Известные и неизвестные параметры конденсаторов К15-20

Известные факты о конденсаторах К15-20

Высоковольтные многослойные керамические конденсаторы К15-20 с 1985 г. выпускают по техническим условиям ОЖО.460.204 ТУ два предприятия: АО «НИИ «Гириконд» [1] и ОАО «Завод «Реконд» [2]. В таблице 1 приведены основные электрические характеристики конденсаторов в зависимости от их габаритов.

В начале 2000‑х годов НИИ «Гириконд» разработал новые материалы для групп температурной стабильности емкости (ТСЕ) МП0 (диапазон рабочих температур — –60…+125 °C) и Н50 (диапазон рабочих температур –60…+85 °C), которые были внедрены в производство, в том числе и в конденсаторы К15-20. Это дало возможность заменить дорогие внутренние электроды из платины на более дешевый сплав серебра с палладием. Поэтому два варианта исполнения изделий имеют свои отличительные электрические характеристики, что необходимо иметь в виду потребителям при выборе предприятия-изготовителя. В таблице 2 приведен перечень материалов двух групп ТСЕ, используемых НИИ «Гириконд» [1] и заводом «Реконд» в настоящий период.

На рис. 1, приведенном в [1], допущена неточность в изображении температурной зависимости емкости в рабочем диапазоне температур. По ОЖО.460.204 ТУ температурный коэффициент емкости (ТКЕ) определяется в интервале +30…+85 °C. Предельные значения ТКЕ ±30×10^–6/°C дают отклонения ΔC/C при +85 °C, равные ±0,195%, а на графике прямые проходят через точки со значениями ординат ±0,6%. С учетом предельных отклонений ΔC/C при +125 °C не более ±1% температурную зависимость невозможно изобразить прямой линией. Пунктирной линией показан правильный характер температурной зависимости для этого типа материалов. Нелинейный вид кривых указывает на то, что понятие ТКЕ применимо только в узком диапазоне температур +30…+85 °C, а в рабочем диапазоне следует пользоваться понятием ТСЕ.

Рис. 1. Температурная зависимость емкости конденсаторов группы МП0 в диапазоне –60…+125 °C

Неизвестные факты о конденсаторах К15-20

Температурную зависимость емкости конденсаторов II типа принято аттестовать (по ГОСТ 28885-90, метод 1 и в соответствии с ТУ) на частоте 1 кГц, но при комнатной и более низких температурах имеет место зависимость емкости от частоты, которой не следует пренебрегать, что демонстрирует рис. 2а. Материалы СНМК и НСБС имеют сходный характер температурных зависимостей емкости, поэтому они отображены общими кривыми, относящимися к частотам 1 и 100 кГц. Температурные зависимости тангенса угла потерь (tgδ) конденсаторов (рис. 2б) демонстрируют его резкое возрастание при понижении температуры, но степени изменения tgδ материалов существенно различаются: в области температур выше +20 °C материал НСБС на обеих частотах имеет меньшие потери, а в области температур ниже +20 °C меньшими потерями обладает материал СНМК. В зависимости от преобладающего диапазона температур применения конденсаторов, следует выбирать материал с меньшим tgδ.

Рис. 2. Типовое изменение tgδ в зависимости от температуры емкости на примере конденсатора из материала СНМК с Cном = 68 нФ и Uном = 1,6 кВ (а) и тангенса угла потерь конденсаторов из разных материалов (б) на разных частотах

Анализ относительного изменения емкости конденсаторов из двух материалов в расширенном до +125 °C диапазоне температур показывает (рис. 3), что существует возможность перевода обоих материалов из группы Н50 в группу Н30 при неизменном (относительно ТУ) интервале рабочих температур –60…+85 °C. При повышении максимальной рабочей температуры до +125 °C материал СНМК также может быть аттестован по группе Н30, а материал НСБС остается в группе Н50 (табл. 3).

Рис. 3. Относительное изменение емкости конденсаторов из двух материалов в диапазоне температур –60…+125 °C на частоте 1 кГц

Частотная зависимость емкости и tgδ конденсаторов определялась с помощью прибора KEYSIGHT E‑4980A в диапазоне частот 20 Гц – 2 МГц. Низкая чувствительность прибора при потерях на уровне 3×10^–4 и ниже не позволила определить значения tgδ для материалов группы МП0 на частотах менее 1 кГц. Материал НСБС имеет бóльшую частотную зависимость емкости и тангенса угла потерь в сравнении с материалом СНМК (рис. 4). Материалы группы МП0 частотной дисперсией емкости не обладают. Материал Н100 в диапазоне частот >1 кГц имеет значения tgδ большие, чем материал ТБНВ.

