Лабораторная работа №1

Экспериментальное определение параметров процесса заряда и разряда конденсаторов

1. Целью лабораторной работы является:

1.1 Экспериментальное определение временных соотношений между токами и напряжениями в процессе заряда-разряда реальных конденсаторов

1.2. Экспериментальное определение постоянной времени заряда-разряда реальных конденсаторов и ее соответствие теоретическим представлениям

2. Содержание работы

Содержанием практической части работы является экспериментальное определение временных соотношений между токами и напряжениями в процессе заряда-разряда реальных конденсаторов, а также экспериментальное определение постоянной времени заряда-разряда реальных конденсаторов и ее соответствие теоретическим представлениям

Выполнение лабораторной работы проводится на ПЭВМ с использованием прикладных программ «EWB5.12» или «Micro-CaP8».

Правила безопасности при выполнении лабораторной работы являются типовыми.

2 Краткие теоретические сведения

2.1 Определение конденсатора

Согласно ГОСТ Р 52002-2003 предусмотрены следующие термины и определения.

Конденсатор – это элемент электрической цепи, предназначенный для использования его электрической емкости.

Электрическая емкость конденсатора – это электрическая емкость между электродами электрического конденсатора.

Электрическая емкость между двумя проводниками (электродами) – это скалярная величина, равная абсолютному значению отношения электрического заряда одного проводника к разности электрических потенциалов двух проводников при условии, что эти провод­ники имеют одинаковые по значению, но противоположные по знаку заряды и что все другие провод­ники бесконечно удалены.

Математическая форма записи последнего определения выглядит как

,

где С - электрическая емкость между двумя проводниками, Ф;

- электрический заряд одного проводника (электрода), К;

- разность электрических потенциалов двух электродов, В.

Конденсатор представляет собой устройство состоят из двух проводящих плоскостей (электродов), расположенных параллельно и разделенных диэлектриком. Электрическая емкость , Ф такого конденсатора будет определяться согласно выражению

,

где - относительная диэлектрическая проницаемость материала диэлектрика;

- универсальная диэлектрическая постоянная, Ф/м;

- площадь перекрытия проводящих плоскостей, м²;

- толщина диэлектрика, м.

При приложении к конденсатору постоянного напряжения про­исходит его заряд; при этом затрачивается определенная работа, вы­ражаемая в джоулях (Дж). Она равна запасенной потенциальной энергии

W=CU²/2

Конденсаторы так же, как и резис­торы, относятся к час­то применяемым радиокомпонентам. Благодаря свойству накапливать и отдавать электрическую энергию конденсаторы нашли широкое применение в качестве накопителей энергии в различных функциональных узлах электронных устройств.

2.2 Некоторые электрические параметры и характеристики конденсаторов

2.2.1 Номинальная емкость и допускаемое отклонение емкости

Номинальная емкость — емкость, значение которой обозначено на конденсаторе или указано в нормативно-технической документа­ции и является исходным для отсчета допускаемого отклонения.

Принцип формирования номинальных значений емкостей такой же, как у резисторов и базируется на геометрическом ряде.

Номинальные значения емкостей стандартизованы и выбирают­ся из рядов: ЕЗ; Е6; Е12; Е24; Е48; Е96; Е192.

В производстве конденсаторов чаще всего используются ряды ЕЗ, Е6, Е12 и Е24, реже Е48, Е96 и Е192. Некоторые специальные конденсаторы могут изготовляться на заданную ем­кость, которая указывается в документе на поставку .

Конденсаторы постоянной емкости изготовляются с номинальными значениями емкости от 1 пФ до десятков тысяч микрофарад, и эти значения указываются на конденсаторах.

Допустимое отклонение емкости конденсатора показывает отклонение в процентах от номинального значения. Конденсаторы широкого применения выпускаются с допустимым отклонением ± 5 %, ± 10 и ± 20 %, отдельные типы с допустимым отклонением емкости от номинального значения ± 2 % и менее. У некоторых электролитических конденсаторов допустимое отклонение составляет 50 % и более.

2.2.2 Номинальное напряжение

Номинальное напряжение — значение напряжения, обозначен­ное на конденсаторе или указанное в документе на поставку, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохране­нием параметров в допустимых пределах.

Для конденсаторов с номинальным напряжением 10 кВ и менее значения номинальных напряжений устанавливаются согласно ГОСТ 9665-77 из ряда: 1; 1,6; 2,5; 3,2; 4; 6,3; 10; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 315; 350; 400; 450; 500; 630; 800; 1000; 1600; 2000; 2500; 3000; 4000; 5000; 6300; 8000; 10000 В. Эти значения составлены на основе геометрических рядов, принятых при простановке размеров на чертежах, R5, R10 и R20 со знаменате­лями прогрессии, равными ≈ 1,6; ≈ 1,25 и ≈ 1,12.

2.2.3 Тангенс угла потерь

При прохождении через реальный конденсатор переменного тока, напряжение и ток оказываются сдвинутыми по фазе на угол , по величине меньший, чем на 90°. Угол, дополняющий фазовый до 90°, называется углом потерь .

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

где — угол сдвига фаз между током и напряжением в цепи конденсатор — источник тока;

— угол потерь, дополняющий до 90° угол сдвига фаз .

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).

2.2.4 Эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора

Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС) - один из параметров конденсатора, характеризующий его активные потери в цепи переменного тока . В эквиваленте его можно представить, как включенный последовательно с идеальным конденсатором резистор, сопротивление которого определяется, главным образом, диэлектрическими потерями, а так же сопротивлением обкладок, внутренних контактных соединений и выводов конденсатора. В англоязычной аббревиатуре ESR - Equivalent Series Resistance.

Потери в диэлектрике, обусловленные особенностями его поляризации, составляют основную часть потерь в конденсаторе и определяются материалом, а так же толщиной слоя диэлектрика.

Частицы диэлектрика, обладающие зарядом, под воздействием переменного электрического поля вынуждены совершать непроизвольные механические колебания, обусловленные их переориентацией и смещением (поляризацией). В слоях диэлектрика, близких к обкладкам, заряды, не покидая своих связей, активно участвуют в общем процессе перезаряда конденсатора. По сути уменьшается толщина реального диэлектрика. В результате существенно повышается ёмкость конденсатора но, по причине инертности и внутреннего трения связанных частиц, процессы сопровождаются выделением тепла и потерями энергии в токопроводящих слоях диэлектрика. С увеличением частоты, диэлектрические потери пропорционально возрастают. В результате угол сдвига фаз между током и напряжением составит не 90°, как в идеальном конденсаторе, а несколько меньше. Тангенс угла δ, составляющего эту разницу с 90°, называют тангенсом угла диэлектрических потерь. Аналогичный сдвиг происходит в цепи при последовательном включении конденсатора и резистора, как показано на рисунке 2.25. В связи с этим для расчётов принято понятие последовательного эквивалентного сопротивления ESR, в котором диэлектрические потери суммируются с активным сопротивлением обкладок, соединений и выводов, представляя собой по сути резистор, подключенный последовательно с конденсатором.

Рисунок 1 - Эквивалентная схема реального конденсатора и векторные диаграммы

Тангенс угла потерь определится соотношением R/Xc, как тригонометрическая функция отношения двух катетов треугольника сопротивлений, показанного на рисунке 1. Значение R составляет от единиц мОм до единиц Ом.