Главная страница
Навигация по странице:

  • Основные сведения о конденсаторах

  • Группы термостабильности конденсаторов с постоянным ТКЕ

  • Группы термостабильности конденсаторов с неопределенным ТКЕ

  • Принцип исследований

  • Обработка данных

  • Результаты исследования зарядки и разрядки конденсатора 1000 мкФ

    		•

    Лаба по КЭТ №4. 4 КЭТ. Исследование конденсаторов постоянной емкости


    Скачать 84.7 Kb.
    НазваниеИсследование конденсаторов постоянной емкости
    АнкорЛаба по КЭТ №4
    Дата10.05.2023
    Размер84.7 Kb.
    Формат файлаdocx
    Имя файла4 КЭТ.docx
    ТипИсследование
    #1120401

    Лабораторная работа 4.

    ИССЛЕДОВАНИЕ конденсаторов постоянной емкости

    Цель работы – ознакомление с различными видами конденсаторов постоянной емкости, исследование температурной стабильности емкости и процессов зарядки и разрядки конденсаторов.

    Основные сведения о конденсаторах

    Конденсатор предназначен для накопления электрического заряда. Любые два проводника, разделенные диэлектриком, образуют конденсатор. Заряд конденсатора Q связан с напряжением U на его электродахи его емкостью С выражением Q = CU.

    Основная характеристика конденсатора – емкость – выражается в фарадах [Ф]. Реальные конденсаторы обычно имеют емкость, составляющую миллиардные, миллионные или тысячные доли фарада. Поэтому для маркировки их емкости используются производные единицы: пикофарады (1 пФ = 10–12 Ф), нанофарады (1 нФ = 1000 пФ = 10–9 Ф) и микрофарады (1 мкФ = 1000 нФ = 10– 6 Ф).

    Наиболее часто емкость указывают на корпусе конденсатора в явном виде, например: 510 пФ; 15 нФ; 0,022 мкФ; 100 мкФ, 510 pF; 15 nF; 0,022 μF; 100 μF. На конденсаторах малого размера принято не указывать единицы измерения: их емкость всегда выражают в пикофарадах числовым кодом, в котором первые две цифры являются значащими, а последняя цифра указывает степень N множителя 10N. Например, маркировка «102» на корпусе конденсатора означает емкость 10∙102 пФ = 1000 пФ.

    Допустимые отклонения емкости конденсатора от номинального значения обычно связаны с температурными нестабильностями в диапазоне рабочих температур. На пленочных, бумажных и электролитических конденсаторах допуск приводится в маркировке и указывается в процентах, например: ±5 %; ±10 %; ±20 %. Здесь принято два вида обозначений допуска. Для конденсаторов с предсказуемой монотонно изменяющейся зависимостью емкости от температуры, т. е. с известным значением температурного коэффициента емкости (ТКЕ), введены группы термостабильности, указываемые на корпусе конденсатора вместе с его номинальной емкостью (табл. 4.1).

    Таблица 4.1

    Группы термостабильности конденсаторов с постоянным ТКЕ

    Относительное

    изменение емкости, ppm/°C
    +100
    +33
    0
    –47
    –75
    –150
    –750
    –1500

    Отечественное

    обозначение
    П100
    П33
    МП0
    М47
    М75
    М150
    М750
    М1500

    Зарубежное

    обозначение
    A
    B
    G
    H
    L
    P
    U
    –


    Для этой группы конденсаторов во всем диапазоне рабочих температур с определенным допуском, достигающим ±20–100 % от объявленного значения, ТКЕ может быть задан как величина, рассчитываемая по формуле

    (4.1)

    Обозначение группы термостабильности конденсаторов отечественного производства, у которых в пределах рабочих температур изменение емкости не имеет монотонного характера, начинается с русской буквы Н, далее указывается допуск (в процентах) изменения емкости (табл. 4.2).

    Зависимости тока и напряжения на конденсаторе во время переходных процессов в RC-цепях с источниками постоянного напряжения описываются экспоненциальной функцией. Общее решение дифференциального уравнения для цепи зарядки/разрядки конденсатора С через резистор R дает следующую зависимость напряжения на конденсаторе от текущего времени:

    (4.2)

    где U – напряжение на конденсаторе после окончания переходного процесса, т. е. для времени t = ∞; U0 – напряжение на конденсаторе в момент начала переходного процесса, т. е. для t = 0; τ = RC – постоянная времени цепи зарядки/разрядки.

    Таблица 4.2

    Группы термостабильности конденсаторов с неопределенным ТКЕ

    Относительное

    изменение

    емкости (∆С/С), %
    ±10
    ±20
    ±30
    ±50
    ±70
    Более ±70

    Отечественное обозначение
    Н10
    Н20
    Н30
    Н50
    Н70
    Н90

    Зарубежное

    обозначение
    2B
    2C
    2D

    (–30 %+20 %)
    2E

    (–55 %+20 %)
    –
    2F

    (–80 %+30 %)

    Если конденсатор изначально не заряжен (U0 = 0), а к моменту полной зарядки (при t = ∞) напряжение на нем становится равным напряжению источника питания (U=UП), то формула (4.2) приобретает вид

    (4.3)

