Электроника и схемотехника, учебное пособие, Щ.А.С., О.А.Г

31

Реактивная мощность трехфазного конденсатора при синусоидальном напряжении определяется по формуле Q = (Uл)2ωC (ГОСТ 1282-79), где Uл — линейное напряжение в цепи для трехфазного конденсатора; ω - угловая частота; С — емкость однофазного конденсатора; С = 2/3 (С12 + С23 + С13) - значение емкости трехфазного конденсатора (ГОСТ 1282-79); С12, С23, С13 — значения емкостей, измеренных между выводами трехфазного конденсатора.

При соединении в треугольник однофазных конденсаторов суммарная реактивная мощность группы конденсаторов вычисляется по формуле Q = 3(Uл)2ωCфаз, а при соединении в звезду QY = (Uл)2ωCфаз, где Uл - линейное напряжение в трехфазной цепи переменного тока; Cфаз – суммарная ѐмкость на одну фазу группы конденсаторов.

При несинусоидальном напряжении для однофазного конденсатоpa

, a Q , где Uk,, Сk, – действующее значение

напряжения, емкости и тангенса угла потерь на частоте k-й гармоники ωk =kω1.

Энергия конденсатора. Накопленная при заряде энергия равна W = СUг/2, где С - емкость конденсатора, Ф; U - напряжение на обкладках, В. Единицей измерения энергии конденсаторов является джоуль (Дж).

Полное сопротивление является важным параметром для фильтровых, проходных помехоподавляющих конденсаторов и вычисляется по формуле: , где rs — эквивалентное последовательное активное сопротивление конденсатора; хC=1/ωCs и хL=ωL - реактивные емкостное и индуктивное сопротивления конденсатора; Сs, L — емкость и индуктивность в последовательной схеме замещения. Самая низкая частота ω, при которой реактивное сопротивление конденсатора х = хс - xL= 0, называется основной резонансной частотой конденсатора. На частотах ниже резонансной полное сопротивление конденсатора имеет емкостный характер, а на частотах выше резонансной - индуктивный.

Вносимое затухание и сопротивление связи [19] — это величины, характеризующие способность помехоподавляющих конденсаторов подавлять помехи переменного тока заданной частоты.

Вносимое затухание А = 20 lg (U1 /U2), где U1 и U2 — напряжения на нагрузке электрической цепи до и после включения конденсатора в эту цепь.

Сопротивление связи ZCB введено для многовыводных (трех- и четырехвыводных) конденсаторов и равно ZCB = Uвых/Iвх, где Uвых - напряжение на разомкнутом выходе помехоподавляющего конденсатора, а Iвх - переменный ток на входе конденсатора:

Вносимое затухание и сопротивление связи зависят от частоты, емкости, индуктивности, добротности и конструкции конденсаторов, а также от выходного сопротивления генератора и сопротивления нагрузки.

33

электрическими нагрузками, климатическими и механическими факторами внешней среды, специальными факторами (например, ионизирующие излучения).

Требования к конденсаторам в части воздействия указанных факторов приводятся в технических условиях (ТУ) и стандартах на каждый тип конденсаторов.

Условия эксплуатации в части воздействия климатических и механических факторов регламентируются в ГОСТ 15150-69, ГОСТ 15543-70, ГОСТ 16962-72, ГОСТ 17799-72, ГОСТ 4401-73.

Климатические факторы внешней среды. К климатическим факторам относятся: температура, влажность воздуха, давление окружающей среды (воздуха или газа), действие плесневых грибков, солнечная радиация, дождь, ветер, пыль (в том числе снежная), соляной туман, иней, содержание в воздухе коррозионно-активных агентов.

В зависимости от условий эксплуатаций предусматривают следующие климатические исполнения изделий, в том числе и конденсаторов (приводятся буквенные русские обозначения; в скобках приведены обозначения, принятые в некоторых странах — участницах СЭВ) - ГОСТ 15150-69.

Для эксплуатации на суше, реках и озерах: У (N) — для макроклиматических районов с умеренным климатом; ХЛ (F) — для макроклиматических районов с холодным климатом; ТВ (ТН) — для микроклиматических районов с влажным тропическим климатом; ТС (ТА) — для микроклиматических районов с сухим тропическим климатом; Т (Т)

— для макроклиматических районов как с сухим, так и влажным тропическим климатом; О (U) — для всех макроклиматических районов на суше (общеклиматическое исполнение).

Для эксплуатации на морских судах: М (М) — для микроклиматических районов с умеренно холодным морским климатом; ТМ (МТ) — для макроклиматических районов с тропическим морским климатом, для судов каботажного плавания или иных, предназначенных для плавания только в тропической зоне; ОМ (MU) — для неограниченного района плавания; В (W) — для всех микроклиматических районов на суше и на море.

