Transcript Izolační odpor kondenzátoru

Tato prezentace byla vytvořena
v rámci projektu
Orbis pictus
21. století
Orbis pictus 21. století
Kondenzátory I
Obor:
Elektrikář
Ročník:
1.
Vypracovala:
Ing. Ivana Jakubová
OB21-OP-EL-ZEL-JAK-U-1-007
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Obsah prezentace:
•
•
•
•
•
Co je to kondenzátor
Ideální a reálný kondenzátor
Katalogové údaje a jejich definice
Náhradní schémata reálného kondenzátoru
Ztrátový činitel tgδ
Co je to kondenzátor
• Kondenzátor (kapacitor) je pasivní setrvačná
(akumulační) součástka elektrických obvodů, jejímž
určujícím parametrem je kapacita.
• Kapacita C kondenzátoru je dána poměrem mezi nábojem
Q a napětím U na kondenzátoru
C = Q/U
• Jednotka kapacity je 1 farad, F. Pro běžné použití je příliš
velká, proto se častěji užívá 1 μF (mikrofarad) = 10-6 F
1 nF (nanofarad) = 10-9 F
1 pF (pikofarad) = 10-12 F
• Základní schematická značka:
Náboj, proud a změny napětí
na kondenzátoru
• Elektrický náboj běžně v obvodech nezjišťujeme. Proto je vhodné si
uvědomit souvislost náboje s elektrickým proudem. Elektrický proud
I je dán změnou náboje Q za časový interval t
Q = I·t [coulomb; ampér, sekunda]
• C = Q/U
C = (I· t )/ U
[farad; coulomb, volt]
[farad; ampér, sekunda, volt]
• Impedance kondenzátoru je frekvenčně závislá a u ideálního
kapacitoru čistě imaginární, s nulovou reálnou složkou:
Xc=1/(j2πfC)
• Kondenzátor je setrvačný, akumulační prvek. Akumuluje energii
elektrického pole. Proud a napětí na kondenzátoru nejsou ve fázi
(proud předbíhá napětí, u ideálního kapacitoru o 90°).
Ideální a reálný kondenzátor
• Ideální kondenzátor (např. v ideovém schématu nějakého
zapojení) je plně popsán svou kapacitou, která je
konstantní, nezávislá na velikosti napětí.
• Reálný kondenzátor má kromě kapacity ještě řadu dalších
důležitých vlastností elektrických (např. ztrátový činitel,
izolační odpor, …) i jiných (rozměry, uspořádání vývodů
apod.).
Základní nejdůležitější parametry bývají vyznačeny přímo
na kondenzátoru, další jsou uvedeny v katalogu prodejce.
Nejpodrobnější informace nalezneme v dokumentaci
výrobce.
Katalogové údaje kondenzátorů
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
jmenovitá (nominální) kapacita
tolerance (v % jmenovité hodnoty)
maximální napětí (jmenovité, provozní)
ztrátový činitel tgδ, ekvivalentní sériový odpor
izolační odpor, zbytkový proud
teplotní a napěťový součinitel kapacity
rozsah pracovních teplot
dlouhodobá stabilita kapacity (vliv stárnutí)
geometrické rozměry
materiál
případně další parametry
Jmenovitá hodnota a tolerance
• Jmenovitá hodnota kapacity je uvedena na kondenzátoru
(nebo v katalogu).
• Tolerance t je povolená odchylka skutečné kapacity Cs
kondenzátoru od jmenovité hodnoty C vyjádřená v %
jmenovité hodnoty:
t = 100∙ (Cs – C)/C
Toleranční pásmo nemusí být symetrické (například -20%
a +80%). U kondenzátorů malých kapacit se výrobní
nepřesnost udává přímo v jednotkách kapacity (např.
±0,5pF).
• Vzhledem k větším výrobním tolerancím se kondenzátory
vyrábějí většinou v řadě E6 a E12.
