Kondensatory foliowe są tanimi i powszechnie stosowanymi elementami w układach zasilania. Powszechność stosowania implikuje potrzebę długotrwałej i niezawodnej pracy.
Ponadto, uszkodzenie kondensatora podczas eksploatacji może spowodować zakłócenia w funkcjonowaniu urządzenia. Stąd, problematyka oceny jakość tych elementów ma istotne znaczenie praktyczne i stała się przedmiotem niniejszej pracy.
Jakość kondensatorów oraz wartości parametrów charakteryzujących te elementy są uzależnione od zjawisk zachodzących w materiałach zastosowanych do ich produkcji, zwłaszcza w dielektryku oraz w kontaktach metalizacji folii z warstwą metalizacji czół zwijki.
Oba wyróżnione obszary są kształtowane w odrębnych procesach technologicznych. Dlatego też postawiony w pracy cel opracowania nowych metod oceny jakości kondensatorów foliowych za pomocą pomiarów sygnałów emisji akustycznej oraz badania odporności na narażenia impulsami prądowymi, ma istotne znaczenie dla określania jakości wytwarzanych kondensatorów. Ponadto, proponowane metody ze względu na krótki czas przeprowadzania badań umożliwiają szybkie testowanie próbek prototypowych w celu porównania zastosowanych materiałów od różnych dostawców.
W rozprawie przedstawiono wyniki szeregu badań jakim poddano wybrane, ze względu na znaczenie w produkcji, typy kondensatorów wykonanych z folii metalizowanej. Pozwoliły one na wskazanie metod umożliwiających ocenę jakości kondensatorów już na etapie produkcji oraz bezpośrednio po ich wytworzeniu, bez konieczności stosowania długotrwałych normatywnych badań trwałości. Walidacja proponowanych metod oceny jakości została potwierdzona wynikami uzyskanymi po poddaniu badanych grup kondensatorów próbom trwałości o czasie nawet do 6000 h.
W pracy postawiono cztery główne tezy:
1. Analiza sygnałów emisji akustycznej zwijek folii ściskanych mechanicznie pozwala wykryć występowanie obszarów wtrącin gazowych, gdzie mogą zachodzić wyładowania niezupełne.
2. Prawidłowość wykonania kontaktu między metalizacją folii a metalizacją czoła zwijki można wykryć za pomocą narażenia impulsem prądowym o ustalonej intensywności.
3. Intensywność sygnałów emisji akustycznej powodowanych wyładowaniami niezupełnymi i obserwowanych w trakcie próby wytrzymałości elektrycznej pozwala przewidywać zmianę właściwości wybranych typów kondensatorów w wyniku ich starzenia.
4. Charakterystyki wybranych parametrów kondensatorów w funkcji napięcia polaryzacji decydują w znacznym stopniu o czasie ich poprawnej pracy.
Wyniki dowodzące słuszności pierwszej tezy przedstawiono w rozdziale 6.3, gdzie wykazano, że zwijki ściskane mechanicznie generują sygnał emisji akustycznej w wyniku tarcia w obszarach występowania wtrącin gazowych. Stwierdzono, że parametry sygnałów emisji akustycznej przy ustalonym naprężeniu zależą od jakości zwijki. Obecnie brak jest jakiejkolwiek metody oceny zwijek po procesie ich termicznej obróbki. Przy ocenie jakości zwijek bazuje się jedynie na pomiarach wykonywanych w dalszych etapach produkcji, co często jest obarczone błędami wynikającymi z wpływu innych etapów procesu produkcyjnego. Proces termicznego kształtowania zwijki jako jeden z najważniejszych determinuje często czas poprawnej eksploatacji kondensatora. Dlatego wdrożenie skutecznej metody jego oceny jest bardzo pożądane.
Druga teza została potwierdzona wynikami przedstawionymi w podrozdziałach 7.1 i 7.2.
Stwierdzono, że jakość połączenia metalizacji folii z warstwą metalizacji czoła zwijki decyduje często o jakość kondensatora i zmianach jego pojemności w trakcie eksploatacji.
Jakość tego połączenia może być oceniona przez przepływ impulsu prądowego o ustalonej wartości, który powoduje zniszczenie wadliwych egzemplarzy.
Trzecia teza została potwierdzona wynikami pomiarów przedstawionymi w rozdziale 6.1.
Natomiast czwarta teza wynikami zawartymi także w rozdziale 6.1 oraz rozdziale 6.2.
Rozdział 6.1 opisuje wyniki próby trwałości kondensatorów przeciwzakłóceniowych.
