книги / Основы конденсаторной техники

iа определяется значениями Са и некоторого rа, формально характеризующего медленность спадания тока iа; Rиз – сопротивление изоляции, соответствующее iут.

Эта схема является упрощенной. Вместо одной абсорбционной ячейки Са −rа в ней надо использовать столько ячеек,

сколько замедленных видов поляризации.

Измерение сопротивления изоляции обычно производят через 1 мин после включения постоянного напряжения.

Разделив напряжение на измеренное через 1 мин значение тока, получим некоторое условное значение сопротивления

изоляции, которое меньше Rиз = U , так как мы измеряем не

iут

ток утечки, а некоторое значение iа.

ся и может даже смениться постепенным снижением (кривая 2).

Это можно объяснить тем, что часть слабосвязанных ионов при повышении напряжения освобождается и увеличивается число свободных ионов, участвующих в сквозной проводимости. Значение может иметь нагрев слабых мест в диэлек-

31

трике током утечки или начало ионизации остаточного воздуха, образующего газовые включения в диэлектрике. Кроме того, при напряжении, равном Uпр, может наблюдаться элек-

тронная проводимость в диэлектрике.

При повышении температуры условия диссоциации облегчаются, количество свободных ионов в диэлектрике увеличивается, и проводимость диэлектрика резко увеличивается. Rиз и τС резко снижаются при нагревании (рис.13). Зави-

симость Rиз от температуры выражается эмпирической формулой

ляции.

Для конденсаторов с органическим диэлектриком β имеет

величину примерно 0,3…0,4, для конденсаторов с неорганическим диэлектриком 0,01…0,015. Эти значения соответствуют измерению Rиз при времени выдержки 1 мин.

32

не очень сильно, то формула (7) может быть использована и для выражения зависимости постоянной времени от температуры.

Резкая зависимость Rиз и τС от температуры затрудняет

создание конденсаторов, предназначенных для работы при высоких рабочих температурах в цепях постоянного тока: это обусловлено не только резким возрастанием тока утечки до недопустимо больших пределов, но также возникновением опасности теплового пробоя и ускорением старения диэлектрика за счет усиления интенсивности электрохимических процессов.

7.4. Разряд конденсатора при отсутствии индуктивности

При замыкании обкладок заряженного конденсатора с емкостью С на сопротивление r энергия конденсатора расходуется на нагрев сопротивления. Напряжение на выводах конденсатора при этом быстро снижается по закону

− τ

UС =U e rC ,

где U – начальное значение напряжения, В; τ – время, с; С – емкость, Ф;

r – активное сопротивление зарядной цепи, Ом.

Под величиной r понимают внешнее сопротивление, на которое замкнут конденсатор (включая сопротивление соединительных проводов) и его внутреннее активное сопротивление (обкладки, выводы, потери в диэлектрике).

Во время разряда конденсатора ток сначала мгновенно достигает значения

i0′ = Ur ,

где U – начальное значение напряжения, до которого был заряжен конденсатор.

33

Затем ток спадает, подчиняясь уравнению

− τ

i =i0′ e rC ,

в котором под величиной r надо понимать сопротивление разрядной цепи, а не зарядной. Значения тока i0′ при разряде может быть во много раз больше значения зарядного тока i0

(рис. 14).

I

U С

rзар

i0

Рис. 14. Изменение тока в процессе заряда и разряда цепи

Накопление энергии в конденсаторе для последующего ее использования путем кратковременного разряда конденсатора на малое сопротивление с получением мощного импульса тока нашло широкое применение. Накопительные конденсаторы используются для генераторов импульсов тока (ГИТ) – при испытании мощных выключателей, для радиолокационных устройств, для сварки, получения вспышки света при фотографировании и т.д.

7.5. Явление саморазряда

Если оставить обкладки заряженного конденсатора разомкнутыми, то с течением времени напряжение на его выводах будет постепенно снижаться. Это явление, называемое са-

34

моразрядом, обусловлено тем, что роль разрядного сопротивления здесь играет сопротивление изоляции конденсатора Rиз.

Скорость снижения напряжения на выводах конденсатора в процессе саморазряда определяется постоянной времени конденсатора:

Таким образом, постоянная времени конденсатора численно выражается числом секунд, необходимых для того, чтобы напряжение на выводах конденсатора в процессе саморазряда упало на 37 % от начального значения.

Пользуясь выражением (8), можно определить сопротивление изоляции Rиз, зная емкость С и измерив UС через τсек

от начала процесса саморазряда при зарядке конденсатора напряжением U:

Конденсаторы с очень высокой постоянной времени применяются для изготовления электрических дозиметров, используемых для измерения интенсивности радиации. В таких дозиметрах конденсатор заряжается определенным напряжением, выводы конденсатора соединены с электродами ионизационной камеры, между которыми в отсутствие излучения ток практически не протекает, так же как и через диэлектрик дозиметрического конденсатора, обладающего малым саморазрядом. Если в пространстве имеется радиация, то между электро-

35

дами в ионизационной камере будет проходить ток, разряжающий конденсатор. Снижение напряжения на конденсаторе за определенный промежуток времени может быть мерой интенсивности радиации.

