Пути повышения надежности конденсаторов

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

УКРАИНСКАЯ  ИНЖЕНЕРНО-ПЕДАГОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ 

Кафедра креативной педагогики и интеллектуальной собственности

 
 
 

Дидактический проект решения                                   творческой задачи на тему:

«Пути повышения надежности конденсаторов» 
 
 
 

Выполнил                                                                   студент группы ДРЭ-КС4-2

                                                                                    Курилко Б.С. 

Проверила                                                                  Григорова Е.Н. 
 

                  Курсовая работа защищена                                      

                    «___» «__________» 2007г.

                  Оценка______________ 
                   
                   

Харьков 2007

 

Содержание

Введение …………………………………………………………………………3

Постановка цели…………………………………………………………………3

1. Содержание  занятия.………………………………………………………….4

    1. Инвариантная часть……………………………………………………….4
    2. Вариантная часть………………………………………………………….5
  1. Формы организации обучения ……………………………………………...9

Заключение………………………………………………………………………13

Список литературы ……………………………………………………………..14 
Введение

      Существует 4 вида профессиональной деятельности рабочего.

      Каждому квалификационному уровню присущи  определенные виды профессиональной деятельности.

      Рабочий по специальности: „Слесарь-сборщик  по радиоэлектронной аппаратуре”, подготовка которого осуществляется в среднем профессионально-техническом училище (ПТУ) получает среднее специальное образование и образовательный уровень – квалифицированный рабочий.

      Срок  обучения – 3года.

      Проанализировав квалификационную характеристику слесаря-сборщика по РЭА 4-го разряда, пришли к тому, что  у учащегося необходимо сформировать умения решать творческие задачи, находить проблемы и находить пути их решения.  
 

      Цель: получить собственный образовательный продукт в виде формирования способов улучшения надёжностных характеристик конденсаторов в аппаратуре. 

 

1. СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ «ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ               КОНДЕНСАТОРОВ»

      Содержание  методики обучения техническому творчеству включает в себя 2 части:

    1. инвариантная, внешне задаваемая и усваемая учащимся;
    2. вариантная, создаваемую в каждом учащемся в ходе обучения.
    1. Инвариантная часть (рассказываем материал по теме).

      Конденсатор - это элемент электрической цепи, состоящий из проводящих электродов (обкладок), разделённых диэлектриком и предназначенный для использования его ёмкости. Ёмкость конденсатора - есть отношение заряда конденсатора к разности потенциалов, которую заряд сообщает конденсатору.

      В качестве диэлектрика в конденсаторах  используются органические и неорганические материалы, в том числе оксидные плёнки некоторых металлов. При приложении к конденсатору постоянного напряжения происходит его заряд; при этом затрачивается определённая работа, выражаемая в джоулях.

      Классификация конденсаторов:

      1. В зависимости от назначения.

      2. В зависимости от способа  монтажа.

      3. По характеру защиты от внешних воздействий.

      4. По виду диэлектрика.  

      Основные  электрические параметры  и характеристики конденсаторов.

      Номинальная ёмкость - ёмкость, значение которой обозначено на конденсаторе или указано в нормативно-технической документации и является исходным для отчёта допускаемого отклонения.

      Номинальное напряжение - значение напряжения, обозначенное на конденсаторе или указанное в НТД, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.

      Амплитуда переменного напряжения не должна превышать  значения напряжения, рассчитанного исходя из допустимой реактивной мощности.

      Электрическое сопротивление конденсатора постоянному току опр. Напряжения называется сопротивлением изоляции конденсатора. Сопротивление изоляции хар-ет качество изготовления kd и зависит от типа диэлектрика. Для kd, допускающих касание своим корпусом шасси и токоведущих шин, вводится понятие сопротивление изоляции между корпусом и соединёнными вместе выводами.

      Ток проводимости, проходящий через конденсатор  при постоянном напряжении на его  обкладках в установившемся режиме, называют током утечки.

      Величина, применяемая для хар-ки kd с линейной зависимостью ёмкости от температуры и равная относительному изменению ёмкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия (Кельвина), называется температурным коэффициентом ёмкости.

