SZIGETELŐANYAGOK VIZSGÁLATA

Átírás

1 SZIGETELŐANYAGOK VIZSGÁLATA Szigetelési ellenállás mérése A mérésre történő felkészüléshez ismételjék át az elméleti anyag Villamos tulajdonságok, Szigetelőanyagok c. fejezetét! A szigetelőanyagok alapvető jellemzője az ellenállásuk. Minden hálózati vagy nagyobb feszültségen működő berendezést szükséges érintésvédelmi szempontból szigetelni és azt rendszeresen ellenőrizni is kell. Emellett a szigetelőanyagoknak áramköri funkciójuk is van, elválasztják egymástól a vezetőket, egyéb áramköri elemeket. Szerepük nem teljesen passzív, töltés halmozódhat fel rajtuk és bizonyos csekély áramot is vezetnek. Külön terület, amikor kondenzátor dielektrikumként kerülnek alkalmazásra. Lényegesen különböző a viselkedésük egyenáramú és váltakozó áramú körökben. Kész berendezéseken mérve az adott eszköz konstrukciójának és alkalmazott szigetelő-anyagainak együttes hatását vizsgálhatjuk. Az eredményekből eldönthetjük, hogy használható-e a berendezés, megfelel-e az érintésvédelmi követelményeknek, van-e energiaveszteség, stb. Gyakorlati célokra gyakran elég annak megállapítása, hogy a szigetelés meghalad-e egy adott biztonságosnak ítélt szintet. Ha az egyes anyagokat akarjuk összehasonlítani, laboratóriumi körülmények között, pontosan meghatározott, lehetőleg szabványos méretű minták fajlagos ellenállását kell mérnünk. ρ = R A / l ismert összefüggésből számítható, mértékegysége [Ωm] vagy [Ωcm] A leggyakoribb egyenáramú mérési módszer: adott feszültség rákapcsolása után az átfolyó áram mérése. Ebből az Ohm-törvény alapján számíthatjuk az ellenállást, vagy a műszer már közvetlenül azt jelzi ki. Az alkalmazott feszültség V, vagy, ha adott alkalmazáshoz vizsgáljuk a szigetelőt, a névleges feszültség kb. kétszerese. Az eddig egyszerűnek tűnő helyzet meglehetősen sok méréstechnikai problémát vet fel: 1. Egy jó szigetelőanyag ellenállása Ω, vagy még nagyobb. Ha a mérőműszer szigetelése is ebbe a tartományba esik, az párhuzamosan kapcsolódik a mérendő ellenálláshoz és meghamisítja a mérésünket. Azaz a legkiválóbb anyagok megválasztásával és helyes konstrukció kialakításával biztosítani kell, hogy a mérőberendezésből párhuzamosan kapcsolódó ellenállások értéke nagyságrendekkel nagyobb legyen, mint a mérendő ellenállás. Így a méréshatár felső korlátja kb Ω és ezt közelítve a mérés pontossága is fokozatosan romlik. (Sovány vigasz, hogy néhány kω-os kontakthibákkal nem kell törődnünk.) 2. Egy mérendő minta kapacitív tagként is viselkedik, az ezt figyelembe vevő helyettesítő áramkör az 1a. ábrán látható. Az egyes elemekre jutó áram időbeli lefolyását a 1b. ábra mutatja. 1