7.6. Коэффициент абсорбции конденсаторов

При кратковременном замыкании заряженного конденсатора накоротко, напряжение на его выводах спадает до нуля, но после размыкания обкладок может снова увеличиться до заметной величины за счет накопления на обкладках остаточного заряда.

поляризацией) разрядится очень быстро, так как скорость ее разряда будет определяться произведением r C, где r – малая

величина. За это время емкость Са (часть емкости, обуслов-

ленная медленной поляризацией, т.е. абсорбцией заряда) не успеет разрядиться, так как ее скорость разряда будет определяться постоянной времени (r + ra ) Ca , где ra >> r.

При отключении разрядного сопротивления r, т.е. при размыкании обкладок конденсатора, остаточный заряд емкости Са медленно перераспределяется между Са и С и создает некоторое напряжение на обкладках конденсатора. Это напряжение Uост составит лишь некоторую часть зарядного напря-

36

жения и после достижения некоторого максимального значения будет постепенно спадать со временем (рис. 16) за счет саморазряда конденсатора, но в случае конденсатора с большим рабочим напряжением может представить опасность обслуживающему персоналу. Поэтому установки с бумажными конденсаторами высокого напряжения обычно снабжаются специальными разрядными сопротивлениями. Величина остаточного заряда характеризуется значением остаточного напряжения Uост, появляющегося на выводах конденсатора (заряжавшегося

напряжением U =Uзар в течение τ1, кратковременно разряженного замыканием накоротко в течение времени τ2 и затем разомкнутого) через τ3 после размыкания обкладок. Отношение Uост к Uзар, выраженное в процентах, называется коэффициентом абсорбции конденсатора:

ka = Uост 100 %.

Uзар

U

Uзар

Uост

Рис. 16. Изменение напряжения на конденсаторе при определении коэффициента абсорбции

Величина ka зависит от условий испытания, прежде всего от значений τ1, τ2 и τ3. Время закорачивания (τ2 ) берут

37

обычно 2…5 с. При дальнейшем его увеличении ka уменьшается; увеличение времени τ1 и τ3 приводит к увеличению ka . Обычно ka указывают при τ1 ≈ τ3 ≈ 5…15 мин. Например, для конденсатора фторопластового ka = 0,01...0,05, для бумажного ka = 0,6...2,0 при соответствующих значениях времени:

τ1 =15 мин; τ2 =5 с; τ3 =3 мин.

C увеличением емкости конденсатора скорость нарастания остаточного напряжения Uост уменьшается (рис. 17), а по-

тому при небольших значениях τ3 величина коэффициента абсорбции кажущимся образом снижается. При достаточно больших значениях τ3 величина коэффициента абсорбции от емкости не зависит.

Uост

С1 С2

С1 > С2

τ3

Рис. 17. Зависимость остаточного напряжения от времени при двух значениях емкости

Коэффициент абсорбции зависит от температуры окружающей среды и увеличивается с ее ростом. Величина коэффициента абсорбции представляет интерес не только с точки зрения техники безопасности, но и при использовании конденсаторов в ряде устройств измерительной и счетно-решающей техники, где появление остаточного заряда на конденсаторе может искажать работу устройства. В этом случае применяют пленочные конденсаторы, которые имеют наименьшую величину коэффициента абсорбции. Наименьшей абсорбцией обладают конденсаторы с газообразным диэлектриком (практически нулевой).

38

8.Конденсатор в цепи переменного тока

8.1.Разряд конденсатора при наличии индуктивности

При наличии в цепи разряда индуктивности L характер изменения напряжения U и тока I со временем будет зависеть от параметров цепи: емкости С, активного сопротивления r и индуктивности L. Если соблюдается условие

то изменения будут апериодические, подобные тем, которые имеют место при апериодической зарядке в цепи, содержащей индуктивность L. Если же условие (9) не соблюдено, то происходят периодические изменения тока и напряжения – затухающие колебания (рис. 18).

Затухание, т.е. уменьшение амплитуды колебаний во времени характеризуется логарифмическим декрементом затухания ∆, который равен натуральному логарифму отношения двух смежных амплитуд тока и зависит от параметров разрядной цепи:

Частота колебаний при периодическом разряде определяется формулой

Увеличение активного сопротивления r увеличивает декремент затухания и уменьшает частоту колебаний. Физическая сущность колебательного процесса при периодическом разряде заключается в переходе энергии заряженного конденсатора

39

UС, i

U UС

i

τ

Рис. 18. Зависимость UC и i при разряде конденсатора в цепи, содержащей индуктивность

Колебания постепенно затухают за счет поглощения энергии активным сопротивлением r. Конденсатор всегда имеет некоторую собственную индуктивность, хотя и малую. Поэтому при разряде конденсатора на малое сопротивление r могут возникнуть высокочастотные колебания, представляющие опасность для конденсатора.

40