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=RA/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 500 – 1000V, 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 1013 – 1016Ω, 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. 1016Ω 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
1. ábra (az a ábrán RA, RL 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
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: Ic =
dQ d (CU ) dC dU U + = = C dt 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.
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 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 érintkezési 2. ábra Védőgyűrűs elektróda a fajlagos ellenállás mérésére
határozatlan helyek
lesz, esetén
másrészt
diszkrét
a
elveszti
tér
homogenitását. A minél tökéletesebb érintkezést esetenként higanyelektródokkal, fémbeszórással stb.,
lehet biztosítani. A szigetelési ellenállást jelentősen befolyásolják a mérési körülmények (hőmérséklet, a levegő páratartalma stb.), ezért csak olyan ellenállásértékeket szabad mértékadónak tekinteni, aminél ezek tisztázottak.
3
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
ellenállásértéket
párhuzamos értjük.
A
elektród
gyakorlaton,
között hogy
a
mért 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
3. ábra Vezetőhálózat a felületi ellenállás méréséhez
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
4. ábra A veszteségi szög
jellemzésére alkalmas a veszteségi tényező. A veszteségi teljesítmény
Pv = U I c tgδ = U 2 ω C0 ε tgδ Ahol C0 az eszköz geometriai kapacitása. Ebben az összefüggésben szétválasztható az egyenlet az anyagi minőségtől független (U2ω C0), és egy attól függő részre (ε tgδ).
4
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.
A veszteségi tényező vizsgálata felvilágosítást 5. ábra A polarizáció frekvenciafüggése
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 TiO2, de a különböző igények kielégítésére még néhány jellegzetes oxidot alkalmaznak. A kondenzátorokat alapanyagaik tulajdonságai miatt két fő csoportba oszthatjuk: A II típus jellemzői:
Az I típus jellemzői: •
közepesen
nagy
relatív
permittivitás •
(15...200) •
magas
relatív
permittivitás
(1000...20000)
kis veszteségi tényező (tgδ< 8 10-4,
1 MHz- • •
en mérve) •
igen
hőmérsékletfüggése lineáris, a TK értéke
közepes veszteségi tényező (tg δ <25 10-3) a
permittivitás
jelentősen
függ
a
hőmérséklettől, és a kapcsolat nem lineáris
+150 és -2000 10-6 között változik.
•
a fajlagos ellenállás nagyobb 1010 Ωcm-nél
•
fajlagos ellenállásuk nagyobb 1010 Ωcm-nél
•
a névleges adatok körül jelentős szórás
•
a
fenti
paraméterek
nagy
stabilitással
rendelkeznek
tapasztalható (-20... +80% tűrés is lehet) •
εr
függ
a
feszültségtől
a
kristály
Ezek a kondenzátorok kiváló nagyfrekvenciás
doménszerkezete
tulajdonságaik miatt elsősorban rezgőkörökben
ferroelektromos
alkalmazhatók, kb. 100 Mhz frekvenciáig. A
Legismertebb képviselőik: BaTiO3(bárium5
miatt
az
anyagok
tulajdonságúak.
polikristályos TiO2-nek kb. 110-es ε mellett -
titanát),
800 ppm- es TK-ja van. Ha javítani akarunk a
PbZrO3(ólom-cirkonát).
hőmérsékletfüggésen, általában MgO-t adagolunk
permittivitásának
hozzá, amelynek pozitív a TK-ja, de ezzel ε is
látszik, miért nem várható lineáris TK ezektől
lecsökken 20..40 alá.
az anyagoktól.
SrTiO3(stroncium-titanát), A
BaTiO3
hőmérsékletfüggéséből
A permittivitás és a veszteségi tényező hőmérséklet-, frekvencia- és feszültségfüggése a két dielektrikum típusra vonatkozóan.
6
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?
Mérési feladat 1/ Fajlagos ellenállás 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 cm2) (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,
5
–
10.
oszlop)
Mérés 100 kHz-es mérőhíddal. A műszerről közvetlenül leolvasható a kapacitás (C) és a veszteségi tényező (D). A relatív permittivitás kiszámítása:
Elvileg
εrel =
Canyag Clevego
A mérőszonda elektródái közé
befogjuk a mintadarabot, Canyag-ot leolvassuk. A minta vastagságát a mérőfejen levő mikrométeren megjegyezzük és a levegő-kondenzátor (Clevegő ) 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 (Canyag, Clevegő) 7
Mivel nagysága kicsit változik a vastagsággal, ezért értékét méréssel kell meghatároznunk, a következőképpen: Ismerve a geometriai adatokat, Clevegő számítható is, és a mért adattal összehasonlítva, a kettő különbsége lesz a mérőfej aktuális kapacitása ( Ckorr ). Ezzel a korrekcióval már számítható a minta permittivitása:
ε rel =
Canyag − Ckorr Clevego − Ckorr
(A számított értékek a jegyzőkönyvi táblázat alatt megtalálhatók, ha az adott mintánk vastagsága épp két kerek érték között van, mérjük meg Clevegő -t a legközelebbi kerek értéknél is és az itt kapott Ckorr -t használjuk.) 5/ Kerámia tárcsakondenzátor A kikészített kondenzátorok közül (korábbi hallgatói munkák) 2 - 3 db-nak megmérjük a kapacitását és veszteségi tényezőjét, számítjuk εrel-ot. választhatóan: ugyanezen kondenzátorokon
A hőmérsékletfüggés mérése:
a
fűthető
a/
εrel és tgδ hőmérsékletfüggését
b/
εrel és tgδ frekvenciafüggését.
mintatartóban
kb
100oC
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
Jegyzőkönyv Mérést végezte:
Szigetelőanyagok vizsgálata
…………………………………… ……… (név,
Gyakorlatvezető:
neptun kód,
Mérés ideje:
laborcsoport
Érdemjegy:
1. és 4. feladat: dielektromos jellemzők minta neve
d(mm) (vastagság)
R(MΩ)
ρ(Ωm)
C(pF)
Clev
Clev
mért
számított
Ckorr
εrel
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 Clev 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
77
64
55
48
38,5
32
27,5
26
24
21,4
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
2. feladat: Polarizációs index idő
10s
20s
30s
40s
50s
1p
2p
3p
4p
5p
6p
7p
8p
9p
10p
R1 R2
polarizációs index
1-es minta neve:
2-es minta neve:
ellenállás
PI1 =
PI2 = 0
2
4
6
8
10
12
idő (perc)
5/b feladat: Kerámia kondenzátorok: ε és tgδ δ frekvenciafüggése Minta neve
Átmérő (mm)
Vastagság (mm)
Frekvencia
C
εrel
tgδ
0,1kHz 1kHz 10kHz 0,1kHz 1kHz 10kHz
10
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
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 Clev. 6. Ha szükséges, az anyagvastagsághoz legközelebbi kerek értéknél újra lemérjük Clev értékét a Ckorr 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. összehasonlító dekád Külső 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