      Под полным сопротивлением конденсатора понимают сопротивление конденсатора переменному синусоидальному току определённой частоты, обусловленное наличием у реального конденсатора наряду с ёмкостью также активного сопротивления и индуктивности. Значения активного сопротивления и индуктивности зависят от характеристик используемых материалов и конструктивного исполнения конденсатора.

      Момент  вращения - минимальный момент, необходимый для непрерывного перемещения подвижной системы конденсатора.

         Цикл перестройки ёмкости - перестройка ёмкости от минимальной до максимальной и обратно.

         Износоустойчивость - это способность конденсатора сохранять свои параметры (противостоять изнашиванию) при многократных сращениях подвижной системы.

         Электрическая прочность - способность конденсаторов выдерживать определённое время (до нескольких минут) приложенное к нему напряжение выше номинального без изменения его эксплуатационных характеристик и пробоя диэлектрика.

       Эксплуатационные  факторы и их воздействие на конденсаторы.

         Эксплуатационная надёжность конденсаторов  в аппаратуре во многом определяется воздействием комплекса факторов, которые по своей природе можно разделить на следующие группы:

  1. электрические нагрузки.
  2. климатические нагрузки.
  3. механические нагрузки.
  4. радиационное воздействие.

        Под воздействием указанных факторов происходит изменение параметров конденсаторов. В зависимости от вида и длительности нагрузки, уходы параметров складываются из обратимого (временного) и необратимого изменения. Обратимые изменения это когда после снятия нагрузки параметры конденсаторов принимают значения, близкие к начальным параметрам.

      Климатические нагрузки

      Температура и влажность окружающей среды  важнейшими факторами, влияющими на надежность, долговечность и сохраняем ость конденсаторов. Длительное воздействие, повышенной температуры вызывает старение диэлектрика, в результате чего параметры конденсаторов претерпевают необратимые изменения. Тепловое воздействие на конденсатор может быть, как периодически изменяющимся. Наряду с внешней t на конденсаторы в составе аппаратуры может дополнительно воздействовать теплота, выделяемая другими сильно нагревающимися при работе аппаратуры изделиями. С ростом t окружающей среды напряжения на конденсаторы должно снижаться.

      В условиях повышенной влажности на электрические  характеристики конденсаторов влияет как плёнка воды, образующаяся на поверхности, так и внутреннего поглощения влаги диэлектриком. Длительное воздействие повышенной влажности наиболее сильно сказывается на изменении параметров негерметизированных конденсаторов. Проникновение влаги внутрь конденсатора снижает сопротивление конденсатора и электрическая прочность. Влага вызывает коррозию металлических деталей и контактной арматуры конденсаторов, облегчает развитие различных плесневых грибков.

Механические  нагрузки

      При эксплуатации и транспортировании аппаратуры конденсаторы подвергаются воздействию различного вида  механических нагрузок: вибрации, одиночным и многократным ударам, линейному ускорению, акустическим нагрузкам. Наиболее опасными являются вибрационные и ударные нагрузки.

      Воздействием механических нагрузок, превышающих допустимые нормы, может вызвать обрывы выводов и внутренних соединений, увеличения тока утечки, появление трещин в корпусах и изоляторах, снижение электрической прочности, изменение установленной ёмкости у построечных конденсаторов.

Радиационные  воздействия

        Воздействие, ионизирующих излучений может, как непосредственно вызывать изменение электрических и эксплуатационных характеристики конденсаторов, так и способствовать ускоренному старению конструкционных материалов при последующем воздействии др. факторов. Процессы, протекающие в конденсаторах в условиях воздействия, ионизирующих излучений, коренным образом отличаются от процессов старения в обычных условиях эксплуатации. В результате воздействия в конденсаторах также могут возникать явления, приводящие к обратимым или остаточным изменениям их пар-ров.

      Радиационные  нарушения структуры материалов могут приводить и к ухудшению  основных характеристик конденсаторов - срока службы, мех-кой и эл. прочности, влагостойкости.

Электрические нагрузки

      Необратимые наибольшие изменения пар-ров вызываются длительным воздействием электрической нагрузки, при которой происходят процессы старения, ухудшающие электрическую прочность.

      При постоянном напряжении основной причиной старения являются электрохимические процессы, возникающие в диэлектрике под действием постоянного поля и усиливающиеся с повышением t и влажности окружающей среды.