Конденсаторы в приведенных выше климатических исполнениях в зависимости от места размещения при эксплуатации изготавливают по категориям, приведенным в ГОСТ

15150-69 и [14].

Климатические факторы внешней среды характеризуются следующими значениями: нормальными, номинальными, рабочими и предельными.

Нормальные значения - это уточненные для использования в технике естественно изменяющиеся значения климатических факторов в пределах данной географической зоны с учетом места размещения конденсатора.

Номинальные значения - это нормируемые в технических заданиях (ТВ), стандартах или ТУ значения климатических факторов (естественно изменяющиеся или неизменные),

34

в пределах которых обеспечивается нормальная эксплуатация конденсаторов.

Рабочие значения - это естественно изменяющиеся или неизменные значения климатических факторов, в пределах которых обеспечивается сохранение требуемых номинальных параметров и экономически целесообразных сроков службы конденсаторов.

Предельные значения - это значения климатических факторов, в пределах которых конденсаторы могут (чрезвычайно редко и в течение не более 6 ч) оказаться при эксплуатации и должны при этом: а) сохранять работоспособность, но могут не сохранять требуемой точности и номинальных параметров; б) после прекращения действия этих предельных значений восстанавливать требуемую точность и номинальные параметры.

Номинальные значения климатических факторов внешней среды при эксплуатации изделий приведены в ГОСТ 15150-69.

Для покрытия поверхностей, подвергаемых нагреву солнцем, верхнее и среднее значения рабочей и предельной температур должны приниматься выше, чем указано в ГОСТ 15150-69 для изделий категории 1, на следующие величины: для поверхностей, имеющих белый или' серебристо-белый цвет - на 15 °С; для поверхностей, имеющих иной, кроме белого или серебристо-белого, цвет — на 30 °С.

Изменения температуры окружающего воздуха за 8 ч составляют: для исполнений У, ХЛ, ТС, ОВ - 40 °С, для исполнений ТВ, ТМ - 10 °С, для исполнений М, ОМ - 30 °С.

Кроме внешней температуры (температуры окружающего воздуха), на конденсаторы воздействует тепловыделение других сильно нагревающихся в процессе эксплуатации аппаратуры радиодеталей. Поэтому температура окружающего конденсатор воздуха в блоках аппаратуры может намного превышать предельные значения.

Под температурой окружающего воздуха для встроенных элементов понимают: температуру воздуха в точке, удаленной на 15 — 20 мм от конденсатора, если другие тепловыделяющие радиодетали расположены на расстоянии не ближе 30 мм; в случае плотного монтажа, когда расстояние между конденсатором и радиодеталью меньше 30 мм, принимается средняя между ними температура.

Нормирование условий эксплуатации по влажности. Технические условия и стандарты на конденсаторы обычно оговаривают максимально допустимое значение относительной влажности при конкретной температуре. В табл. 2.1 приведены значения относительной влажности внешней среды, отражающие условия эксплуатации (температуру, климатическое исполнение, категорию размещения, продолжительность воздействия) и соответствующие степени жесткости (ГОСТ 15150-69; ГОСТ 16962-71).

В ряде случаев большое влияние на эксплуатационные характеристики конденсаторов оказывает давление окружающей среды.

При эксплуатации конденсаторов в наземных условиях рабочее значение атмосферного давления составляет 865 — 1070 гПа •650 - 800 мм рт. стф нижнее предельное значение —

35

840 гПа 630 мм рт. ст.) (нормальная высота над уровнем моря не должна превышать 1000

м).

Конденсаторы, которые могут в условиях эксплуатации подвергаться непосредственному облучению солнцем, должны быть устойчивы к воздействию солнечной радиации, характеризующейся для высот до 15 км включительно верхними значениями интегральной плотности теплового потока 1125 Вт/м2 [0,027 калДсм2 • с)], в том числе плотности потока ультрафиолетовой части спектра (длина волны 280 - 400 мкм) 42 Вт/м2 [0,001 калДсм2 •

с)].

Таблица 2.1

Конденсаторы, предназначенные для работы в открытых установках, должны быть устойчивы к воздействию дождя, Верхнее значение силы которого составляет: для исполнений ТВ, Т, ОМ, ТМ, В - 5 мм/мин, для исполнений У. ХЛ, ТС - 3 мм/мин. Интенсивность падения капель (верхнее рабочее значение) ,дяя изделий исполнений М, ТМ, ОМ категории размещения 5 составляет 0,4 мм/мин при угле от 90 до 45° к горизонту.

Плотность озона в приземном (приводном) слое воздуха (верхнее рабочее значение) для исполнений ХЛ, ТВ, Т, О, ТМ, М, ОМ, В - составляет 40 мкг/м3, исполнений ТС, У - 20 мкг/м3. Верхнее предельное значение скорости ветра составляет 50 м/с.