2 1. ábra (az a ábrán R A, R L természetesen ellenállás, amely a z abszorpciós ill. a szivárgó áramot engedi át) A kondenzátor töltőárama viszonylag gyorsan, általában 1 másodpercen belül 0-ra csökken (azaz a kezdeti, viszonylag kisebb ellenállás gyorsan megnő). Abszorpciós áram: a dielektrikumban, főképp a fém-szigetelő határfelületen az áthaladó áram hatására polarizáció lép fel, és ennek eredményeképp nő a minta ellenállása. Pl. sok szigetelőben pozitív ionok szállítják a töltéseket, ezek idővel elvándorolnak a pozitív fegyverzet közeléből, és egy lassan vastagodó, töltéshordozókban még jobban kiürített réteg keletkezik, aminek folyamatosan nő az ellenállása. Szivárgási áram: végül ez a szigetelés valós ellenállásából származó áram, azonban beállási ideje határozatlan. Akkor mérhetjük, ha a kapacitív és az abszorpciós áram már 0-ra csökkent. Az összehasonlíthatóság érdekében az 1 perces leolvasást fogadjuk el a minta ellenállásaként. Ugyanakkor sok esetben az ellenállás több tíz percen keresztül folyamatosan nő, sőt azt tekintik jó szigetelésnek, ahol ez a növekedés nagyobb. Ezért újabban az ellenállás időfüggésének mérését is javasolják. Az abszorpciós áram növekedésére két jellemzőt is használnak. Ezek a szigetelés aktuális állapotát is mutatják, a határ alattiak az öregedés, a nedvesség beépülés, szennyeződés jelei. 1. Polarizációs index: PI = 10 perces R / 1 perces R Értéke jó szigetelőkben 5 10 körüli 2. Dielektromos / Abszorpciós arány = 60sec R / 30 sec R A jó érték 1,25 feletti Ellenállásmérések összeállítása. A mérések összeállításánál ügyelni kell arra, hogy a szigetelt vezetékek mindig a levegőben haladjanak és sehol se érhessenek egymáshoz, mert ezek a pontszerű érintkezési helyek is párhuzamosan kapcsolódhatnak a mérendő objektummal. 2

3 Mivel a mérések során viszonylag nagy feszültségek esetén is csak kis áramok folynak, nagy jelentősége van az egyes feszültség alatt álló részek, vezetékek szórt kapacitásainak. Ezért igen gondosan kell árnyékolni a mérőműszer előtti, feszültség alatt álló részeket, mert a környezetben való kis mozgások is szórt kapacitások változásával járnak és - figyelembe véve a körben folyó áram nagyságát - az ezzel előidézett töltőáram befolyásolhatja a mérési eredményeket, ill. megnehezíti a műszerek leolvasását. A táplálófeszültség csak igen sima egyenfeszültség lehet. Már kismértékű (1%-on belüli) változások is jelentős eltéréseket okozhatnak. A fellépő kapacitív áram: dq d( CU ) dc I c = = = U + dt dt dt Azaz akár a környezet kapacitásának változása (pl. ε változása) akár a mérőfeszültség ingadozása jelentősen megzavarhatják a mérési eredményeket. (A kapacitív áram természetesen majdnem mindig elhanyagolhatóan kicsi, de jó szigetelők esetén a mérőáram is csak néhány pa) Fontos még, hogy a méréskor kis ellenállású földelővezetéket alkalmazzunk és valamennyi objektum földelését egy helyről végezzük. Ezzel elkerülhetjük, hogy földelővezetékből hurok alakuljon ki, amiben olyan feszültség indukálódhat, ami a különböző berendezések földelt pontjainak potenciálját egymáshoz képest eltolja. du dt C Fajlagos térfogati ellenálláson az 1 cm élhosszúságú kocka két szemben fekvő lapja között mérhető ellenállást értjük, ha áram csak az anyag belsejében folyik, és a tér homogén. A definícióban említett feltételeket ún. védőgyűrűs elektródelrendezés segítségével lehet biztosítani. A 2. ábra Védőgyűrűs elektróda a fajlagos ellenállás mérésére lehet biztosítani. védőgyűrű szerepe az, hogy a felületen és a tér inhomogén részén átfolyó áramot a műszer megkerülésével vezesse el. Nagyon fontos, hogy az elektródok egész felületükkel tökéletesen felfeküdjenek a szigetelőanyagra. A tökéletlen fölfekvés következtében ui. egyrészt a felület nagysága határozatlan lesz, másrészt diszkrét érintkezési helyek esetén a tér elveszti homogenitását. A minél tökéletesebb érintkezést esetenként higanyelektródokkal, fémbeszórással stb., A szigetelési ellenállást jelentősen befolyásolják a mérési körülmények (hőmérséklet, a levegő páratartalma stb.), ezért csak olyan ellenállásértékeket szabad mértékadónak tekinteni, aminél ezek tisztázottak. 3