      При переменном напряжении и импульсных режимах основной причиной старения являются ионизационные процессы, возникающие внутри диэлектрика или у краёв обкладок, преимущественно в местах газовых включений.

      Напряжение  электрического поля в диэлектрике  конденсатора при его испытаниях выбираются с некоторым запасом, эксплуатация под электрической нагрузкой превышающей номинальное напряжение, резко снижает надёжность конденсаторов.

Указания  по выбору и эксплуатации конденсаторов

      Эксплуатационная  надёжность конденсаторов во многом определяется правильным выбором типов  конденсаторов при проектировании аппаратуры и использовании их в режимах, не превышающих допустимые.

Указания  по монтажу и креплению конденсаторов

      Крепёжные приспособления не должны повреждать корпус и защитные покрытия конденсаторов. Устройства для крепления не должны ухудшать условий отвода теплоты от конденсаторов. Не разрешается использовать лепестковые выводы конденсаторов для припайки к ним других деталей. Крепить конденсаторы при установки в аппаратуру следует без перекосов. Пайку следует производить бес кислотными флюсами; при этом не должно происходить опасного перегрева выводных узлов конденсатора.

      При монтаже неполярных конденсаторов  с оксидным диэлектриком необходимо обеспечить изоляцию их корпусов от других электрических, шасси и друг от друга.

      При плотном монтаже конденсаторов  для обеспечения изоляции корпусов допускается надеть на них изолирующие трубки. При этом они не должны нарушать покрытие конденсаторов, ухудшать электрические характеристики, вызывать перегрев конденсаторов сверх допустимой нормы. Особую осторожность следует соблюдать при установке конденсаторов в микросхемы, микросборки и на  малогабаритные печатные платы.

Защита  конденсаторов от воздействия механических нагрузок

      Максимальная  нагрузка на конденсатор достигается  при резонансе, когда частота  вибраций равна частоте собственных колебаний конденсатора. Кроме изменения частоты  конденсатора применяют дополнительные способы крепления.

Защита  конденсаторов от воздействия повышенной влажности

      Наиболее  эффективным способом защиты является герметизация в металлическом или керамическом корпусе. Другие способы защиты (покрытие эпоксидными компаундатами, опресовка пластмассами и др.) менее эффективны. При недостаточной собственной защите применяется герметизация блоков аппаратуры или всей аппаратуры. Чтобы избежать повышения влажности и выпадение росы внутри герметизированных блоков необходимо помещать влагопоглащающие вещества.

      1.2 Вариантная часть.

      Вариантная  часть включает формулировку проблемы и методы устранения проблемы в виде разработки дерева решений.

      В качестве объекта выбран конденсатор.

      Проблема: выявление причин отказа работы конденсатора и пути повышения его надёжности. 

 

 
 

 
 
 

 
 
 
 

 
 
 
 
 
 

     Использовать  переменное  Использовать охлаждающие  Устанавливать антивибрационные   Поместить конденсатор в

      напряжение для предотвращения                   устройства блоки  свинцовую оболочку

      электрохимических процессов 

      

      вентиляторы азотные уст-ва

      радиаторы

 

     Герметизировать сам проводник Герметизация в металлическом  Изолировать корпус конденсатора

      и края обкладок            или керамическом корпусе и контакты

 Внутри герметизированных блоков

 керамический стеклянная         помещать влагопоглащающие  изоляционные  залить смолой

      корпус                          колба         вещества трубки

 металлический     покрытие

        корпус диэлектриком

 сорбенты углекислый натрий Использовать дополнительные

         силикогель крепления на плате

    
 
 
 
 

Рисунок 1. Дерево решений 

 

    2. Формы организации обучения

    Формы организации обучения – это ограниченное рамками времени конструкция  отдельного звена процесса обучения.

    В качестве форм организации обучения техническому творчеству выбираем эвристический урок креативного типа: урок постановки проблем и их решения.

Таблица 1

Описание  эвристических вопросов

№ блока Эвристические вопросы Обоснование вопроса и желаемый ответ
1  1. Какие Вы  знаете элементы радиоэлектронной аппаратуры?   Резистор, трансформатор, конденсатор, диод, катушки индуктивности и т.д.