Změna kapacity kondenzátoru
s teplotou a napětím
• Změnu kapacity s teplotou vyjadřuje teplotní součinitel kapacity. Je
to relativní změna kapacity v % připadající na 1°C:
αT = [(C1- C0)/C0·100] /(T1 - T0)
• Podobně změnu kapacity s přiloženým stejnosměrným napětím
vyjadřuje napěťový součinitel kapacity jako relativní změnu kapacity
připadající na 1V.
• Změny kapacity s teplotou a napětím bývají v dokumentaci výrobců
často uvedeny v grafech (příklady z dokumentace výrobce pro
keramické kondenzátory).
Jmenovité a provozní napětí
• Jmenovité napětí UR je nejvyšší napětí,
které lze na kondenzátor připojit trvale
za běžných pracovních podmínek
(zejména teploty či frekvence). Bývá
vyznačeno na kondenzátoru.
• Pro vyšší teploty nebo frekvence je
dovoleno na kondenzátor připojit pouze
provozní napětí nižší než jmenovité
UR. Potřebné snížení provozního napětí
vůči jmenovitému bývá v dokumentaci
výrobců často uvedeno v grafech. Např.
v uvedeném grafu výrobce udává pokles
napětí o 1,25% na každý stupeň pro
teploty nad + 85°C až do 100°C
(maximální pracovní teplota tohoto typu
kondenzátoru, při níž může kondenzátor
trvale pracovat).
Následky nedodržení provozního
napětí
• Je-li na kondenzátor přiloženo stejnosměrné i střídavé
napětí, nesmí součet obou napětí v žádném okamžiku
překročit napětí provozní.
• Překračování provozního napětí zkracuje životnost
kondenzátoru. Příliš vysoké napětí může vést ke zničení
kondenzátoru např. průrazem dielektrika nebo explozí.
• U elektrolytických kondenzátorů nesmí dojít ani
krátkodobě k přepólování: stejnosměrná složka
přiloženého napětí musí být vždy větší než maximální
hodnota střídavého napětí. Přepólování elektrolytického
kondenzátoru může způsobit tak velký vývin plynu uvnitř
kondenzátoru, že součástka exploduje.
Izolační odpor kondenzátoru
• je odpor mezi vývody kondenzátoru měřený při stejnosměrném
proudu a určité teplotě, např. 20°C. Je dán zejména nenulovou
vodivostí dielektrika a izolací elektrod kondenzátoru. Jeho typické
hodnoty jsou několik desítek tisíc megaohmů až několik set
megaohmů (tedy řádově 1010 až 108 ohmů).
• Izolační odpor kondenzátoru má být co největší. Nízký izolační
odpor způsobuje, že náboj nabitého kondenzátoru se snižuje –
kondenzátor se vybíjí.
• Pro větší nominální hodnoty kapacit se někdy udává časová
konstanta jako součin hodnoty kapacity a izolačního odporu.
τ=C Rp [sekunda; ohm, farad]
• S rostoucí teplotou se izolační odpor snižuje (zhoršuje), protože
vodivost dielektrika s teplotou roste.
• U elektrolytických kondenzátorů se izolační odpor neměří.
Zbytkový proud kondenzátoru
• U elektrolytických kondenzátorů je důležitým provozním
parametrem je tzv. zbytkový proud, který kondenzátorem
protéká i při trvalém připojení pouze na stejnosměrné
napětí.
• Maximální přípustné hodnoty zbytkového proudu v závislosti na hodnotě kapacity a napětí a pro určitý čas po
připojení napětí (např. 1 minuta, 5 minut – bezprostředně
po připojení napětí bývá větší) uvádí výrobce v katalogu.
Běžné hodnoty IR≤ (0,03÷0,01)CU nebo několik μA.
• Průchod zbytkového proudu je potřebný pro udržování a
regeneraci dostatečné tloušťky dielektrické oxidové vrstvy.
Ztráty v reálném kondenzátoru:
• U ideálního (bezeztrátového) kondenzátoru je fázový posun mezi
napětím a proudem 90° (π/2 rad, proud předbíhá před napětím).