4 A felületi ellenállás elsősorban áramköri modulok hordozóinál fontos adat, hiszen ezeken a vezetőpályák között esetleg csak 0,1mm szigetelőcsík marad, sőt hibrid IC-kben még kevesebb. Ennek a vékony sávnak kell a megfelelő szigetelést biztosítani. A felületi ellenállás nem egyértelmű anyagi jellemző, ui. semmilyen elektródelrendezéssel nem tudjuk kiküszöbölni, hogy a felületen kívül az anyag belsejében is folyjék áram. A felületi ellenállásra igen nagy hatással vannak a külső tényezők. Erősen függ az anyag hőmérsékletétől, a felület állapotától, tisztaságától, a környező levegő nedvességtartalmától. Ezért csak gondosan megtisztított, szárított felületen lehet mérni, a levegő 65 ± 5% relatív nedvességtartalma mellett. A szabvány szerint felületi ellenálláson a szigetelőanyagra fektetett 2 db 100 mm hosszúságú, egymástól 10 mm távolságra levő párhuzamos elektród között mért ellenállásértéket értjük. A gyakorlaton, hogy a mért ellenállásunk kisebb legyen, egymáshoz közelebbi és hosszabb elektródcsíkokon mérünk. (A 3. ábrához hasonló mintákat használunk, a fekete csík az elektród, fehér a szigetelő felülete. A könnyebb kezelés érdekében a szigetelőcsíkot szerpentin alakra feltekertük.) Ebből az un. négyzetes ellenállást számíthatjuk. (Belátható, hogy egy, a felületen kijelölt négyzet ellenállása független a négyzet nagyságától, feltéve, hogy a vezető réteg vastagsága állandó.) A rajz szerinti elektródokkal tulajdonképpen n db párhuzamosan kapcsolt négyzet ellenállását mérjük, ahol n = l/d Veszteségi tényező és permittivitás vizsgálata Váltakozófeszültség rákapcsolása esetén a kialakuló térerősség hatására a töltéshordozók elmozdulnak, vándorlásba kezdenek. A szigetelőanyagban váltakozófeszültségen is létrejön a vezetés valamint a polarizáció. Egy-egy félperiódus alatt a vezetés és a polarizáció is olyan mértékig alakulhat ki, amire az adott idő alatt lehetőség van. Mind a vezetés, mind a polarizáció energiát fogyaszt, ezáltal a szigetelésben veszteség keletkezik. Definíció szerint tgδ veszteségi tényező (más néven D: disszipációs faktor) a hatásos és a meddő áram-komponensek hányadosa. Fizikailag a kondenzátor feltöltése majd kisütése során a villamos energia egy része hővé alakul, ennek jellemzésére alkalmas a veszteségi tényező. A veszteségi teljesítmény P = U I tgδ = U ω C ε tgδ 2 v c 0 Ahol C 0 az eszköz geometriai kapacitása. Ebben az összefüggésben szétválasztható az egyenlet az anyagi minőségtől független (U 2 ω C 0 ), és egy attól függő részre (ε tgδ). 3. ábra Vezetőhálózat a felületi ellenállás méréséhez 4. ábra A veszteségi szög 4

