Исключительным материалом, имеющим специальные свойства, является керамика с высокой диэлектрической проницаемостью. Высокое значение ε у этого материала сохраняется при частотах до многих тысяч мегагерц, но в то же время он обладает очень высокой индуктированной поляризацией. При некотором напряжении молекулярная структура искажается настолько, что становится чрезвычайно чувствительной к температуре, механическому давлению и приложенному напряжению. В этих условиях диэлектрическая проницаемость возрастает до очень высоких значений.
Потери возникают за счет тока утечки, диэлектрической абсорбции и тому подобных явлений в зависимости от частоты рабочего напряжения.
Изменение ε с частотой незначительно до тех пор, пока потери малы. Потери увеличиваются, когда столкновения молекул затрудняют их ориентацию в электрическом поле; при этом диэлектрическая проницаемость падает,
Вязкость молекулярной структуры ограничивает частоту, при которой может происходить полная ориентация диполей. Если приложенное напряжение имеет частоту, сравнимую с этим граничным значением, то потери резко возрастают. Сопротивление, эквивалентное потерям, может быть введено как в последовательную, так и в параллельную эквивалентную схему. Это зависит от способа измерения при заданном частном значении частоты. Важным критерием является отношение:
Мощность, затраченная за один период
Мощность, запасённая за один период
Эта величина называется коэффициентом мощности материала и для хороших диэлектриков не зависит от частоты. Когда через конденсатор протекает переменный ток, векторы тока и напряжения сдвинуты один по отношению к другому меньше чем на 90°. Это фазовый угол φ. Угол δ, дополняющий фазовый угол φ до 90°, называется углом потерь. Косинус фазового угла или синус угла потерь равен коэффициенту мощности. Поэтому диэлектрические потери могут быть представлены в виде произведения: UIcos φ или UIsinδ. Обычно угол потерь так мал (при значении коэффициента мощности менее 10%), что можно принять tgδ равным sinδ. Хотя более удобно выражать потери через tgδ, чем через cosφ, так как первый легче измерить, однако для характеристики диэлектрических потерь в конденсаторах используются оба обозначения. В идеальном конденсаторе, не имеющем диэлектрических потерь, δ = 0.
Коэффициент рассеивания (тангенс угла потерь)
где f – частота, Гц;
R – эквивалентное последовательное сопротивление, Ом;
С – емкость, мкФ.
Коэффициент мощности может быть представлен в виде отношения потерь в диэлектрике к произведению из приложенного напряжения на ток:
Общая потерянная (активная) мощность, Вт
Напряжение (действующее значение) * ток действующее значение
Поэтому коэффициент мощности рассчитывают по формуле:
где Pa – активная мощность, Вт;
f – частота, Гц;
C – емкость, мкФ;
U – напряжение, В.
Добротность конденсатора Q — величина, обратная значению tgδ. Она может быть представлена как отношение чисто реактивного сопротивления к эффективному сопротивлению, эквивалентному потерям.
Диэлектрическая абсорбция
Если конденсатор не обладает диэлектрической абсорбцией, то начальный заряжающий или поляризационный ток при постоянном напряжении
,
где i – ток, А, через время, τ;
U – приложенное напряжение, В;
R – сопротивление, эквивалентное потерям в конденсаторе при последовательной схеме замещения, Ом.
Поляризационный ток асимптотически снижается до нуля. Когда R мало, это происходит за малый промежуток времени, и конденсатор зарядится полностью.
Если полностью заряженный конденсатор мгновенно разрядить и оставить его выводы на некоторое время разомкнутыми, то во всех конденсаторах с твердым диэлектриком наблюдается накопление нового заряда, так как некоторая часть первоначального заряда была «поглощена» (абсорбирована) диэлектриком. Это явление называют диэлектрической абсорбцией. Оно приводит к определенному запаздыванию во времени в процессе зарядки и разряда.
Диэлектрическая абсорбция происходит вследствие того, что на смещение связанных зарядов в диэлектрике из их нормального положения требуется некоторое конечное время, так как вязкость вещества (внутреннее трение) препятствует их движению. Время установления поляризации различно для разных диэлектриков — поляризация может установиться или почти мгновенно или в течение многих часов. В одном и том же диэлектрике несколько электронов или ионов может приобрести способность к свободному перемещению после промежутка времени, исчисляемого секундами или даже сутками. Явление усложняется еще и тем, что, например, в случае бумажных пропитанных конденсаторов время установления поляризации бумаги и пропиточной массы оказывается различным.
Диэлектрическая абсорбция вызывает уменьшение емкости при повышении рабочей частоты и появление нежелательной задержки во времени в некоторых импульсных схемах или цепях, требующих быстрой смены зарядки и разряда.