U reálného kondenzátoru je fázový posuv mezi napětím a proudem
menší o úhel δ. Tangens uhlu δ se nazývá ztrátový činitel tg δ.
• Příčinou neideálního chování kondenzátoru jsou ztráty jednak
v dielektriku, jednak na odporech elektrod a přívodů. Fyzikální
podstatu ztrát je možno vyjádřit náhradním schématem v podobě
sériové nebo paralelní kombinace ideálního kapacitoru a rezistoru.
Ačkoli hodnoty odporů v obou náhradních schématech se liší o
mnoho řádů, ztrátový činitel tg δ je na volbě náhradního schématu
nezávislý. V praxi se tg δ zjišťuje měřením a zahrnuje všechny
mechanismy ztrát.
Ztrátový činitel tgδ:
paralelní náhradní schéma
• Paralelní náhradní schéma se hodí zejména pro kondenzátory s
méně kvalitním dielektrikem, kde převažují ztráty v dielektriku
(vodivostní, polarizační).
• Ztrátový činitel je poměr mezi odporovou a kapacitní složkou
admitancí v paralelním náhradním schématu reálného kondenzátoru:
tgδ = 1/(2πf CpRp)
• Ztráty v dielektriku jsou víceméně nezávislé na frekvenci, proto také
tg δ vyjádřený z paralelního náhradního schématu s frekvencí
klesá (ωCp s frekvencí roste, 1/Rp se nemění).
tgδ v sériovém náhradním schématu
• Sériové náhradní schéma se hodí zejména pro kondenzátory
s velmi kvalitním (prakticky bezeztrátovým) dielektrikem, kde
převažují ztráty na odporech přívodů a elektrod.
• Ztrátový činitel je poměr mezi odporovou a kapacitní složkou
impedancí v sériovém náhradním schématu reálného kondenzátoru:
tgδ = 2πf CsRs
• Tato složka ztrát je úměrná kvadrátu frekvence, tg δ vyjádřený ze
sériového náhradního schématu s frekvencí lineárně roste. U
kondenzátorů pro vysoké frekvence je proto nutno velmi dbát na co
nejmenší odpor elektrod, kontaktů i přívodů.
Ekvivalentní sériový odpor ESR
• Ztráty reálného kondenzátoru se někdy popisují také pomocí
ekvivalentního sériového odporu ESR = Rs.
• Ztrátový činitel tgδ se dá změřit, ekvivalentní sériový odpor ESR ne
(není to skutečný prvek obvodu, ale jen parametr náhradního
schématu). ESR je možné z tgδ vypočítat: ESR = tgδ /(2πfC).
• ESR se udává v katalogu zejména u kondenzátorů pro impulzní a
vysokofrekvenční aplikace, a to při určité pracovní frekvenci (např.
100 kHz).
• U kvalitních impulzních kondenzátorů se hodnota ESR pohybuje v
jednotkách až desítkách miliohmů (řádově 10-3 až 10-2 ohmů).
Ztrátový činitel tgδ:
• tgδ je dán zejména druhem dielektrika a provedením kondenzátoru.
• Čím je tgδ nižší, tím je kondenzátor kvalitnější. Obvyklé hodnoty
jsou řádu 10-6 (vzduchové) až 10-1 (hliníkové elektrolytické).
• tgδ závisí na frekvenci i teplotě, často nelineárně. V katalogu se
uvádí tgδ obvykle pro jednu nebo několik frekvencí (např. 1 kHz,
případně další) nebo je uveden graf.
• tgδ se zhoršuje zvýšenou teplotou, vlhkostí a stárnutím kondenzátoru.
• Kondenzátory s vyššími hodnotami tgδ se nehodí zejména pro
použití na vysokých kmitočtech, v impulzních aplikacích nebo tam,
kde je důležitá přesná hodnota rezonanční frekvence a vysoký činitel
jakosti rezonančního obvodu.
Děkuji Vám za pozornost
Ing. Ivana Jakubová
Střední průmyslová škola Uherský Brod, 2010
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky