1. Високочестотни полимери – неполярни и слабо полярни (притежават симетрична структурна формула).
Основни параметри – малки диелектрични загуби tgδ (следователно могат да работят до високи честоти) и малка диелектрична проницаемост εr (следователно могат да се използват като изолация и по-рядко за кондензатори с малки капацитети).
Приложение – Високочестотна изолация (кабелна).
Представители – полиетилен, полипропилен, полистирол, тефлон.
Тефлонът (политетртафлуоретилен) има отлични електрически и физически свойства, които се запазват до високи честоти и в широк температурен диапазон. Това се дължи на химическата инертност на F атоми и симетричната му структурна формула.
2. Нискочестотни полимери – полярни (притежават симетрична структурна формула).
Основни параметри – големи диелектрични загуби tgδ (не могат да работят до високи честоти) и относително по-голяма диелектрична проницаемост εr≈3 (могат да се използват и като изолация и за кондензатори).
Приложение – кондензатори и нискочестотна изолация.
Представители – поливинилхлорид, поликарбонат.
Въпрос №21: Методи за обработка на полупроводниковите материали.
Най-широко разпространени са методите чрез изтегляне на монокристал от стопилка (метод на Чохралски), зонно топене и безтиглово зонно топене.
Метод за изтегляне на монокристал от стопилка – бавно изтегляне на ос, на чийто край е закрепен монокристален зародиш от стопилката. По този начин стопилката започва бавно да кристализира върху монокристалния зародиш, който извършва въртеливо движение по време на изтеглянето. Скоростта на кристализация се регулира чрез температурата на стопилката и количеството изгубена топлина вследствие на топлопроводността на кристала и по оста на излъчването от повърхността на стопилката. Скоростта на изтегляне и въртене определя диаметъра на кристала.
При метода на зонното топене чрез ултразвуково нагряване се оформя тясна зона от стопилка, която се придвижва бавно по дължината на слитъка от полупроводников материал. Така по посока на движението се получава разтопяване на материала, а в края на разтопената зона започва кристализацията. При постепенната кристализация материалът се пречиства. Чистотата след еднократна процедура зависи от концентрацията на примесите и няма да е еднаква по дължината на слитъка. Процесът се повтаря няколко пъти до постигането на необходимата чистота и разпределение на примесите по дължината на кристала. Скоростта на движение на разтопената зона е в границите от 15-20μm/s.
Безтигловото зонно топене е специално разработен метод за обработка на силиций. При температура на топене силицият е силно активен и независимо от материала на ладията се получава допълнително замърсяване на по време на топенето. Кварцовият слитък е разположен вертикално и е закрепен чрез кварцови държатели. Върху единия държател е поставен кристален зародиш. Чрез ултразвуково нагряване се създава разтопена зона. Методът осигурява получаването на кристали с максимална чистота, а като недостатък – невъзможността да се получават кристали с по-големи диаметри.
Кристализацията по описаните методи се извършва във вакуум или инертна атмосфера.
Въпрос №29: Кондензатори с ограничен диелектрик – видове и свойства.
За производството на кондензатори се използват полимерни диелектрици, които могат да се изтеглят на тънки ленти. Основни изисквания са:
-
да имат голяма диелектрична якост, Епр
-
малки загуби, tgδ
-
големи диелектрични проницаемости, εr
-
голяма механична якост.
Въпрос №30: Кондензатори с неограничен диелектрик – видове и свойства.
-
Изработват се основно от кондензаторни керамики. Имат голяма диелектрична проницаемост;
-
Дискови керамични кондензатори;
-
Призматични кондензатори;
-
Слоести кондензатори;
Керамичните кондензатори се разделят на 2 класа: клас I с линейна темп. зависимост ма капацитета, клас II с нелинейна темп. зависимост, диел. Проницаемост по-голяма от клас I. εr>250.
Въпрос №31: Електронни кондензатори – особености, видове и свойства
1. Конструкция – за изясняване на вентилните свойства на Al се използва т.нар. електролитна клетка. Al е вентилен метал, тъй като при посочения поляритет, електролитната клетка не провежда ток, докато при обратен поляритет оксидния слой се разрушава и клетката пропуска ток.
2. Особености:
-
полярни кондензатори – при подаване на напрежение в обратна посока, кондензатора се разрушава;
-
има много големи CN;
Въпрос №28: Кондензатори – параметри.
I. Основни свойства:
-
да не пропускат постоянен, а да пропускат променлив ток.
-
имат способността да натрупват ел. заряд; да съхраняват енергия.
-
със индуктивност образуват трептящи кръгове.
1. По характер на изменение на капацитета, биват постоянни (не може да им се променя капацитета) и променливи (може да им се променя капацитета).
2. Според вида на диелектрика:
-
с газообразен диелектрик (въздушни и вакумни)
-
с течен диелектрик;
-
с твърд органичен диелектрик;
-
с твърд неорганичен диелектрик (керамични, стъклени);
-
с оксиден диелектрик (електролити).
3. Според режима на работа:
-
по работно напрежение (нисковолтови и високоволтови);
-
според честотен обхват (постоянно напрежение, с промишлена честота (50Hz), нискочестотни, високочестотни).
II. Параметри и свойства на кондензаторите
1. Номинален капацитет: CN=ε0εr.S/d, F.
2. Номиналното напрежение UN постоянно напрежение или е ефективна стойност на променливото синусоидално напрежение, което може да бъде приложено непрекъснато между изводите на кондензатора при всяко работно темпо.
3. Изпитвателно напрежение Uизп напрежението приложено между изводите или между изводите свързани на късо и корпуса, което кондензатора може да извърши за кратко време (няколко секунди). Граничен параметър.
4. Температурен коефициент на капацитета: αc=dC/CdT, C˚-1. αc≈εr. За кондензатори с линейна зависимост, за оценка на температурната стабилност се използва αc=(C2-C1)/C3(T2-T1). C3 – при стайна темп. 20˚, C2 - при темп. T2. За кондензатори с нелинейна зависимост, за оценка се използва C/C20˚C=f(T).
5. Изолационно съпротивление Rиз– съпротивлението между изводите на кондензатора, измерено при определено постоянно напрежение, след като процесите на поляризация на диелектрика са приключили.
6. Време константа τ=CNRиз. – Характеризира свойството на кондензатора да се саморазрежда.
7. Коефициент на загубите tgδ – загубите на енергия на входа на кондензатора се дължат на загуби на поляризация. Най-малко загуби в металните електроди.
8. Обобщена еквивалентна схема на кондензатора – Собствената индуктивност на С зависи от дължината на изводите колкото по-къси са те, на толкова по-високи честоти може да се използва.
9. Стабилност на кондензатора – оценява се как параметрите на С се променят с течение на времето.
Въпрос №5: Електропроводимост в диелектричните материали
Електропроводимостта на диелектриците се получава за сметка на поляризацията им и наличието на малко количество свободни заряди.
Електропроводимост при постоянно ел. поле: по време на поляризацията протича електрически ток, който се нарича поляризационен ток или ток на изместване.
При прилагане на постоянно ел. поле поляризацията се осъществява еднократно и материалът остава поляризиран докато е под въздействие на полето.
Токът, получен от бързите поляризации Iб.пол (електронна и йонна) протича за много кратко време (10-13 до 10-15s) и трудно може да бъде регистриран. Токът от бавните поляризации, наричан още абсорбционен ток Iаб., се регистрира в областта на намаляването му. Плътността на поляризационния ток Jпол. Се определя от скоростта на изменение на плътността на зарядите (индукцията): Jпол=dD/dt≈ Jаб, където Д е индукцията на ел. полето, t-времето, Jаб – плътността на абсорбционния ток.
Във всеки реален диелектрик има макар и малко свободни токоносители, т.е винаги протича малък ток от електропроводимост, наречен утечен ток Iут. Колкото по-добри диелектрични свойства притежава даден материал, толкова утечния ток е по-малък.
I=Iпол+Iут= Iб.пол+Iаб+Iут.
Много често вместо утечния ток като характеристика на електропроводимостта се използва изолационно съпротивление Rиз: Rиз=U/(I-Iпол)=U/Iут , където U е приложеното постоянно напрежение, I – общият ток, Iпол- поляризационния ток през диелектрика.