На эксплуатационные характеристики конденсаторов в ряде случаев оказывает большое влияние газовый состав окружающей среды. Содержание в атмосфере на открытом воздухе коррозионно-активных агентов приведено в ГОСТ 15150-69.

36

Механические факторы. К механическим факторам, влияющим на работоспособность конденсаторов при их эксплуатации, относятся: вибрационные нагрузки, ударные (многократные, одиночные) нагрузки, линейные (центробежные) нагрузки.

Значения механических воздействий установлены в ГОСТ 16962-71 и ГОСТ 17516-72 для изделий электронной техники и электротехники, в том числе и для конденсаторов. Испытания конденсаторов на ударную прочность проводят с общим количеством многократных ударов 10000 для степеней жесткости I, II, 4000 - для степеней жесткости Ш и ГУ и 9 - для одиночных ударов.

Особенностью конденсаторов является то, что они относятся к изделиям массового применения и используются для комплектации аппаратуры и устройств различного назначения. Поэтому конструкции конденсаторов проектируются с расчетом на максимальную степень жесткости для каждого из видов воздействующих нагрузок.

Специальные факторы (ионизирующие излучения). При применении конденсато-

ров в устройствах атомной энергетики, в электрофизической аппаратуре ускорителей, космической электронике возникают требования, связанные с их радиационной стойкостью к воздействию различного рода излучений.

Врезультате действия ионизирующего излучения в конденсаторе происходит образование зарядов различных знаков, возникают радиационные повреждения, приводящие в итоге к временным (обратимым) или остаточным изменениям его электрических параметров. Основными видами излучений, которым подвергаются конденсаторы при применении в современной аппаратуре, являются: гамма- 1 излучение, потоки нейтронов, протонов, электронов, дейтронов, -частиц. Гамма-излучение обладает высокой проникающей способностью. |

Вконденсаторах с органическими диэлектриками при облучении проявляются химические радиационные эффекты, приводящие к изменению химического строения диэлектрика. Наименее устойчивыми к излучению являются бумажные конденсаторы (особенно пропитанные хлорированными жидкостями). Бумажные конденсаторы примерно на 2 - 3 порядка более чувствительны к излучению, чем конденсаторы с неорганическим диэлектриком.

Конденсаторы с пленочным диэлектриком (полиэтилентерефталат, полистирол, полиэтилен) примерно в 10 раз более чувствительны к излучению, чем конденсаторы с неорганическим диэлектриком. Наиболее стойкими к излучению среди этого класса конденсаторов являются полистирольные.

Конденсаторы с оксидным диэлектриком, как показали исследования, могут находиться длительное время под воздействием облучение

Танталовые конденсаторы обладают большей радиационной стойкостью, чем алюминиевые.

37

В процессе облучения емкость танталовых и алюминиевых электролитических конденсаторов изменяется в пределах —10ч- +25 и — 6 ч- + 65 % соответственно.

2.7.ОСНОВНЫЕСВЕДЕНИЯОНАДЕЖНОСТИКОНДЕНСАТОРОВ

Основные показатели, термины и определения в области надежности технических изделий определены Г ОСТ 18322-78, ГОСТ 21623-76, ГОСТ 27002-83.

Под надежностью изделия понимается его свойство выполнять заданные функции при сохранении эксплуатационных показателей в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки, т. е. эксплуатации или испытания. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения изделия и условий его эксплуатации может включать такие свойства, как ремонтопригодность, сохраняемость, долговечность и безотказность, в отдельности или в определенном сочетании. Эти свойства являются качественными характеристиками' надежности.

Под неремонтопригодным изделием понимается изделие, работоспособность которого в случае отказа либо не поддается, либо не подлежит восстановлению в пределах срока службы.

Сохраняемость — это свойство изделия сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после гранения и транспортирования.

При хранении конденсатора в условиях, установленных технической документацией, его сохраняемость высока и она практически не оказывает влияния на его надежность. Таким образом, надежность электрического конденсатора определяется только его долговечностью и безотказностью.

Долговечность — это свойство конденсатора сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния, которое определяется невозможностью его дальнейшей эксплуатации, обусловленной неустранимым нарушением требований безопасности или неустранимым снижением эффективности, например недопустимым изменением одного из таких параметров, как сопротивление изоляции, ѐмкость, тангенс угла потерь. Признаки (критерии) предельного состояли конденсаторов устанавливаются в НТД.

Безотказность — свойство конденсатора сохранять работоспособностъ в течение некоторого времени или некоторой наработки (продолжительности работы). Свойством безотказности конденсатор обладает как в период его использования, так и в периоды хранения и транспортирования.

Показателями долговечности конденсаторов являются ресурс и трок службы.

Ресурс — это наработка конденсатора до предельного состояния, сговоренного в технической документации.

