Лабораторные работы №1,2,3,6,7,8 / мээт-6

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет.

Кафедра Микроэлектроники.

Отчёт по лабораторной работе № 6.

Выполнил: Комиссаров С.С. гр. 9221

2000 г.

Исследование свойств конденсаторных материалов.

Основные понятия и определения

Конденсаторные материалы применяются в качестве рабочего диэлектрика в конденсаторах. К основным параметрам конденсатора относят его ёмкость С, температурный коэффициент ёмкости _с, тангенс угла потерь tg. Значения этих параметров во многом определяются свойствами используемого диэлектрического материала.

Ёмкость конденсатора С определяется как отношение накопленного в нём заряда Q к напряжению U, приложенному к электродам, и зависит от конструкции и геометрических размеров конденсатора, а также от диэлектрической проницаемости диэлектрика. Ёмкость простейшего плоского конденсатора с электродами, имеющими форму квадрата, (1), где ₀ = 8.85 10-12 Ф/м – электрическая постоянная;  – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; l – сторона квадрата; h – толщина диэлектрика. Как следует из этого выражения, для увеличения ёмкости конденсатора при минимальных его размерах и прочих равных условиях необходимо применять материалы с возможно большим значением диэлектрической проницаемости.

Температурный коэффициент ёмкости _с отражает отклонение ёмкости, обусловленное изменением температуры и, следовательно, характеризует температурную стабильность ёмкости конденсатора. Общее определение этого параметра соответствует выражению:

, или:

_с=_+2_М-_Д , где – температурные коэффициенты диэлектрической проницаемости диэлектрика, линейного расширения металла электродов и линейного расширения диэлектрика соответственно. В металлизированных конденсаторах используется слой металла, непосредственно нанесённый на диэлектрик, изменение размеров электродов будет определяться расширением диэлектрика, а не металла. В этом случае можно считать _М = _Д, и температурный коэффициент ёмкости будет: _с=_+_Д . Поскольку значение ёмкости определяется суммой различных механизмов поляризации диэлектрика, температурная зависимость ёмкости может носить различный характер. Поэтому параметр _с может быть положительным, отрицательным или близким к нулю, что, как правило, определяется типом используемого диэлектрика. Для повышения температурной стабильности ёмкости конденсатора желательно, чтобы материал, применяемый для его изготовления, имел возможно меньшее значение температурного коэффициента диэлектрической проницаемости.

При включении конденсатора под напряжение в нём наблюдается потеря электрической энергии, приводящая к его нагреванию. Потери энергии складываются из потерь в диэлектрике и потерь в проводящих частях конденсатора. Для описании потерь на переменном напряжении обычно используют тангенс угла потерь tg, где  – угол, дополняющий до 90 угол сдвига фаз между действующим на конденсатор напряжением и проходящем через него током. Параметр tg характеризует склонность конденсатора рассеивать энергию и, в конечном счёте, определяет возможность использования конденсатора в заданном диапазоне частот.

Различают высокочастотные и низкочастотные конденсаторные материалы. В качестве высокочастотных применяются неполярные полимеры, ионные диэлектрики с плотной упаковкой ионов итд. В них при высоких частотах главную роль играет электронная или ионная поляризация; потери энергии обусловлены в основном электропроводностью. Такие материалы имеют малое значение tg. К низкочастотным материалам относятся полярные полимеры, диэлектрики с сегнетоэлектрическими свойствами итд. В области низких частот в них преобладающими являются замедленные механизмы поляризации; потери энергии носят релаксационных характер. Материалы этой группы характеризуются повышенным tg, но обладают весьма высокой диэлектрической проницаемостью, что позволяет изготавливать на их основе конденсаторы большой ёмкости с малыми габаритами.

В настоящей работе измеряются параметры металлизированных конденсаторов, в которых в качестве рабочего диэлектрика используются исследуемые материалы.

Описание установки

Испытательная установка состоит из пульта измерителя ёмкости. В пульте находится термостат, температура в котором может изменяться ступенями с помощью переключателя «установка температуры». Температура в термостате измеряется с помощью термопары, подключённой к расположенному на пульте прибору, проградуированному в градусах Цельсия.

В термостате размещены конденсаторы С₁…С₅, рабочими диэлектриками в которых являются исследуемые материалы. Термостат имеет выводы «С», расположенные на панели пульта и предназначенные для соединения с измерителем ёмкости. Используемые конденсаторы поочерёдно могут быть подключены к этим выводам с помощью переключателя. В положении переключателя С₀ может быть измерена ёмкость проводников, соединяющих образцы в термостате с прибором.

В качестве измерителя ёмкости может быть применён любой прибор, позволяющий измерять ёмкость с точностью до 0,1 пФ. Часто такие приборы позволяют не только измерить ёмкость образцов, но и потери в них, характеризуемые значениями tg. Широкое распространение на практике получили электронные измерители ёмкости (или ёмкости и tg) с цифровым отсчётом. Как правило, каждый из таких приборов предназначен для измерения ёмкости и tg на определённой фиксированной частоте.

