При испытаниях импульсным током

СИБГАТУЛЛИН Б.И., ИжГТУ им. М.Т. Калашникова, г. Ижевск

Науч. рук. канд. техн. наук, профессор БАРСУКОВ В.К.

При организации испытаний танталовых конденсаторов импульсным током необходимо учитывать совокупность множества факторов, которые могут оказать влияние на достоверность испытаний. В предыдущих работах автора было исследовано влияние параметров цепи испытательного стенда на условия испытаний. Исследуемому в этой работе вопросу до настоящего времени не было уделено должного внимания.

Всего можно выделить несколько источников механических напряжений в структуре танталового конденсатора:

1. Напряжения, индуцированные в результате нагрева. Нагрев конденсатора может быть вызван условиями окружающий среды, пайкой или превышением допустимого значения тока в конденсаторе.
Из-за различного коэффициента температурного расширения слоев танталового конденсатора в его структуре могут возникать механические напряжения, которые могут приводить к расслоению или растрескиванию его слоев либо к сдвигу его электрических параметров. При незначительных механических напряжениях изменение параметров конденсатора может быть обратимым.

2. Напряжения, обусловленные монтажом чип-конденсатора на печатной плате. Так как чип-конденсатор не имеет гибких выводов, деформации печатной платы ничем не компенсируются и передаются танталовому конденсатору. Вследствие пористой структуры танталового конденсатора механические напряжения будут распределены неравномерно по его объему, образуя локальные перенапряжения.

3. Напряжения, развиваемые при быстром заряде танталового конденсатора от источника с малым внутренним сопротивлением. Этот режим работы моделируется испытаниями импульсным током. При протекании зарядных токов большой амплитуды могут развиваться локальные механические напряжения, обусловленные действием электромагнитных и электростатических сил. Здесь важную роль играют амплитуда зарядного тока и скорость нарастания напряжения на обкладках конденсатора. Вещество не может мгновенно поляризоваться в ответ на приложенное электрическое поле. В течение времени, при котором поляризация вещества достигает соответствующих приложенному полю значений, атомные связи диэлектрика могут подвергаться воздействию сил, превышающих силы электрического поля. При большой скорости нарастания напряжения разница между приложенным электрическим полем и поляризацией растет, что приводит к увеличению разрывов атомных связей и, следовательно, к снижению напряжения пробоя. Это может являться одной из причин снижения напряжения пробоя танталовых конденсаторов при заряде от источника с низким внутренним сопротивлением. Это явление было экспериментально подтверждено в исследованиях A. Teverovsky, J. Prymak, Erik K. Reed, Jonathan L. Paulsen.

На скорость нарастания напряжения влияют индуктивность и сопротивление цепи испытательного стенда, а также емкость и эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора. Поэтому важно достаточно точно определять эти параметры при испытаниях. Также необходимо ограничить усилие контактного устройства испытательного стенда в допустимых пределах, для того чтобы избежать изменения условий теста. Согласно оценкам A. Teverovsky, это усилие не должно превышать 10 Н.

Для моделирования механических напряжений, развивающихся в структуре танталового конденсатора под воздействием различных факторов, можно применить метод конечных элементов. При этом необходимо решить задачу построения пористой структуры танталового конденсатора, а также разбиения этой структуры, включая тонкий слой пентаоксида тантала, на конечные элементы, что является нетривиальной задачей.

Тем не менее, даже 100 %-е тестирование конденсаторов не гарантирует в дальнейшем их безотказную работу. Дело в том, что при монтаже конденсаторов на печатной плате могут быть сгенерированы механические напряжения, которые приведут к появлению новых потенциально ненадежных областей. Поэтому рекомендуется при первом включении устройство подключать к источнику питания через добавочное сопротивление (около 1000 Ом) для того, чтобы запустить процессы самовосстановления в конденсаторах и избежать зарядных токов большой амплитуды, которые могут привести к немедленному выходу конденсатора из строя. При первом включении используется повышенное напряжение источника питания (~110 %). Как показывает практика, этот метод позволяет значительно снизить вероятность пробоя конденсаторов при первом включении.

УДК 621.316.9

методика определения точки размыкания