивность здесь в расчётах не используется, но в отдельных случаях она может иметь существенное значение.

Большинство популярных и применяемых в ремонтной практике приборов и пробников ESR основаны на измерении полного сопротивления переменному току на частоте 40 — 100 кГц. На частотах этого порядка для электролитических конденсаторов больших номиналов такие приборы покажут значения, максимально близкие к величине ESR, которая составит основную часть импеданса на этих частотах.
Недостатком такого способа является значительная погрешность при измерении малых номиналов ёмкостей (менее 10 uF), когда реактивное сопротивление конденсатора на данной частоте соизмеримо и может превышать ESR.
Тогда прибор покажет значение импеданса, а реальное значение ESR может быть в несколько раз меньше.

Одним из требований в плане практичности использования ESR-пробников является возможность производить замеры без выпаивания конденсатора из платы. Следовательно, процесс измерения должен происходить при достаточно низком падении напряжения на проверяемом конденсаторе, исключая отпирание переходов полупроводниковых элементов схемы.

В большинстве случаев такие нехитрые измерители импеданса мастера собирают самостоятельно по схемам, широко распространённым в интернете, но кто-то применяет и свои разработки с учётом личных предпочтений в плане удобства пользования или точности измерений.
В продаже существуют как простые пробники со светодиодной или стрелочной индикацией, так и измерители с цифровой шкалой различной степени сложности.

Подробно останавливаться на принципах и методах измерения импеданса нет необходимости, таких обсуждений и описаний существует достаточно много и их нетрудно найти в интернете. Но некоторые особенности отдельных конструкций всё же могут заслуживать внимания.

В этой статье предлагается рассмотреть один из способов измерения ESR и ёмкости, как отдельных параметров конденсатора.

Достаточно точный и несложный метод, который используется во многих любительских и промышленных приборах, реализован в измерителе Micro, популярном среди мастеров – участников ремонтных форумов monitor.net.ru и monitor.espec.ws.

Если испытываемый конденсатор ёмкостью C заряжать от источника постоянного тока I, напряжение на его выводах будет линейно нарастать от значения U_R по закону:

C dU/dt = I = const.

U_R – падение напряжения на активном сопротивлении конденсатора (ESR).

В таком случае ёмкость конденсатора будет определяться выражением:

Если посчитать время заряда для двух фиксированных значений напряжения U₁ и U₂, взяв значение U₂ вдвое большим U₁, расчёт ёмкости будет таким:

Посчитать U_R для вычисления ESR можно несколькими способами, например, составив уравнение прямой по двум точкам и найти координату Y для нулевого значения X, либо геометрически, исходя из соотношения сторон подобных треугольников .

Активное сопротивление конденсатора (ESR) в таком случае составит:

Для реализации такого метода нет необходимости в применении АЦП, пороговые значения напряжений для управления таймером устанавливаются компараторами, а математические вычисления ёмкости и ESR производятся микроконтроллером с выводом информации на ЖК дисплей.

В некоторых подобных конструкциях для измерения ESR используется более простой, но менее точный способ.
Производится измерение уровня напряжения U_R посредством АЦП в начальный момент времени.
Несмотря на то, что измерительный импульс достаточно короткий (1-2 uS), конденсаторы меньшей ёмкости успевают зарядиться до большего значения, чем конденсаторы большой ёмкости, что создаёт некоторую погрешность в измерении ESR разных номиналов конденсаторов.

Следует учитывать, что ESR, измеренный постоянным током, является относительным показателем качества электролитического конденсатора.
Значимой составляющей ESR являются диэлектрические потери, которые существенно меняются с изменением частоты переменного тока.

Существуют более сложные и точные методики и способы измерений, основанные на анализе сдвига фаз в конденсаторе. В этом случае ESR определится произведением импеданса и тангенса угла потерь.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

2.3. Тангенс угла потерь

Тангенс угла потерь б характеризует потери энергии в конден­саторе и определяется отношением активной мощности к реактив­ной при синусоидальном напряжении определенной частоты:

где ср — угол сдвига фаз между током и напряжением в цепи кон-денсатор — источник тока; б — угол потерь, дополняющий до 90° угол сдвига фаз ф.

Конкретное значение тангенса угла потерь зависит от типа ди­электрика и его качества, а также от температуры окружающей среды и от частоты переменного тока, на которой он определяется (измеряется). Как правило, tg б имеет минимум в области комнат­ных температур. С ростом частоты значение tg б увеличивается.

С течением времени (длительное хранение и наработка), а так­же эксплуатации во влажной среде значение tg б растет и может увеличиться в несколько раз.

2.4. СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗОЛЯЦИИ, ТОК УТЕЧКИ

Электрическое сопротивление конденсатора постоянному току определенного напряжения называется сопротивлением изоляции конденсатора. Этот параметр характерен для конденсаторов с орга­ническим и неорганическим диэлектриками. Измерение сопротивле­ния изоляции производят при напряжениях 10, 100 и 50б В соответ­ственно для конденсаторов с номинальным напряжением до 100 В, 100—600 В и свыше 500 В.

Сопротивление изоляции характеризует качество диэлектрика и качество изготовления конденсаторов и зависит от типа диэлектри­ка. Сопротивление изоляции для конденсаторов большой емкости обратно пропорционально площади обкладок, т. е. емкости конден­саторов. Поэтому для конденсаторов емкостью более 0,33 мкФ при­нято вместо сопротивления изоляции приводить значение постоян­ной времени, выражаемое в секундах (МОм x мкФ), равное произве­дению сопротивления изоляции на значение номинальной емкости.

Сопротивление изоляции или постоянная времени зависит от типа диэлектрика, конструкции конденсатора и условий его эксплуа­тации. При длительном хранении и наработке сопротивление изоля­ции может уменьшиться на один-три порядка.

Сопротивление изоляции конденсатора измеряют между его выводами. Для конденсаторов, допускающих касание своим корпу­сом шасси или токоведущих шин, вводится понятие сопротивление изоляции между корпусом и соединенными вместе выводами.

Ток проводимости, проходящий через конденсатор при постоян­ном напряжении на его обкладках в установившемся режиме, на­зывают током утечки.

Ток утечки обусловлен наличием в диэлектрике свободных носи­телей заряда и характеризует качество диэлектрика конденсатора. Этот параметр характерен для вакуумных и оксидных конденсато­ров.

Ток утечки в большой степени зависит от значения приложенно­го напряжения и времени, в течение которого оно приложено. Ток

утечки измеряется через 1—5 мин после подачи на конденсатор но­минального напряжения. При включении конденсатора под напря­жение происходит «тренировка», т. е. постепенное уменьшение тока утечки. При длительном хранении и длительной работе ток утечки конденсаторов растет.

2.5. ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ЕМКОСТИ

Таблица 2.2. Группы

ТКЕ конденсаторов

с линейной или близкой к ней

зависимостью емкости

от температуры

Величина, применяемая для характеристики конденсаторов с линейной зависимостью емкости от температуры и равная относи­тельному изменению емкости при изменении температуры окружаю­щей среды на один градус Цельсия (Кельвина), называется темпе­ратурным коэффициентом емкости (ТКЕ).

По значению ТКЕ керамичес­кие и некоторые другие конденса­торы разделяются на группы, при­веденные в табл. 2.2.

Обозначение групп ТКЕ

Номинальное значение ТКЕ при 20— 85° С (ТКЕХ10 6 , 1/°С)