Przedstawiono w nim analizę wskazującą na związek między wynikami pomiarów wstępnych niektórych parametrów, wykonanych przy odpowiednio dużym napięciu polaryzacji kondensatorów (Rizol, tgδ) oraz intensywności sygnałów emisji akustycznej podczas próby wytrzymałości elektrycznej, a zmianami pojemności ∆C/C po próbie trwałości lub czasem poprawnej pracy kondensatorów τ0. W rozdziale 6.2 przedstawiono wyniki potwierdzające znaczącą korelację między pomiarami wybranych charakterystyk napięciowych
kondensatorów silnikowych po ich wytworzeniu, a zmianami pojemności ∆C/C po próbie trwałości 6000 h.
Wyniki badań pozwoliły na zaproponowanie nowych metod oceny jakości kondensatorów, na poszczególnych etapach procesu technologicznego ich wytwarzania.
Autor proponuje wprowadzenie następujących oryginalnych metod oceny jakości kondensatorów foliowych, polegających na:
− badaniu czy energia sygnału emisji akustycznej rejestrowanego podczas ściskania zwijek przekroczy przyjętą wartość progową,
− testowaniu jakości gotowych kondensatorów przez polaryzację ustalonym impulsem prądowym, niszczącym egzemplarze o wadliwie wykonanych kontaktach między zwijką a metalizacją czoła,
− badaniu zmiany wartości tgδ przy zmianie polaryzacji kondensatora od UN do 2UN i kwalifikacji na tej podstawie do dwóch grup jakości,
− pomiarach rezystancji izolacji Rizol przy napięciu polaryzacji 2 2UN i kwalifikacji na podstawie wartości średniej dla danego typu kondensatorów do jednej z dwóch grup jakości.
Równoczesne spełnienie warunków stawianych przez wszystkie proponowane metody pozwala wybrać kondensatory o wysokiej jakości.
Wymienione procedury pozwalają na rezygnację z długotrwałych badań szeregu prototypowych konstrukcji. Obecnie, ze względu na częste zmiany materiałów stosowanych do produkcji kondensatorów, istnieje konieczność ich szczegółowego testowania celem wyboru materiału o odpowiedniej jakości. Stosując proponowane metody można szybciej zareagować na nieprawidłową jakość dostarczanej folii lub wady powstające podczas produkcji. Szczegółową treść instrukcji opisującej prowadzenie badań testowanych kondensatorów załączono w Dodatku B pracy. Warto podkreślić, że możliwość selekcji kondensatorów do grupy o założonym lub nawet wydłużonym czasie bezawaryjnej eksploatacji pozwala spełnić oczekiwania szeregu odbiorców stawiających znacznie wyższe wymagania, niż wynikające z istniejących norm przemysłowych.
Podsumowując, efektem przeprowadzonych badań poza wymienioną w Dodatku B instrukcją, jest:
− opracowanie dwóch zgłoszeń patentowych,
− wygłoszenie i opublikowanie sześciu artykułów w materiałach konferencyjnych lub zeszytach naukowych,
− przygotowanie i opublikowanie czterech artykułów w recenzowanych czasopismach (w tym dwa w czasopismach wyróżnionych w JCR),
− przygotowanie propozycji kolejnego artykułu, przekazanego do recenzji w Microelectronics Reliability.
Wyniki badań są już wdrożone do oceny jakości kondensatorów w procesie produkcji w Zakładach Podzespołów Radiowych MIFLEX, a zdobyte przez autora doświadczenie będzie z pewnością wykorzystane przy projektowaniu i przygotowywaniu produkcji nowych wyrobów, w tym także kondensatorów o podwyższonym czasie poprawnej pracy.
W pracy przeprowadzano analizy wyników z wykorzystaniem szeregu programów komputerowych. Do analizy czasowo-częstotliwościowej zarejestrowanych przebiegów sygnałów emisji akustycznej został użyty program Matlab, funkcja specgram.
Do wyznaczenia współczynnika korelacji liniowej między wynikami pomiarów użyto programu MS Excel. W tym programie przeprowadzono również aproksymację czasu poprawnej pracy kondensatorów na podstawie pomiarów podczas próby trwałości.
Aproksymacja była przeprowadzona za pomocą regresji liniowej, z zastosowaniem funkcji reglinp. Ponadto, przeprowadzono analizę rozkładu pola elektrycznego w wybranych fragmentach kondensatora używając programu FEMM, który stosuje metodę elementów skończonych.
W następstwie przeprowadzonych prac badawczych i analiz otrzymanych wyników, autor uważa, że prowadzone prace warto kontynuować w zakresie:
− badań sygnałów emisji akustycznej generowanych pod wpływem mechanicznego naprężania zwijek w kształcie walca, które nie były analizowane w pracy,
− oceny zjawiska absorpcji dielektrycznej w stosowanych dielektrykach (pomiary ładunku powrotnego i innych wielkości określających parametry kondensatora po jego rozładowaniu).