  Контроль  базовых знаний.

 2. Что Вы знаете о конденсаторах?  
 
 
 		   Конденсатор - это элемент электрической цепи, состоящий из проводящих электродов (обкладок), разделённых диэлектриком и предназначенный для использования его ёмкости.

  Контроль  базовых знаний.

 3. По каким критериям разделяют  конденсаторы?   Конденсаторы  разделяют по таким критериям:

      1. В зависимости от назначения.

      2. В зависимости от способа  монтажа.

      3. По характеру защиты от внешних воздействий.

      4. По виду диэлектрика.

Контроль базовых знаний.

2  1. Какие проблемы  возникают при эксплуатации конденсаторов?   Старение  конденсатора в результате длительного пользования им или выход его из строя в результате небрежного поведения или каких либо факторов.
 2. Какой параметр долговечности наиболее важен?   Наиболее  важным параметром долговечности является надежность.
 3. Какие факторы влияют на надежность конденсатора?    Эксплуатационная  надёжность конденсаторов в аппаратуре во многом определяется воздействием комплекса факторов, которые по своей природе можно разделить на следующие группы:
    1. Электрические нагрузки.
    2. Климатические нагрузки.
    3. Механические нагрузки.
    4. Радиационное воздействие.
  
3.1  Каким образом  происходят процессы старения, ухудшается электрическая прочность конденсатора?    При длительном воздействии электрической нагрузки.
3.1.1  1. Если учесть  что данная задача относится к типовым задачам, то вспомните какой информационный фонд существует в ТРИЗ для решения стандартных задач?   Применение  стандартов в решении типовых  задач.
 2. Что лежит в основе стандартов?   Випольный анализ
 3. Пользуясь стандартами, выберете  необходимый стандарт.   Применение  переменного напряжения.
 4. Какие достоинства этого решения?   Увеличивается долговечность конденсатора.
 5. Какие существуют недостатки?      При  переменном напряжении основной  причиной старения являются ионизационные процессы, возникающие внутри диэлектрика или у краёв обкладок.
3.1.2  1. Какую технологию  изготовления Вы можете предложить?     Выдувать  стекло вокруг конденсатора.
 2. Сравните, какой из предложенных корпусов наиболее эффективен по технологии изготовления.   Керамический  проще всего изготовить.
 3. Какие достоинства этого решения?   Уменьшаются электрические нагрузки на конденсатор.
 4. Какие существуют недостатки?   Применение  дополнительной технологии при изготовлении данных корпусов приводит к затратам времени и финансов.
3.2  1. Каким образом внешняя среда может воздействовать на РЭА?   Длительное  воздействие, повышенной температуры вызывает старение диэлектрика, в результате чего параметры конденсаторов претерпевают необратимые изменения. Влага вызывает коррозию металлических деталей и контактной арматуры конденсаторов, облегчает развитие различных плесневых грибков.
3.2.1  1. Какие Вы  знаете наиболее распространенные методы охлаждения?   Вентиляторы, радиаторы и т.д.
 2. Какие достоинства этого решения?   Уменьшается температура воздуха внутри прибора.
 3. Какие существуют недостатки?   Увеличение  размера корпуса для вмонтирования охлаждающих устройств.
3.2.2  1. Как Вы можете предотвратить нагревание конденсатора от внешней среды (увеличение температуры окружающей среды)?   Поместить в температурно-защитное устройство.
 2. Какие защитные устройства Вы знаете?   Металлический или керамический корпус
 3. Какие достоинства этого решения? 
 		   Можно уменьшить температуру проводника без дополнительных приборов.
 4. Какие существуют недостатки?   Введение  в технологию изготовления конденсаторов дополнительные элементы.   
3.2.3  1. Какие методы  устранения повышенной влажности Вы можете предложить?   Герметизировать, использовать влагопоглащающие вещества.
 2. Какие влагопоглащающие вещества  Вы знаете?   Сорбенты, углекислый натрий, силикогель
 3. Какой наиболее эффективен и  простой способ?   Поместить внутрь прибора сорбент.
 4. Какие достоинства этого решения?   Можно полностью  избавится от влаги внутри прибора.