Електропроводимост при променливо ел. поле: Ако приложеното ел. поле е променливо от вида E=Emsinωt, където Е е интензитетът на полето, Em - амплитудната стойност на интензитета на полето, ω – кръгова честота, t - времето; посоката на полето се изменя непрекъснато в такт с честотата. За поляризации без загуба на енергия, индукцията D следва интензитета на полето: D=Dmsinωt, където Dm е амплитудната стойност на индукцията, а плътността на поляризационния ток Jпол е Jпол=dD/dt=Dmωcosωt=Jmcosωt, където Jm- амплитудната стойност на плътността на тока. Поляризационния ток е Iпол=JполS=DmSωcosωt=Imcosωt, S – повърхнината на диелектрика; Im-амплитудна стойност на поляризационния ток. При прилагане на променливо електрическо поле през диелектрика протича променлив поляризационен ток и променлив утечен ток: I=Iпол+Iут=Imcosωt +Iут.msinωt.
При поляризация със загуби, променливият ток е: Iпол=Imcos(ωt-δ).
Въпрос №8: Физически свойства на диелектричните материали.
1. Влагоустойчивост – Водата представлява силно полярна течност с висока диелектрична проницаемост (εr≈80), големи диелектрични загуби (tgδ≈0,08 при f=1MHz) и ниско изолационно съпротивление (Rиз≈103-104Ωm). Присъствието на вода в структурата на диелектричните материали предизвиква рязко влошаване на електроизолационните им свойства. Една от важните характеристики на въздуха като среда за съществуване на електронните апаратури е неговата влажност. При температура 30-40˚С и относителна влажност на въздуха около 98% въздействието на влагата става много съществено. За оценка на поведението на материалите в среда с висока влажност се използват понятията хигроскопичност (способност да се овлажняват) и влагопроницаемост (способност да пропускат влага).
Образец от диелектричен материал, поставен при определени условия, след достатъчно дълго време придобива някаква равновесна влажност, която зависи от изходната влажност на материала и въздуха. Достигането може да стане по два начина – овлажняване и сушене. Полярните и неполярните диелектрици имат различна влажност при еднаква влажност на въздуха и еднаква порьозност на структурата им. Това е защото имат различна степен на умокряне. Полярните диелектрици се мокрят много повече от неполярните. Хигроскопичността на материалите зависи от структурата им и най-вече от размера на капилярите (порестите материали са по хигроскопични от тези с плътна структура). Влагопроницаемостта е важно свойство за материалите предназначени за защита от влиянието на околната среда.
2. Топлоустойчивост – свойството на материала да издържа въздействието на повишена температура за кратко време. Определя се от температурата, при която се получават недопустими изменения на параметрите. Топлоустойчивостта на органичните материали се определя от изменението на механичните им свойства, а на неорганичните – от изменението на електрическите им параметри (tgδ и Rиз).
3. Студоустойчивост – способността на материала да издържа (без повреди и без изменение на механичните и електрическите параметри извън определени граници) въздействието на ниски температури. Електрическите параметри на материалите при ниски температури се подобряват, но голяма част от органичните материали влошават механичните си параметри – стават крехки и твърди.
4. Топлопроводността оказва влияние върху устойчивостта на материала на температурни цикли и върху диелектричната якост при топлинен пробив.
5. Коефициентът на топлопроводност hт – hт=∆Pт/∆S.dl/dT, W/m˚C, където ∆Pт – мощността на топлинния поток през сечението ∆S. dT/dl – температурният градиент по дължината на образеца. Коефициентът на топлопроводността на диелектричните материали е много по-малък от този на проводниковите материали. Ниската топлопроводност на въздуха е причина за ниската топлопроводност на порестите материали. Кристалните диелектрични материали имат по-висока топлопроводност от аморфните.