5 A veszteségi tényezőt jelentősen befolyásoló tényezők közül a frekvencia, és a hőmérséklet hatását vizsgáljuk részletesebben. Mint ismert, a polarizációfajták kialakulásához jellegüktől függően különböző idő szükséges. A frekvencia növekedését tehát nem minden polarizáció tudja követni, hanem különböző frekvenciákon, egy-egy rezonanciához hasonló jelenség után már eltűnnek. Olyan anyagoknál, ahol a veszteség létrejöttében a polarizáció dominál, ez a jelenség a veszteségi tényező és a permittivitás változásában is tükröződik. 5. ábra A polarizáció frekvenciafüggése A veszteségi tényező vizsgálata felvilágosítást nyújthat a veszteségek eredetéről, a frekvencia függvényében végzett vizsgálatok képet adhatnak az anyagszerkezettel összefüggő kérdésekről, tehát a szigetelés állapotáról. Kerámia dielektrikumok A kerámia kondenzátorokban dielektrikumként döntően un. titanát kerámiákat használnak. Természetesen egyik fő alapanyag a TiO 2, de a különböző igények kielégítésére még néhány jellegzetes oxidot alkalmaznak. A kondenzátorokat alapanyagaik tulajdonságai miatt két fő csoportba oszthatjuk: Az I típus jellemzői: A II típus jellemzői: közepesen nagy relatív permittivitás ( ) kis veszteségi tényező (tgδ< , 1 MHzen mérve) hőmérsékletfüggése lineáris, a TK értéke +150 és között változik. fajlagos ellenállásuk nagyobb Ωcm-nél a fenti paraméterek nagy stabilitással rendelkeznek Ezek a kondenzátorok kiváló nagyfrekvenciás tulajdonságaik miatt elsősorban rezgőkörökben alkalmazhatók, kb. 100 Mhz frekvenciáig. A igen magas relatív permittivitás ( ) közepes veszteségi tényező (tg δ < ) a permittivitás jelentősen függ a hőmérséklettől, és a kapcsolat nem lineáris a fajlagos ellenállás nagyobb Ωcm-nél a névleges adatok körül jelentős szórás tapasztalható ( % tűrés is lehet) ε r függ a feszültségtől a kristály doménszerkezete miatt az anyagok ferroelektromos tulajdonságúak. Legismertebb képviselőik: BaTiO 3 (bárium- 5

6 polikristályos TiO 2 -nek kb. 110-es ε mellett ppm- es TK-ja van. Ha javítani akarunk a hőmérsékletfüggésen, általában MgO-t adagolunk hozzá, amelynek pozitív a TK-ja, de ezzel ε is lecsökken alá. titanát), SrTiO 3 (stroncium-titanát), PbZrO 3 (ólom-cirkonát). A BaTiO 3 permittivitásának hőmérsékletfüggéséből látszik, miért nem várható lineáris TK ezektől az anyagoktól. A permittivitás és a veszteségi tényező hőmérséklet-, frekvencia- és feszültségfüggése a két dielektrikum típusra vonatkozóan. 6

7 Ellenőrző kérdések Sorolja fel és értelmezze a szigetelőanyagok jellemző tulajdonságait. Hol van szerepe a felületi ellenállásnak, és milyen tényezők csökkenthetik az értékét? Mi a négyzetes ellenállás? Mi a polarizációs index, mi az eredete, mit tudhatunk meg belőle? Melyek a legfontosabb méréstechnikai szempontok a szigetelési ellenállás mérésekor? Mi a kapacitív áram, mi az eredete? Mi a permittivitás és a veszteség anyagszerkezeti oka? Milyen típusai vannak a dielektromos veszteségnek? Melyek a polarizáció alaptípusai? Mi a veszteségi teljesítmény, mitől függ? Jellemezze az I. és II. típusú kerámia dielektrikumokat villamos tulajdonságok és jellemző összetétel szerint! Mi a ferroelektromosság? 1/ Fajlagos ellenállás Mérési feladat A kapott minták műanyag lapok, NYHL hordozók, üveg-, kerámia lapok. Ezek közül 6 db ellenállásának mérése közvetlen leolvasású műszerrel, ebből ρ kiszámítása (a belső elektróda = 73,5mm, így minden itt mért mintánknál A = 42,43 cm 2 ) (1 táblázat 1 4 oszlop) 2/ Polarizációs index Az előző minták közül kiválasztanak kettőt, olyanokat, amelyeknél az 1 perces mérés során különböző volt az ellenállás-növekedés. Ezeknek 10 percig folyamatosan mérjük az ellenállását, grafikonon ábrázoljuk és kiszámítjuk a polarizációs indexet. 3/ Felületi ellenállás Üveghordozóra párologtatott vezetőhálózat és NYHL-re maratott rajzolaton. A két elektródra egy tűs mérőfejjel csatlakozunk. R -et számítjuk a geometriai arányok ismeretében. 4/Dielektromos állandó és veszteségi tényező az 1/ feladatban megmért mintákat használjuk. (1. táblázat, oszlop) Mérés 100 khz-es mérőhíddal. A műszerről közvetlenül leolvasható a kapacitás (C) és a veszteségi tényező (D). A relatív permittivitás kiszámítása: Elvileg Canyag ε rel = A mérőszonda elektródái közé C befogjuk a mintadarabot, C anyag -ot leolvassuk. A minta vastagságát a mérőfejen levő mikrométeren megjegyezzük és a levegő-kondenzátor (C levegő ) mérésnél ugyanoda állítjuk vissza. (További mérési tanácsok a műszerismertetőben.) A mérés során nem tudjuk kiküszöbölni a mérőfej saját kapacitását. Ezt egy párhuzamosan kapcsolt kondenzátornak tekintjük, és értékét ki kell vonnunk mindkét mért adatból (C anyag, C levegő ) levego 7