 5. Какие существуют недостатки?   Дополнительные  финансовые затраты на влагопоглащающие вещества.
3.3  1. Какие механические  нагрузки воздействуют на прибор, в котором находится конденсатор, Вы можете привести?   Превышенная вибрация, падение прибора, небрежное  отношение при ремонте и обслуживании.
 2. В результате механического воздействия, какие поломки могут возникнуть?   Перелом ножек непосредственно у корпуса, на плате, повреждение дорожки.
3.3.1  1. Как Вы  можете себе представить антивибрационные устройства?   Как бы это  такие устройства, на которые устанавливается  требуемый прибор, и имеют свойства поглощать или снизывать вибрацию.
 2. Какие изменения вносятся для  уменьшения вибрации?   Дополнительные  крепления, подшипники и пружинки.
 3. Какой метод наиболее эффективен?   Наиболее  эффективной является установка  прибора на резиновые подставки.
 3. Какие достоинства этого решения?   Снижается вибрация устройства.
 4. Какие существуют недостатки?   Сложность выполнения технического момента.
3.3.2  1. Каким образом  можно изолировать корпус конденсатора и контакты?   Надеть  изолирующие трубки, покрыть диэлектриком, залить смолой.
 2. В какой диэлектрик можно поместить  конденсатор с контактами для предотвращения механических повреждений?   В смолу
 3. Какие достоинства этого решения?   Изолируется корпус и контакты конденсатора от механических повреждений.
 4. Какие существуют недостатки?   Увеличение  размера конденсатора
3.3.3  1. А можно  ли уменьшить механические нагрузки, используя дополнительные крепления?   Дополнительные  крепления уменьшаю механические нагрузки на конденсатор.
 2. Какие дополнительные крепления  конденсатора на плате Вы можете  предложить?    В виде подножек или крестовины, резиновая прокладка.
 3. Какой способ крепления на  Ваш взгляд наиболее простой?   Наиболее  простым способом является резиновая подкладка.
 4. Какой способ крепления на  Ваш взгляд наиболее эффективен?   Крепление в виде крестовины.
 5. Какие достоинства этого решения?   Дополнительные  крепления повышают прочность крепления  конденсатора на плате.   
 6. Какие существуют недостатки?   Сложность выполнения крепления конденсатора.
3.4.1  1. Каким образом радиация может воздействовать на РЭА?   Воздействие, ионизирующих излучений может, как непосредственно вызывать изменение электрических и эксплуатационных характеристики конденсаторов, так и способствовать ускоренному старению конструкционных материалов при последующем воздействии других факторов.
 2. Какие Вы знаете методы защиты от радиационного воздействия?   Антирадиационные  экраны, свинцовые оболочки и др. электрические приборы.
 3. Как можно защитить конденсатор от радиации?    Поместить конденсатор в свинцовую оболочку.
 4. Какие достоинства этого решения?   Защита  от радиации приводить к улучшению основных характеристик конденсаторов - срока службы, механической и электрической прочности, влагостойкости.
 5. Какие существуют недостатки?   Очень дорого использовать антирадиационные устройства и материалы.
 

             

Заключение

    При разработке данного дидактического проекта я:

  • получил собственный образовательный продукт в виде формирования способов улучшения надёжностных характеристик конденсаторов в аппаратуре;
  • научился формулировать проблемы и находить методы устранения проблем в виде разработки дерева решений;
    • научился формулировать наводящие вопросы.

Список  литературы

  1. С.Е. Ушакова, В.С. Сергеев, А.В. Ключников, В.П. Припалов. Технология деталей РЭА. – М.: Учебноу пособие для ВУЗов, 1986. – 256.
  2. И.И. Мороз. Повышение качества электрохимического формирования – Электрофизические и электрохимические  методы обработки Научн.-техн. Реф. Сб. 1983. – 287.
  3. В.А. Скакун. Производственное обучение общеслесарным работам: Метод. Пособие для ПТУ. – М.: Высш. Школа, 1989. – 256.
  4. Морозов А.В. Креативная педагогика и психология. - М.: Традиция, 2004. – 560 c.
  5. Михелькевич В.Н. Основы научно-технического творчества. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2004. – 320 с.
Пути повышения надежности конденсаторов