Диэлектрическая абсорбция

Явление диэлектрической абсорбции в конденсаторах обусловлено замедленными процессами поляризации диэлектрика и приводит к появлению напряжения на выводах конденсатора после его кратковременной разрядки. Рисунок 2 иллюстрирует этот эффект. Будучи заряженным до напряжения U в момент времени t0, конденсатор закорачивается через ключ в момент времени t1. В момент времени t2 конденсатор отсоединяется от схемы. Остаточное напряжение на нем медленно начинает расти, приближаясь к некоему постоянному значению. Количественное значение этого явления обычно характеризуется коэффициентом начального зарядового напряжения, которая снова возникает в конденсаторе после его разряда. Конденсатор заряжается более 1 минуты, после чего закорачивается на время от 1 до 10 секунд. После выдержки около 1 минуты или более измеряется напряжение на нем.

Рис. 2 – Остаточное напряжение характеризует диэлектрическую абсорбцию

На практике эффекты влияния диэлектрической абсорбции могут проявляться по-разному: интегратор полностью не сбрасывается до нуля, преобразователь напряжение-частота (генератор, управляемый напряжением) имеет нелинейную характеристику преобразования, схема выборки-хранения работает неточно.

Диэлектрическая абсорбция приводит к затягиванию фронтов сигнала в скоростных схемах, таких, как высокочастотные активные фильтры или усилители высокочастотных сигналов. Значение постоянной времени диэлектрической абсорбции для некоторых таких схем может достигать нескольких миллисекунд.

В схемах с быстрой перезарядкой конденсатора диэлектрическая абсорбция играет роль аналоговой памяти – конденсатор пытается сохранить напряжение предыдущего заряда.

Явление абсорбции должно учитываться для соблюдения электробезопасности при работе с высоковольтными конденсаторами.

Диэлектрическая абсорбция в основном является характеристикой материала диэлектрика. Значение коэффициента диэлектрической абсорбции может меняться от 0,002% для полистирольных конденсаторов, от 0,02% для фторопластовых конденсаторов и до 10% и более для алюминиевых электролитических конденсаторов.

Керамические и поликарбонатные конденсаторы общего назначения имеют коэффициент диэлектрической абсорбции около 0,2%, что означает для половины МЗР лишь 8 разрядов преобразования, серебряно-слюдяные, стеклянные и танталовые конденсаторы - от 1,0 до 5,0%.

В некоторых схемах можно скомпенсировать погрешности, связанные с диэлектрической абсорбцией. В интеграторе, например, выходной сигнал может быть заведен в обратную связь через компенсационную схему, которая эквивалентна диэлектрической абсорбции. Такая компенсация в схеме выборки-хранения может значительно улучшить (до 10 раз и более)/

Следующие два параметра определяют рабочий диапазон частот конденсаторов.

Полное сопротивление конденсатора (импеданс) Z- сопротивление конденсатора переменному синусоидальному току определенной частоты, обусловленное наличием у реального конденсатора на ряду с емкостным также активного и индуктивного сопротивлений. Последние зависят от свойств используемых материалов и конструктивного исполнения конденсатора. Представляя реальный конденсатор в виде последовательно соединенных собственной емкости С, индуктивности L и активного сопротивления R (рис.1) и учитывая сдвиг фаз между током и напряжением на емкости (ток опережает по фазе напряжение на π/2) и индуктивности (ток отстает по фазе от напряжения на π/2), полное сопротивление конденсатора на частоте f определяется как

Активное сопротивление R (этот параметр часто нормируют, называя его эквивалентным последовательным сопротивлениемконденсатора, ESR) зависит от удельного сопротивления диэлектрика, материала обкладок и выводов, формы и размеров конденсатора, частоты и температуры. Индуктивность L зависит в основном от формы и размеров конденсатора.

Резонансная частота конденсатора f_рез (собственная частота конденсатора)– частота, при которой полное сопротивление конденсатора минимально и является чисто активным. Как видно из формулы для полного сопротивления Z, резонансная частота конденсатора

На частотах ниже f_рез конденсатор ведет себя как емкостный элемент (с повышением f величина Z уменьшается), а на частотах выше f_рез - как индуктивность (с повышением f величина Z возрастает). Как правило, конденсаторы используются в области частот ниже резонансной, где их индуктивность можно не учитывать.

Реактивная мощность конденсатора Р_р.Этот параметриспользуется для характеристики высокочастотных высоковольтных конденсаторов. Полагая, что угол сдвига фаз между током и напряжением близок к 90°, т.е. полное сопротивление конденсатора имеет емкостный характер, величина реактивной мощности :

Рис. 1. Последовательная схема замещения конденсатора

Величина Р_р служит для определения допустимых электрических режимов эксплуатации высокочастотных высоковольтных конденсаторов. Так, амплитуда переменного напряжения не должна превышать значения напряжения, рассчитанного исходя из допустимой реактивной мощности:

Энергия W, запасаемая конденсаторомпри приложении постоянного напряжения:

, [???]

Этот параметр используется для характеристики энергонакопительных конденсаторов.

Вопрос о применении конденсатора решается исходя из его электрических параметров и массогабаритных показателей. В этой связи для сравнения конденсаторов используют удельные характеристики, представляющие собой отношение основных параметров конденсатора к его объему V (или к массе).

Основными удельными параметрами низкочастотных конденсаторов являются удельная емкость

, [ ]

и удельный заряд

, [ ]

а высокочастотных высоковольтных конденсаторов – удельная реактивная мощность

, [Вт/см³]

Для характеристики энергоемких накопительных конденсаторов используется удельная энергия:

, [Дж/см³]

где Е - напряженность электрического поля в диэлектрике.