    Напротив, если в начале переходного процесса (t = 0) конденсатор был заряжен до напряжения U0, а к концу переходного процесса он разряжается до нуля, т. е. U = 0, то формула (4.2) приводится к виду

    (4.4)

    Принцип исследований:

    1. Зависимость емкости конденсаторов постоянной емкости изучается путем постоянного контроля емкости при помощи мультиметра, а также постепенным нагревом конденсатора от комнатной температуры до 80 градусов. Значения емкости каждого из конденсаторов для температур 30, 40, 50, 60, 70, 80 записываются в таблицу 4.3 для дальнейшего анализа. Схема подключения согласно Рис. 4.1




    Рис. 4.1. Измерение температурной зависимости емкости конденсатора


    1. Исследование явления зарядки и разрядки конденсаторов проводится путем измерения напряжения на конденсаторе в конкретные моменты времени от начала процесса зарядки/разрядки (0, 10, 20, …, 120 с.) и записи значений в таблицу 4.4. Схема сборки приведена на Рис. 4.2 Измерения проводятся для двух резисторов Rб – 80 и 14 кОм.


    (а) (б)

    Рис. 4.2. Исследование процесса зарядки и разрядки конденсатора:

    «а» – момент начала зарядки; «б» – момент начала разрядки
    Обработка данных

    1. По данным первого эксперимента найдем ТКЕ конденсаторов по формуле 4.1 и построим графики (рис. 4.3 и 4.4)

    Результаты исследования ТКЕ конденсаторов Таблица 4.3

    Температура T, ˚С
    23
    30
    40
    50
    60
    70
    80

    Емкость X7R, 2.4 нФ
    2,44
    2,49
    2,48
    2,45
    2,40
    2,40
    2,35

    ТКЕ X7R, ppm/°С
    -
    2976
    -416
    -1250
    -2083
    0
    -2083

    Емкость M1500, 120 пФ
    120
    120
    117
    117
    115
    112
    111

    ТКЕM1500, ppm/°С
    -
    0
    -2500
    0
    -1666
    -2500
    -833

    Пример вычислений ТКЕ для X7R и температур 23 и 30 градусов (множитель опущен):








    1. По данным второго эксперимента построим графики зарядки/разрядки конденсатора с 2 разными резисторами (R1=80 кОм, R2=14 кОм) и напряжением питания 18 В. Теоретические значения получим по формулам 4.2, 4.3, 4.4. Графики представлены в приложении 1 на рисунках с 4.5 по 4.8


    Результаты исследования зарядки и разрядки конденсатора 1000 мкФ Таблица 4.4

    Время t, с
    0
    10
    20
    30
    40
    50
    60
    70
    80
    90
    100
    110
    120

    Uз. э R1,В
    0
    3
    4
    5,3
    6,7
    7,9
    8,9
    9,9
    10,7
    11,4
    12
    12,5
    13

    Uр. э R1,В
    13
    12
    10,8
    9,6
    8,4
    7,5
    6,6
    5,8
    5,2
    4,6
    4
    3,6
    3,2

    Uз. т R1,В
    0
    2,1
    4
    5,6
    7
    8,3
    9,5
    10,5
    11,4
    12,1
    12,8
    13,4
    14

    Uр т R1,В
    13
    11,47
    10,12
    8,93
    7,88
    6,95
    6,14
    5,41
    4,78
    4,21
    3,72
    3,28
    2,9

    Uз. э R2,В
    0
    8,8
    12,9
    14,9
    16
    16,6
    16,9
    17
    17,1
    17,2
    17,2
    17,2
    17,2

    Uр э R2,В
    17,2
    13
    6,1
    3,1
    1,6
    0,8
    0,4
    0,2
    0,15
    0,09
    0,06
    0,04
    0,03

    Uз. т R2,В
    0
    9,2
    13,6
    15,9
    16,9
    17,4
    17,7
    17,8
    17,9
    17,94
    17,98
    17,99
    17,99

    Uр т R2,В
    17,2
    8,42
    4,12
    2,01
    0,98
    0,48
    0,23
    0,11
    0,056
    0,027
    0,013
    0,006
    0,003


    Расчет теоретического цикла заряда разряда производится по формулам 4.3 и 4.4, причем при разрядке в формуле 4.4 используется . же, в формуле 4.3 равен напряжению источника питания, а именно 18 В

    Данные таблицы находятся путем вычисления функций и в точках 10, 20, 30, … , 120 с.
    Вывод: В ходе данной лабораторной работы мы познакомились с явлением изменения емкости конденсаторов при нагревании, ТКЕ, свойствами зарядки и разрядки конденсаторов, вычислили теоретическую зависимость напряжения от времени и сравнили ее с экспериментальной, и убедились в полном их сходстве, за небольшой погрешностью. Измерения были бы точнее если б отсчет времени и переключение режимов с зарядки на разрядку осуществлялись автоматикой и компьютером, но даже такие результаты довольно наглядны. Также мы построили и проследили температурную зависимость емкости для 2 разных конденсаторов, и вычислили ТКЕ на промежутках от 23 до 80 градусов цельсия. Выяснилось, что у данных конденсаторов емкость по большей части убывает с ростом температуры, нежели растет, скорее всего это связано с внутренним строением диэлектрика в конденсаторе.





    Приложение 1

    написать администратору сайта