Ток утечки и постоянная времени конденсаторов
При использовании конденсатора в цепи постоянного напряжения потери, обусловленные током утечки, приводят к тому, что при отключения источника энергии заряд стекает с обкладок. Время, в течение которого заряд уменьшается до e (или 36,8% его начального значения), определяется произведением RisC, где Ris — сопротивление изоляции конденсатора и С — его емкость. Если Ris выражено в мегомах, а С — в микрофарадах, то величина RiSC — постоянная времени — будет выражена в секундах. Она может быть также выражена в МОм*мкф или Ом*ф. Конденсаторы разных типов имеют следующие характерные значения постоянной времени RisC:
Полистирольные конденсаторы ............................................... Несколько дней
Бумажные конденсаторы.......................................................... Несколько часов
Тацталовые объемно-пористые электролитические конденсаторы ….1 или 2 ч
Конденсаторы из керамики с высокой диэлектрической проницаемостью…………………………………………………………...Несколько минут
Алюминиевые электролитические конденсаторы с нетравлеными анодами………………………………………………………...Несколько секунд
Необходимо иметь в виду, что при емкостях меньше 0,1 мкф постоянная времени определяется в большей степени особенностями конструкции и внешнего оформления самого конденсатора, чем качеством диэлектрика. Ток утечки увеличивается с повышением температуры (примерно экспоненциально). Для хороших диэлектриков при комнатной температуре он весьма мал, и практически его трудно измерить, но при более высоких температурах ток утечки может стать заметным даже в конденсаторах с хорошим диэлектриком.
Сопротивление диэлектриков по постоянному току
Сопротивление диэлектрика постоянному току может быть охарактеризовано поверхностным удельным сопротивлением в омах или мегомах или удельным объемным сопротивлением в ом · см. Следует отметить, что сопротивление изоляции конденсаторов с хорошими диэлектриками (стекло, слюда и т. п.) может заметно уменьшиться при использовании для их конструктивного оформления материалов с пониженным удельным сопротивлением, таких, как фенольные смолы, особенно в условиях воздействия высокой влажности или температуры.
Электрическая прочность материала определяется величиной напряженности поля, при которой происходит пробой. Напряженность поля в киловольтах на 1 мм (или вольтах на 1 мк), при которой пробивается диэлектрик, зависит от толщины материала, температуры, частоты и формы волны испытательного напряжения, метода проведения испытания и пр. Поэтому сравнивать различные материалы в идеале следует на образцах равной толщины и в идентичных условиях измерения.
Для определения электрической прочности к образцу, в котором сделаны углубления для того, чтобы получить возможно более однородное распределение поля, через электроды, армированные охранными кольцами, подводится постепенно повышающееся напряжение. Подготовка образцов играет весьма важную роль.
В качестве практического предела электрической прочности материала удобно принять напряжение начала разрядов, выше которого с течением времени начинает развиваться пробой. Это напряжение обычно много ниже предельной электрической прочности при кратковременном приложении напряжения. При напряжении выше начального разрядного возникает корона и начинается прогрессирующее разрушение материала. Испытание методом определения начального напряжения разрядов имеет то преимущество, что является «неразрушающим» испытанием, поскольку корона вызывает высокочастотные колебания, которые можно наблюдать и измерять, не доводя образец до пробоя. Электрическая прочность материала всегда уменьшается, если он работает в условиях высокой температуры или повышенной влажности. Немногие материалы полностью однородны, и обычно пробой связан с прохождением тока утечки вдоль определенного малого участка материала; этот участок нагревается, что приводит к быстрому разрушению или к искрению вдоль поверхности и, следовательно, к обугливанию органического материала. Неорганические материалы, такие, как стекло, керамика и слюда, обычно устойчивы против этой формы пробоя. Очень важно время приложения напряжения. Большинство диэлектриков при кратковременных воздействиях выдерживает значительно более высокие напряжения, чем при длительной работе. С увеличением частоты электрическая прочность падает, особенно при радиочастотах, в зависимости от коэффициента мощности материала и т. п.
Влияние частоты на диэлектрики и готовые конденсаторы
В области очень низких и очень высоких частот наблюдается увеличение потерь, которое практически ограничивает использование конденсатора с любым диэлектриком. При очень низких частотах в диэлектрике становятся заметными различные формы утечки, такие, как ток утечки на постоянном токе и долговременные поляризационные явления, которых не бывает на высоких частотах. При очень высоких частотах некоторые процессы, связанные с поляризацией диэлектрика, не успевают полностью проявиться и поэтому вызывают потери.
