Быстрая оценка диэлектрической абсорбции конденсатора

Диэлектрическая абсорбция (dielectric absorption, DA) или остаточная поляризация диэлектрика является ключевым параметром конденсаторов. Если нужно оценить качество конденсатора или определить тип диэлектрика, достаточно просто измерить его DA. Эта несложная схема может помочь избежать трудоемкой стандартной процедуры выбора конденсатора с подходящей DA. Она даже может позволить легко отличить полипропиленовые конденсаторы от полистирольных, чьи значения DA очень близки, и для этого не придется вскрывать их корпуса, чтобы посмотреть, какой диэлектрик внутри.

Существует несколько методов оценки или измерения значения DA. Для классического прямого измерения испытываемый конденсатор (capacitor under test, CUT) заряжается («пропитывается»), а затем быстро разряжается. Напряжение, которое восстановится на конденсаторе после периода ожидания, – это напряжение диэлектрической абсорбции (dielectric absorption voltage, DAV). Стандарты точно регламентируют продолжительность всех этапов этого процесса, и процедура занимает много времени. Другой вариант – оценить искажения, которые DA вносит в работу RC-интегратора. Можно также оценить искажения, которые вызывает DA в чистом синусоидальном сигнале на RC-цепи. Строго говоря, последние два метода различаются, главным образом, используемыми процедурами измерения.

Приведенные ниже схемы соответствуют требованиям классической методики измерений. Они могут поддерживать время измерения, необходимое для классического метода, которое довольно велико (порядка часа), однако это время может быть сокращено до нескольких секунд или меньше.

Схема на Рисунке 1 содержит два герконовых реле (S1, S2), управляющих зарядом и разрядом CUT. В ней также есть схема выборки и хранения (герконовое реле S3 и конденсатор C1), которая выполняет выборку DAV на конденсаторе C1. Все контакты реле показаны при обесточенных обмотках.

Управляя последовательностью переключения герконовых реле, эта схема может измерять диэлектрическую абсорбцию тестируемого конденсатора.
Рисунок 1. Управляя последовательностью переключения герконовых
реле, эта схема может измерять диэлектрическую абсорбцию
тестируемого конденсатора.

Резисторы R1 и R2 ограничивают токи заряда и разряда CUT и C1. Они должны быть рассчитаны на работу с зарядным напряжением E. Резистор R3 необязателен. Его можно добавить в том случае, если утечка через корпус реле S2 достаточно высока, чтобы давать ненулевые показания при отключенном CUT, то есть, при CUT = 0.

Схема выборки и хранения увеличивает длительность выходного импульса CUT, что упрощает его исследование. Однако, поскольку выборка вносит систематическую ошибку, результаты измерений необходимо корректировать, умножая их на

Конденсатор C1 должен иметь низкую утечку и низкую абсорбцию. Этим требованием соответствует большинство полипропиленовых, полистирольных или керамических конденсаторов с диэлектриком NP0.

Счетчик на Рисунке 2 управляет синхронизацией переключателей. Для этой цели можно было бы использовать микроконтроллер, но схема была выбрана такой, чтобы избежать необходимости в каком-либо программировании.

Синхронизаций переключения реле на Рисунке 1 управляет таймер.
Рисунок 2. Синхронизаций переключения реле на Рисунке 1 управляет таймер.

Схема синхронизации состоит из генератора и двоичного счетчика со сквозным переносом (CD4060B), которые вместе с двумя логическими элементами «И-НЕ» микросхемы CD4023 задают последовательность сигналов, управляющих переключателями (Рисунок 3).Третий элемент микросхемы CD4023B не используется, и на его входы должен быть подан какой-либо логический уровень.

Временная последовательность, формируемая схемой на Рисунке 2.
Рисунок 3. Временная последовательность, формируемая схемой на Рисунке 2.

Пары Q1/Q2 и Q1/Q3 образуют схемы, реализующие логические функции «A или не B» и «A и не B», соответственно. Это помогает уменьшить общее количество компонентов и не использовать в этой части схемы резисторы. В частности, Q3 используется потому, что отпускание реле (как и всех других переключателей) происходит медленнее, чем срабатывание. Транзисторы Q1 и Q4 должны иметь коэффициенты передачи тока, достаточные для управления герконовыми реле; в большинстве случаев подойдут транзисторы 2N3906, BC560 или BC327.