8 Mivel nagysága kicsit változik a vastagsággal, ezért értékét méréssel kell meghatároznunk, a következőképpen: Ismerve a geometriai adatokat, C levegő számítható is, és a mért adattal összehasonlítva, a kettő különbsége lesz a mérőfej aktuális kapacitása ( C korr ). Ezzel a korrekcióval már számítható a minta permittivitása: ε rel = C C anyag levego C C korr korr (A számított értékek a jegyzőkönyvi táblázat alatt megtalálhatók, ha az adott mintánk vastagsága épp két kerek érték között van, mérjük meg C levegő -t a legközelebbi kerek értéknél is és az itt kapott C korr -t használjuk.) 5/ Kerámia tárcsakondenzátor A kikészített kondenzátorok közül (korábbi hallgatói munkák) 2-3 db-nak megmérjük a kapacitását és veszteségi tényezőjét, számítjuk ε rel -ot. választhatóan: ugyanezen kondenzátorokon a/ ε rel és tgδ hőmérsékletfüggését b/ ε rel és tgδ frekvenciafüggését. A hőmérsékletfüggés mérése: a fűthető mintatartóban kb 100 o C ra melegítjük a kondenzátorokat, majd lehűlés közben (közel egyensúlyi állapotban) 10 fokonként mérjük a C-t és tgδ-t, számítjuk ε-t. (Ez a mérés jelenleg nem végezhető el.) A frekvenciafüggés mérése: a rendelkezésre álló műszer 100Hz-től 10 khz-ig képes dekádonként mérni. A kapacitás ezalatt gyakorlatilag állandó, veszteségi tényező változása általában így is jól látható. A rend kedvéért a képlet: C = ε 0 ε r A d 8

9 Jegyzőkönyv Szigetelőanyagok vizsgálata Mérést végezte: (név, neptun kód, laborcsoport Gyakorlatvezető: Mérés ideje: Érdemjegy: 1. és 4. feladat: dielektromos jellemzők minta neve d(mm) (vastagság) R(MΩ) ρ(ωm) C(pF) C lev mért C lev számított C korr ε rel D ( tgδ) A számításhoz használt összefüggések: (Az ismert adatokat, nagyságrendi átszámításokat helyettesítse be, az állandókat vonja össze, csak d -t (mm-ben) és R - t MΩ-ban) kelljen behelyettesíteni!) ρ = (Ωm) Tapasztalatok, az eredmények értékelése A C lev számított értékei: Vastagság mm 0,5 0,6 0,7 0,8 1,0 1,2 1,4 1,5 1,6 1,8 2,0 2,5 3,0 3,5 4 C számított pf , , ,4 19,2 15,4 12,8 11 9,6 3. feladat: Felületi ellenállás Minta neve l/d R mért MΩ R négyzet MΩ Tapasztalatok, az eredmények értékelése 9

10 2. feladat: Polarizációs index idő 10s 20s 30s 40s 50s 1p 2p 3p 4p 5p 6p 7p 8p 9p 10p R 1 R 2 1-es minta neve: polarizációs index PI 1 = 2-es minta neve: ellenállás PI 2 = idő (perc) 5/b feladat: Kerámia kondenzátorok: ε és tgδ frekvenciafüggése Minta neve Átmérő (mm) Vastagság (mm) Frekvencia C ε rel tgδ 0,1kHz 1kHz 10kHz 0,1kHz 1kHz 10kHz 10