Въпрос №13
Намагнитване – Индукцията B, създадена от магнитно поле с интензитет H във вакуум, се изчислява така: B=μ0H, където μ0=4π10-7H/m е абсолютна магнитна проницаемост на вакуума (магнитната константа). В материална среда: B=μ0μrH=μH, където μ=μ0μr, μr – абсолютна магнитна проницаемост на материала. Магнитна поляризация: JM=B-μ0H= μ0μrH-μ0H. Намагнитване на материала: M=JM/μ0=(μr–1)H=ĸrH [A/m], където ĸr=μr–1 – магнитна възприемчивост на материала. B=f(H). Намагнитването М може да се разглежда като магнитен момент на единица обем: M=Pm/V, Am2/m3. Магнитният момент на атома се формира от спиновия магнитен момент на електроните, магнитният момент на ядрото и магнитния момент, създаден от орбиталното движение на електроните. Атомите и йоните с небалансирани спинови моменти на електроните имат магнитен момент, а тези с балансирани (напълно запълнени орбити) – нямат магнитен момент. Съответните на това разделяне материали се наричат парамагнити и диамагнити. Магнитната възприемчивост на тези материали е близка до нула, като на диамагнетиците е отрицателна, а на парамагнетиците – положителна. Феромагнитите (магнитните материали) притежават спонтанно намагнитени области, наречени домени, т.е. притежават доменна структура. Домените са области, в които всички спинови моменти са еднопосочно ориентирани, поради което магнитният момент на областта е голям. Процесът на намагнитване е нелинеен. При кривата на първоначално намагнитване се разграничават 5 области: I. Област на начално намагнитване – началното намагнитване се получава при много слаби полета; за него е характерно еластичното изместване на границите на домените, което означава, че процесът е обратим. II. Област на Р елей – тази област се получава в по-широк обхват от слаби полета; изместването на границите на домените е все още еластично и процесът е обратим; намагнитването се изменя незначително. III. Област на най-големи диференциални магнитни проницаемости – изместванията на границите на домените са необратими, намагнитването рязко нараства и магнитната проницаемост нараства скокообразно. Процесът на намагнитване е необратим. IV. Област на ориентиране на магнитните моменти по посока на полето – намагнитването нараства по-слабо в сравнение с III област. V. Област на насищане – тази област се достига при много силни магнитни полета; увеличаването на намагнитването е незначително (процесът е приключил) и индукцията в материала асимптотично се приближава до граничната стойност, известна като индукция на насищане.
Магнитна проницаемост – мярка на процеса намагнитване или по-точно мярка за изменението на състоянието на намагнитване. Диференциална магнитна проницаемост μrd=dB/μ0dH. Има две характерни стойности: в областта на слабите полета – начална магнитна проницаемост μri, и в областта на най-голямо намагнитване – максимална магнитна проницаемост μrmax. В променливото магнитно поле се използва амплитудната магнитна проницаемост μrа. μrа=Bm/μ0Hm. При работа в импулсни магнитно поле се използва импулсната магнитна проницаемост μrrev. μrrev=∆B/μ0∆H, където ∆B е изменението на индукцията.
Хистерезисен цикъл – след I и II втора област, процесът на намагнитване става необратим и в резултат на това се получава известният хистерезисен цикъл. Първоначално процесът на намагнитване се осъществява еднократно по кривата на първоначално намагнитване, а при по-нататъшно изменение на интензитета на променливото магнитно поле – по хистерезисния цикъл. Цикълът е важна характеристика на магнитните материали. Чрез него се дефинират няколко важни параметъра: индукция на насищане Bs, остатъчна индукция Br и коерцитивен интензитет Hc. Те важат само за граничния хистерезисен цикъл, при който е достигната индукцията на насищане Bs. По-нататъшното увеличаване на интензитета на полето не предизвиква описването на нов хистерезисен цикъл.
Въпрос №25: Резистори – параметри.
1. Номинална стойност – тази, която резисторът може да разсейва, при определени условия – PN. Резисторът трябва да не променя основните си параметри извън определени граници. PN=hS(TRmax-TN), h – коефициент на топлопроводност, S – площ, през която се извършва топлоотдаването, TRmax – максималната допустима Т на резистора. Определя се от материала с най-малка топлоустойчивост и с температура > от нея, резисторът не може да работи, TN – номинална температура. Дефинира се като най-високата темп. На околната среда, при която резисторът може за разсейва номинална стойност.
- TАN – резисторът разсейва PN.
