Старение конденсаторов постоянной емкости с керамическим диэлектриком класса 2
G.1 Общий обзор
Большинство керамических диэлектриков класса 2, используемых в керамических конденсаторах, обладают ферроэлектрическими свойствами и демонстрируют наличие точки Кюри.
Выше этой температуры такой диэлектрик приобретает высокосимметричную кристаллическую структуру, тогда как ниже температуры Кюри кристаллическая структура менее симметрична. Хотя в одиночных кристаллах этот фазовый переход резко выражен, в промышленной керамике он часто бывает размыт по конечному диапазону температур; тем не менее во всех случаях этот переход связывается с пиком кривой, отражающей зависимость емкости от температуры.
Под влиянием температурных колебаний ионы в кристаллической решетке продолжают перемещаться в позиции с низкой потенциальной энергией в течение длительного периода времени после прохождения диэлектриком температуры Кюри при охлаждении. Это порождает явление старения конденсатора, с развитием которого его емкость непрерывно уменьшается.
Однако при нагреве конденсатора выше температуры Кюри имеет место процесс, обратный старению, при котором потерянная в результате старения емкость восстанавливается, и с момента повторного охлаждения конденсатора процесс его старения возобновляется.
G.2 Закон старения емкости
В течение первых четырех часов охлаждения до точки Кюри потеря емкости определяется нечетко, но затем начинает действовать логарифмическая зависимость (смотри K.W.Plessner, Proc. Phys. Soc, vol.69B, P1261, 1956), которая может быть выражена константой старения.
Эта константа k определяется как относительная потеря емкости по причине процесса старения диэлектрика за "декаду", то есть за время, в течение которого "возраст" конденсатора увеличивается в 10 раз: например с одного часа до 10 часов.
Так как закон уменьшения емкости конденсатора носит логарифмический характер, относительная потеря емкости в промежутке между первым и сотым часом будет равна 2хk, а между первым и тысячным часом - 3xk. Этот закон может быть выражен математически следующим уравнением:
,
где C - емкость по истечении t часов с момента начала процесса старения;
С - емкость через 1 час после начала процесса старения;
k - константа старения, выраженная в процентах за декаду (как было определено выше);
t - время в часах, прошедшее с момента начала процесса старения.
Константа старения для конкретного керамического диэлектрика может указываться изготовителем или определяться путем восстановления конденсатора с последующим измерением емкости в двух известных точках.
Тогда k задается следующим выражением:
.
Если измерение емкости производится три раза или больше, то можно вывести значение k из наклона графика зависимости емкости C от десятичного логарифма Ig t.
Можно также построить график зависимости Ig C от Ig t .
При измерении степени старения конденсатор должен работать при постоянной температуре, чтобы колебания емкости под влиянием температурных характеристик не маскировали потерю емкости в результате старения диэлектрика.
G.3 Измерения емкости и допуски
Из-за наличия эффекта старения необходимо определять опорный возраст конденсатора, в течение которого его емкость будет находиться в рамках установленных допусков. Этот период считается равным 1000 часов, поскольку по прошествии этого периода дальнейшей потери емкости практически не происходит.
Для расчета емкости С через 1000 часов должна быть известна константа старения или ее можно определить методом, описанным в разделе G.2; при известной константе может быть использована следующая расчетная формула:
.
Определенная в заводских условиях потеря емкости из-за эффекта старения за период 1000 часов с момента ее измерения известна, и потому может быть нейтрализована посредством использования несимметричных контрольных допусков.
Например, если известно, что потеря емкости будет составлять 5%, то конденсаторы могут проверяться на соответствие допуску +25/-15% вместо ±20%.
Объявленное значение емкости обычно привязывается к температуре 20°C, вследствие чего может оказаться необходимым проводить измерения именно при этой температуре или вносить поправку в результат измерения для приведения его к этой температуре. Ошибка измерения может возникать также из-за тепла рук; поэтому при измерениях конденсаторы следует всегда удерживать пластиковым пинцетом.