Величина напряжения V должна быть достаточной для работы реле, но не должна превышать значений, допустимых для КМОП логики (20 В для приборов с суффиксом «B») и максимальных напряжений затвор-исток MOSFET. Рабочие напряжения обмоток герконовых реле S1 (однополюсное на два направления) и S2/S3 (оба однополюсные на одно направление, нормально разомкнутые) должны быть на 1 – 2 вольта ниже напряжения +V. Реле также должны иметь низкие утечки между выводами. Я обнаружил проблему, когда сопротивление между обмоткой и контактами было в пределах не более десятков МОм.

Время цикла измерения зависит от частоты генератора и от того, какие четыре выхода микросхемы CD4060B используются в схеме. (Эти выходы должны идти в строгой последовательности, поэтому выводы Q12 – Q14 использовать нельзя). Для показанной на схеме микросхемы CD4060B напряжение V = 10 В, а период следования импульсов T равен

Таким образом, T составляет порядка 7 миллисекунд, поэтому продолжительность цикла измерения равна 0.007 × 1024, или приблизительно 7 секунд.

Время T не критично и может быть уменьшено в десять (или более) раз путем выбора конденсатора C1 меньшей емкости. Это может быть особенно удобно при тестировании устройств CUT с более низкой емкостью.

Приведенные схемы можно использовать для оценки DA конденсаторов, емкости которых не слишком малы (для номиналов компонентов, показанных на схеме – от 10 нФ). Существует также верхний предел емкости, которую может проверить схема, поскольку CUT может не успеть полностью разрядиться, если его емкость слишком велика.

Время разряда t, которое обеспечивает эта схема, составляет один полупериод импульсов на выходе Q7 счетчика CD4060. Поскольку DA для большинства конденсаторов составляет, в лучшем случае, не менее 0.01%, минимальное время разряда (t), необходимое для CUT, можно оценить, как

или приблизительно

где – R1 сопротивление токоограничивающего резистора, CUT – емкость проверяемого конденсатора.

Следовательно, если t(Q7) составляет 70 мс при времени разряда t = 35 мс и R1 = 300 Ом, то верхний предел для CUT равен

что составляет приблизительно 12 мкФ.

DAV, которое будет измеряться, примерно пропорционально зарядному напряжению E, поэтому E должно быть достаточно большим, чтобы сделать DAV заметным. Типы реле и сопротивления резисторов на Рисунке 1 также должны выбираться в соответствии с величиной E.

Напрямую оценить DAV можно с помощью любого высокоомного вольтметра (входное сопротивление RI > 10 МОм), подключенного так, как показано на Рисунке 1. Предпочтительно использовать вольтметр с разрешением не менее 4.5 разрядов, потому что, возможно, DAV будет довольно маленьким. Однако для получения стабильных показаний постоянная времени вольтметра C1 × RI должна быть намного больше, чем длительность цикла t. В некоторых случаях это условие может быть трудновыполнимым; тогда лучше использовать не вольтметр, а осциллограф. В случае, когда сравниваются два конденсатора одинаковой емкости, осциллограф также может обеспечить более наглядное представление информации.

Примеры измерений, выполненных с помощью этой схемы с использованием осциллографа вместо вольтметра, показаны на Рисунке 4. Представлены результаты для трех конденсаторов одинаковой емкости (CUT = 220 нФ), но с различными типами диэлектриков – лавсан (PET), полипропилен (PP), и полистирол (PS). Чувствительность входа осциллографа была установлена равной 10 мВ/дел, а параметры измерительной схемы были следующими: E = 100 В и C1 = 100 нФ.

Репрезентативные измерения DA для трех конденсаторов одинаковой емкости наглядно демонстрируют различия в их типах диэлектриков.
Рисунок 4. Репрезентативные измерения DA для трех конденсаторов одинаковой
емкости наглядно демонстрируют различия в их типах диэлектриков.

Для лавсанового конденсатора амплитуда выходного импульса DAV составляет 85 мВ, для полипропиленового – порядка 18 мВ, а для полистирольного всего 9 мВ. Таким образом, различие между типами диэлектриков совершенно очевидно.

Вычисляя значение DA как DAV/E с коррекцией ошибки выборки, получаем:

Эти данные хорошо согласуются со значениями, приводимыми в технической документации.

  1. Datasheet Texas Instruments CD4023B
  2. Datasheet Texas Instruments CD4060B
  3. Datasheet Vishay BS170

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 50
сейчас смотрят 6
представлено поставщиков 697
загружено
позиций
25 067 862