Рис. 4.
а) Типовая зависимость емкости;
б) типовая тангенса угла потерь от частоты для конденсаторов К15-20, выполненных на основе различных видов керамики (на примере Cном = 150 пФ × 4 кВ для группы МП0 и Cном = 6800 пФ × 4 кВ для группы Н50)

В электрические потери конденсатора вклад вносит как диэлектрик, так и электроды, что выражается формулой [4]:

tgδ = tgδ_д+tgδ_м = ωCr_s,

где r_s — эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС) конденсатора. Для конденсаторов группы МП0 потери на частотах менее 1 МГц определяются диэлектриком (рис. 4б). При более высоких частотах tgδ обусловлен потерями в электродах. Для конденсаторов группы Н50 характерен рост потерь в диэлектрике во всем рассмотренном диапазоне частот. На частотах выше 1 МГц дополнительно накладываются потери за счет электродов. Значения tgδ на частотах собственного последовательного резонанса (f_s) конденсаторов получены расчетным путем из графиков зависимости коэффициентов передачи S₂₁ от частоты (рис. 5). Приведенные на графике кривые дают значения f_s, равные 6 и 100 МГц, однако на величину f_s влияет и индуктивность измерительной камеры L_к, включенной последовательно с конденсатором в разрыв коаксиальной линии. За вычетом индуктивности L_к = 2,65 нГн частота собственного резонанса конденсаторов (при длине каждого проволочного вывода 5 мм) будет, соответственно, равна 7 и 110 МГц.

Рис. 5. Зависимость от частоты коэффициента передачи S21 конденсаторов К15-20 6800 пФ × 4 кВ с габаритами 12×10 мм из материалов СНМК и НСБС и 150 пФ × 4 кВ с габаритами 8×6 мм из материалов Н-100 и ТБНВ

Электроды из Pt обеспечивают меньшие значения ЭПС, чем электроды из сплава Ag с Pd. Это обусловлено тем, что для исключения расслоения корпусов конденсаторов при спекании в металлические электроды добавляется разное количество керамических порошков (СНМК или НСБС). В электроды конденсаторов группы МП0 порошки керамики не добавляются, поэтому значения ЭПС и tgδ на резонансной частоте у них близкие.

Конденсаторы могут функционировать на частотах выше f_s, но при этом у них будет преобладать индуктивный характер импеданса.

Емкость и tgδ конденсаторов I типа не зависит от постоянного и переменного напряжения с низкой частотой. Емкость конденсаторов II типа зависит от постоянного смещающего напряжения. У конденсаторов из материала НСБС первоначально наблюдается рост емкости в пределах +8% (рис. 6а) с последующим снижением до –36% при максимальном постоянном напряжении. В случае материала СНМК — за незначительным ростом емкости следует ее снижение до –47% при максимальном напряжении. Потери в керамике НСБС меньше, чем в керамике СНМК, во всем диапазоне смещающих напряжений (рис. 6б).

Рис. 6. Зависимость емкости (а) и тангенса угла потерь (б) от постоянного смещающего напряжения конденсаторов К15-20 68 нФ × 1,6 кВ, выполненных на основе двух видов керамики, на частоте 1 кГц при температуре +20 °C

Емкость конденсаторов II типа также зависит и от амплитуды переменного напряжения (U_m). Керамика СНМК имеет более слабую зависимость ΔC(U_m)/C_o, чем керамика НСБС (рис. 7а). Величина tgδ керамики СНМК изменяется в меньших пределах, чем у керамики НСБС (рис. 7б).

Рис. 7. Зависимость емкости (а) и тангенса угла потерь (б) при температуре +20 °C от переменного напряжения с частотой 200 Гц для конденсаторов К15-20 470 пФ × 1,6 кВ,
выполненных на основе двух видов керамики

Заключение

В разделе I обобщены параметры конденсаторов К15-20, приведенные в технических условиях на изделие и на сайтах предприятий-изготовителей.

В разделе II приведены результаты, не входящие в технические условия на данное изделие и полученные в данной работе.

Проведенный анализ может быть полезен потребителям конденсаторов К15-20 при разработке новой аппаратуры и при выборе поставщика конденсаторов.

Авторы выражают благодарность сотрудникам ОАО «Завод «Реконд» за предоставленные образцы конденсаторов и помощь при проведении исследований.