- TNAR – може да разсейва мощност по-малка от номиналната;
- TА>TN – не може да работи.
2. αr – температурен коефициент на съпротивление. αr=dR/RdT; αr=αρ+αe-αs, αe-температурен коефициент на линейното разширяване на материала, αs-темп. коефициент на обемното разширение на материала. αr≈αρ
3. Гранично работно напрежение Vгр – най-високото променливо напрежение, което може да бъде приложено на изводите на резистора. За нискоомни резистори напрежението се определя от номиналната мощност. За високоомни резистори, се определя и от възможността за пробив в диелектричните материали, използвани в конструкцията.
4. Ниво на шума – отношението на шумовото напрежение възникващо в резистора към напрежението приложено в неговите изводи. Um/U, [μV/V]
5. Стабилност на резистора – с този параметър се оценява промяната на номиналните параметри на резистора с течение на времето. Основен фактор е стареенето на материалите.
6. Собствена индуктивност LR – зависи от дължината на изводите и от броя на навивките при жичните резистори; собствен капацитет CR – определя се от диелектричната проницаемост на изолацията и от размерите на резистора.
7. В зависимост от конструкцията на токопроводящия елемент, резисторите биват слоеви (слойни), обемни и жични.
8. Обобщен признак – според конструкцията и материала на токопров. Елемент биват въглеродослойни, металослойни, металооксидни, композиционни, полупроводникови.
|
Въпрос №5
Електропроводимост на газообразни, течни и твърди диелектрични материали: Ел. проводимостта на газовете при слаби електрически полета е много малка. Електропроводимостта на газовете се определя с помощта на волт-амперна характеристика. В първата област тя е линейна. Във втората област се наблюдава ток на насищане Iнас. В третата област започва ударна йонизация (пробивът) на газа.
Електропроводимостта на течните диелектрици зависи от наличието на дисоциирани примеси, включително влага при неполярните, и дисоциирани собствени молекули при полярните материали. Тя има йонен характер. Полярните течности винаги имат повишена електропроводимост.
Електропроводимостта на твърдите диелектрици се обуславя от движението на собствени или примесени йони, а при някой материали и от свободни електрони. В материали с йонен строеж електропроводимостта се получава от йони, напуснали кристалната решетка поради топлинни колебания. В материали с атомна или молекулна кристална решетка ел.пров. се получава изключително от примесите.
Температурната зависимост на ел.пров. на диелектриците се определя от йонния характер на проводимостта или от необходимата енергия за дисоциация Wд и преместване Wпр на йоните в структурата на материала. Специфична електропроводимост: σ=nqμ, S/m, където q е заряда на токоносителя, n – броя на свободните токоносители в единица обем, m-3, μ – подвижността на токоносителите m2/V.s. В слаби електрически полета броят на свободните токоносители и подвижността не зависят от интензитета на полето, а от температурата по известна експоненциална зависимост: n=n0exp(-Wд/kT), където n0 е броят на свободните токоносители при нормална температура на околната среда; Wд – енергията на дисоциация; k - константа на Болцман; T – температурата; μ= μ 0exp(-Wпр/kT), където Wпр - е енергия на преместване. σ=n0qμ0exp(-(Wд+Wпр/kT))=Aexp(-b/T), където А=n0qμ0 и b=Wд+Wпр/k, са коефициенти зависещи от материала.
Въпрос №10: Собствени полупроводници – основни свойства.
1. Общи сведения:
-
полупроводниковите материали проявяват проводникови или диелектрични свойства, в зависимост от енергетичното им състояние. Тясната забранена зона е причина за това.
-
собствени ПП – материали, които нямат примеси и дефекти в кристалната си решетка. Чистотата на ПП кристал се определя с брой примесни атоми в единица обем.
-
ПП притежават кристална структура с ковалентна връзка: WB – най-високото ниво на ВЗ, WC – най-ниското ниво на СЗ. На мястото на електрона остава некомпенсиран положителен заряд (електронна дупка), чийто физически носител е ядрото на атома.
-
Генерация – процеса на освобождаване на електрони и дупки. Този процес е обратим, като връщането на ел. в СЗ се нарича рекомбинация.
|