11 Műszerek kezelése (Az alábbi műszerleírások megtalálhatók a mérőhelyen, a fotókat kinyomtatni nem szükséges) Megohmmeter IM 6 (Radiometer) Ezen mérjük a fajlagos ellenállást a védőgyűrűs elektródokkal. A mérés menete: 1. A minta csatlakoztatása az ábra szerinti helyekre 2. Az árnyékoló doboz fedelének feltétele 3. A méréshatárt a széles tartományra kapcsolva a jobb oldali (test voltage) kapcsolót lefele nyomva megállapítjuk a mintánk ellenállásának nagyságrendjét 4. A méréshatárt erre a nagyságrendre állítjuk és a test kapcsolót felkapcsolva megkezdjük a mérést, és az előírás szerinti időben leolvassuk az ellenállást 5. Ha a polarizáció miatt annyira megnő az ellenállás, hogy méréshatárt kell váltani, ezt megtehetjük a mérés megszakítása nélkül is 6. A minta lemérése után test kapcsolót középállásba kapcsoljuk, ekkor a mérőfeszültség már nincs a kimeneten, és csak ezután emeljük le az árnyékoló fedelét és cserélhetünk mintát A felületi ellenállást az MCP 2683 digitális szigetelési ellenállásmérőn mérjük tűs érintkezők segítségével. A műszer kezelése különösebb felkészülést nem igényel. A jobb összehasonlíthatóság érdekében a mintákat mérés előtt alkohollal mossuk le és szárítsuk meg. 11

12 Kapacitásmérők: A szigetelőanyag minták dielektromos jellemzőit az MCP CT 2817-es precíziós LCR mérőn határozzuk meg. A műszer bekapcsolás után azonnal mérőkész, és a C és a tgδ közvetlenül leolvasható. A mérés menete: 1. Bekapcsolás előtt szorítsuk össze a mérőszonda elektródjait, és ellenőrizzük, hogy a mirométeróra nullán van-e. Ha kell, állítsuk be. Nyissuk szét az elektródákat. 2. Csatlakoztassuk a mérőszondát a műszerhez 3. A mintát csúsztassuk az elektródok közé, és kíméletesen szorítsuk össze az elektródokat 4. Leolvassuk a kapacitást és a veszteségi tényezőt 5. Megjelöljük a szondán levő mikrométer állását, kilazítjuk a szorítócsavart, kivesszük a mintát és visszaállítjuk a szorítócsavart. Ezzel ugyanolyan vastag levegőkondenzátort állítottunk elő, mint az anyagvastagság volt. Az így leolvasott érték lesz a C lev. 6. Ha szükséges, az anyagvastagsághoz legközelebbi kerek értéknél újra lemérjük C lev értékét a C korr meghatározásához. RLC tűrésmérő híd Bruel & Kjaer Ezen mérjük a kerámia kondenzátorok kapacitását, veszteségi tényezőjét. A mérés elve: a műszer egy mérőhíd, három frekvencián működik, használható kapacitás mellett ellenállás és induktivitás mérésére is. Külső összehasonlító dekád szükséges hozzá (jelen esetben a kis kapacitások miatt egy precíziós forgókondenzátort használunk). A műszert eredetileg gyártósor végi kézi sorozatmérésre tervezték. Beállítható az alkatrész tervezett tűréshatára (100%, 20%, 5%, 1%.0,2%), és egy gyors csatlakoztatással a három lámpa egyike jelzi, hogy az eszköz belül van-e a határon, nagyobb vagy kisebb a megengedett értéknél. Mi a forgókondenzátorral pontosan kiegyenlítjük a hidat, így tudjuk meg a mérendő kapacitást, ezután a jobb alsó kapcsoló lenyomásával megmérjük a veszteségi tényezőt, amely az alsó skáláról olvasható. 12