Проведение испытания

Подготовка к испытанию

Переключатель образцов на пульте установить в положение «С». Включить прибор для измерения ёмкости и подготовит его к работе в соответствии с инструкцией по эксплуатации. Отметить частоты на которой производится измерение ёмкости. Пользуясь прибором в соответствии с инструкцией по эксплуатации, измерить ёмкость проводников, соединяющих образцы в термостате с прибором (С₀).

Измерение ёмкости и tg при комнатной температуре

Отметить значение комнатной температуры. Переключатель образцов на пульте установить в положение соответствующее определённому материалу и произвести измерение. Емкость образца будет равна разности показания прибора и ёмкости С₀. Измерить ёмкости всех образцов при комнатной температуре. Произвести измерение tg для всех образцов. Результаты измерений занести в таблицу 1.

Определение температурных зависимостей ёмкости и tg

Поставить переключатель «установка температуры» в крайнее левое положение. Включить на пульте тумблер «нагрев». После прекращения роста температуры отметить значение установившейся температуры и провести измерение ёмкости и tg всех образцов. Результаты измерения занести в таблицу 1.

Поочерёдно переключая тумблер «установка температуры» в следующее положение (вплоть до крайнего правого), повторить измерения при других установившихся температурах.

Обработка результатов

1. По полученным экспериментальным данным, построить зависимости ёмкости всех образцов от температуры, откладывая по оси абсцисс температуру в градусах Цельсия, а по оси ординат – ёмкость образца в пикофарадах.

2. По полученным экспериментальным данным построить температурную зависимость tg всех образцов.

3. Рассчитать температурный коэффициент ёмкости для исследованных образцов. Пользуясь выражением (2). Для материалов, имеющих близкую к линейной зависимость ёмкости от температуры достаточно определить 4-5 значений _с. Для материалов, имеющих сложную нелинейную зависимость от температуры, следует вычислить 7-8 значений. При этом следует отметить характерные точки. Результаты расчёта занести в таблицу 2.

4. По полученным данным, пользуясь (4) рассчитать температурный коэффициент диэлектрической проницаемости _ для всех материалов. Результаты занести в таблицу 2.

5. По данным таблицы 2 построить зависимость температурного коэффициента диэлектрической проницаемости _ от температуры для всех материалов.

Таблица 1.

t, C	Образцы
	2		2		3		4		5
	C, пФ	tg 10-4	C, пФ	Tg 10-4	C, пФ	tg 10-4	C, пФ	tg 10-4	C, пФ	tg 10-4
24	1466,2	20	1067,3	15	1356,8	7	11127	4	4099	225
35	1468,1	20	1067,4	14	1342,5	7	11116	4	4876	141
44	1469,2	23	1067,6	14	1330,1	8	11105	4	5800	234
52	1472,8	22	1067,9	14	1317,8	8	11083	4	7400	354
60	1474,4	23	1068,2	16	1310,9	7	11066	4	14830	138
68	1475,5	23	1068,3	16	1302,1	8	11052	4	8080	87
76	1478,1	24	1068,5	18	1288,5	9	11026	4	6599	74
84	1479,6	25	1068,7	20	1282,9	10	11007	3	4410	31
92	1481,6	25	1068,8	23	1277,1	11	10987	4	3933	29
100	1483,3	27	1068,9	27	1270,1	12	10961	4	3312	29

Таблица 2.

t, C	Материалы
	Неорганическое стекло Д =310-6 K-1		Слюда Д =13,510-6 K-1		Тиконд Д =810-6 K-1		Полипропилен Д =1,110-4 K-1		Сегнетокерамика Д =1210-6 K-1
	с		с		с		с		с	
24	0,173	0,173	0,009	0,009	-1,300	-1,300	-1,000	-1,000	70,636	70,636
35	0,122	0,122	0,022	0,022	-1,378	-1,378	-1,222	-1,222	102,667	102,667
44	0,450	0,450	0,038	0,037	-1,537	-1,538	-2,750	-2,750	200,000	200,000
52	0,200	0,200	0,037	0,037	-0,862	-0,863	-2,125	-2,125	928,750	928,750
60	0,137	0,137	0,012	0,012	-1,100	-1,100	-1,750	-1,750	0,000	0,000
68	0,325	0,325	0,025	0,025	-1,700	-1,700	-3,250	-3,250	-843,750	-843,750
76	0,188	0,187	0,025	0,025	-0,700	-0,700	-2,375	-2,375	-185,125	-185,125
84	0,250	0,250	0,012	0,012	-0,725	-0,725	-2,500	-2,500	-273,625	-273,625
92	0,213	0,212	0,013	0,012	-0,875	-0,875	-3,250	-3,250	-59,625	-59,625

Вывод: У слюдяного конденсатора и у конденсатора с диэлектриком из органического стекла ёмкость с увеличением температуры растёт. У конденсатора с полипропиленовым диэлектриком и с диэлектриком из тиконда ёмкость уменьшается с ростом температуры. Наиболее интересные явления наблюдаются у сегнетокерамики, ёмкость такого конденсатора растёт до некоторой температуры (60C), далее уменьшается т.к. уменьшается диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика. Это связанно с исчезновением спонтанной поляризации в сегнетоэлектрике после достижения точки Кюри.