Средний ресурс – математическое ожидание ресурса конденсатора.

38

Под сроком службы конденсатора понимается календарная продолжительность его эксплуатации до момента возникновения предельного состояния.

Интенсивностью отказов λ(t) называется плотность вероятности возникновения отказа конденсатора, определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не возник.

Обычно конденсаторы в различных устройствах работают при меньших нагрузках (электрических, тепловых, механических), чем это допускается ТУ. В этой связи их эксплуатационная надежность оказывается выше указанной в НТД. Поэтому количественные показатели надежности (интенсивности отказов), приводимые в ТУ на конденсаторы, предназначаются в основном для контроля уровня производства. Для оценки надежности конденсаторов в эксплуатационных режимах при расчете надежности устройства часто используются поправочные коэффициенты к коэффициентам, полуденным при лабораторных испытаниях. Ориентировочно принято, что отношение интенсивности отказов конденсаторов при их эксплуатации к гарантированным ТУ значениям составляет 0,01 для стационарной и полустационарной, 0,04 — для корабельной и 0,4 — для самолетной аппаратуры [17].

3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ С ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ

3.1. КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ И ДРОССЕЛИ

Индуктивность в электродинамике (коэффициент самоиндукции) (от лат. inductio — наведение, побуждение) — параметр электрической цепи, определяющий величину ЭДС самоиндукции, наводимой в цепи при изменении протекающего по ней тока и (или) при еѐ деформации. Термин «индуктивность» употребляется также для обозначения элемента цепи (двухполюсника), определяющего еѐ индуктивные свойства (синоним — катушка самоиндукции).

Индуктивность является количественной характеристикой эффекта самоиндукции, открытого независимо Дж. Генри в 1832 и М. Фарадеем в 1835. При изменении тока в цепи и (или) при еѐ деформации происходит изменение магнитного поля, которое, в соответствии с законом индукции, приводит к возникновению вихревого электрического поля E(r,t) с отличной от нуля циркуляцией U = - dФi/dt по замкнутым контурам, пронизываемым магнитным потоком Фi. Внутри проводника вихревое поле Е взаимодействует с порождающим его током и оказывает противодействие изменению магнитного потока (Ленца правило).

В важном частном случае токовой цепи, выполненной из проводов, толщина которых мала по сравнению с радиусами их изгибов или расстояниями между соседними проводами, можно считать, что структура токов и ближнего магнитного поля такая же, как и для прямого провода того же сечения (подобные проводники называются квазилинейными). Для квазилинейного провода кругового сечения Li=(μ0/8π)μil (l - длина провода, μi – маг-

39

нитная проницаемость проводника), а внешняя индуктивность может быть представлена как индуктивность взаимная двух параллельных бесконечно тонких проводящих нитей, одна из которых совпадает с осевой линией проводника, а другая совмещена с его поверхностью.

Катушка индуктивности — катушка из провода для получения в электрических цепях большой сосредоточенной индуктивности. По способу н а м о т к и и ф о р м е катушки индуктивности бывают: цилиндрические, плоские, прямоугольные, однослойные, многослойные и т. д. В зависимости от способа намотки катушка индуктивности обладает различной индуктивностью, сильно возрастающей с увеличением числа витков. Чем больше индуктивность, тем больше сопротивление катушки переменному току. Также катушки индуктивности бывают с магнитным сердечником и без магнитного сердечника. Наличие магнитного сердечника позволяет изменять индуктивное сопротивление катушки и выделить катушки индуктивности с подстройкой и без подстройки. При прочих равных условиях применение магнитного сердечника повышает индуктивность катушки, и это свойство широко используется для разных целей в цепях переменного тока. В зависимости от формы сердечника катушки делятся на тороидальные (кольцевой сердечник), броневые, когда катушка расположена внутри броневого сердечника, и цилиндрические, когда сердечник имеет форму цилиндра. Катушки индуктивности.являются необходимой составной частью колебательных контуров и других электрических схем. Принятое по ГОСТ 2.75574 изображение катушки индуктивности приведено ниже.

Примеры типичных электрических цепей и выражения для из индуктивностей приведены на рис. 3.1, где показаны передающие (длинные) линии, которые характеризуются погонной индуктивностью, т. е. индуктивностью на единице длины (=dL/dt): а – полосковая линия (а << h)

=μ0h/b, Гн/м; б – коаксиальный кабель (а << r 2) =(μ0/2π)[ln(r2/r1+0,25μi], Гн/м; в – двухпроводная линия =(μ0/π)[ln(d/a+0,25μi], Гн/м; г – круговой виток =μ0[ln(8R/r-2+0,25μi], Гн/м;

Рис. 3.1

Особое значение в электротехнике и радиотехнике имеют проволочные катушки с достаточно плотной намоткой – соленоиды, применяемые для увеличения индуктивности.