Platforma laborator materiale

L U C R A R E A N R . 1

MATERIALE DIELECTRICE SOLIDE

1. Scopul lucrării:

Lucrarea permite determinarea permitivităţii relative complexe şi

analiza comportării acesteia în frecvenţă (100Mhz - 1Ghz), pentru materiale

dielectrice cu polarizare temporară, folosite frecvent în industria electronică,

fie ca material dielectric pentru condensatoare, fie ca suport de cablaj

imprimat.

2. Noţiuni teoretice

Dielectricii sunt materiale izolatoare, care se caracterizează prin stări de

polarizaţie cu funcţii de utilizare; prin stare de polarizaţie electrică se

înţelege starea materiei caracterizată prin momentul electric al unităţii de

volum diferit de zero. Starea de polarizaţie poate fi temporară, dacă depinde

de intensitatea locală a câmpului electric în care este situat dielectricul şi

poate fi de deplasare (electronică sau ionică) sau de orientare dipolară.

Indiferent de mecanismul de polarizare, în domeniul liniar, interacţiunea

unui dielectric izotrop cu câmpul electric este caracterizată de permitivitatea

relativă complexă (rel. 1 ):

(1)

unde: D este inducţia electrică,

E este intensitatea câmpului electric, iar

, permitivitatea vidului.

Dacă un material dielectric cu permitivitatea complexă relativă r, se

introduce între armăturile unui condensator care are în vid capacitatea Co, în

aproximaţia că liniile de câmp se închid în întregime prin material (efectele

LABORATORUL DE MATERIALE CATEDRA TEF1


de margine sunt neglijabile), admitanţa la bornele condensatorului astfel

format are expresia:

(2)

Schema echivalentă a condensatorului cu material dielectric şi diagrama

fazorială sunt date în Figura 1.

Din schema echivalentă se observă că partea reală a permitivităţii complexe

relative caracterizează dielectricul din punct de vedere al proprietăţilor sale

de a se polariza (indiferent de mecanismul de polarizare) şi are ca efect

creşterea de 'r ori a capacităţii condensatorului la aceleaşi dimensiuni

geometrice, capacitatea condensatorului obţinut fiind :

Ce = ' r Co (3)

Figura 1. Schema echivalentă şi diagrama fazorială pentru un condensator

cu dielectric între armături

Partea imaginară a permitivităţii complexe relative ''r, caracterizează

dielectricul din punct de vedere al pierderilor de energie în material, pierderi

modelate prin rezistenţa

(4)

În diagrama fazorială din Figura 1, unghiul este unghiul dintre tensiunea

U aplicată condensatorului şi curentul I care îl străbate. Complementarul

unghiului de fazaj se numeşte unghi de pierderi şi se notează cu .

Se defineşte tangenta unghiului de pierderi a materialului dielectric, ca fiind

raportul:



(5)

unde: Pa = puterea activă la bornele condensatorului,

Pr = puterea reactivă la bornele condensatorului.

Inversul tangentei unghiului de pierderi se numeşte factor de calitate

al materialului dielectric şi se notează cu

(6)

Permitivitatea complexă relativă poate fi pusă şi sub forma:

(7)

În acest caz, partea imaginară ne dă o informaţie completă asupra

pierderilor totale (pierderi prin polarizare, pierderi prin conducţie electrică,

pierderi prin ionizare) în dielectric. Din punct de vedere al utilizatorului de

componente, pentru materialul dielectric aceşti doi parametri 'r şi tg sunt

esenţiali.

Datorită structurii fizice şi fenomenelor complexe ce se petrec în dielectric,

când asupra acestuia se aplică un câmp electric, permitivitatea dielectrică

reală 'r şi tangenta unghiului de pierderi tg sunt dependente puternic de

frecvenţă şi temperatură.

În Tabelul 1 sunt date caracteristicile tipice ale câtorva materiale studiate în

lucrare (măsurate la = 20 ºC si f = 50 Hz), iar în Figurile 2 şi 3 este

prezentată dependenţa de frecvenţă a permitivităţii, 'r , si a tangentei

unghiului de pierderi, tg, la temperatura constantă de º= 20 ºC, pentru 2

materiale dielectrice uzuale: polietilentereftalat (mylar) şi policarbonat.

Tabelul 1

Material Tip de polarizare 'r tg

Polietilentereftalat polarizare de orientare 3 (45)·10-3

Polimetacrilat de " 3,5 0,020,08



metil (plexiglas)

Policarbonat " 3 (812)·10-4

Hârtie de conden-

sator

" 6,6 (67)·10-3

Politetrafluretilenă

(teflon)

polarizare de deplasare

electronică

1,92,2 (14)·10-4

Fig.2 Fig.3

3. Aparatura utilizată: analizorul RF de impedanţă/ material, model

E4991A, Agilent.

Aparatul de măsură şi control cu ajutorul căruia se execută măsurarea

permitivităţii complexe relative a materialelor dielectrice este analizorul RF

de impedanţă/material, model E 4991A. Acesta este folosit pentru

măsurarea impedanţei, a permitivităţii complexe relative a materialelor

dielectrice şi a permeabilităţii magnetice relative a materialelor magnetice.

Lucrarea se ocupă de măsurarea permitivităţii complexe relative a

materialelor dielectrice solide într-o gamă largă de frecvenţe.

În scopul măsurării permitivităţii complexe relative a materialelor

dielectrice, analizorul de materiale E 4991A foloseşte următoarele accesorii:

capul de test E4991A, dispozitivul de fixare a materialelor dielectrice

16453A, suportul de fixare, tastatura, penseta, mouse-ul, proba standard de


Figura 2. Dependenţa de frecvenţă a lui r' si tg

pentru polietilentereftalat la temperatura de 200C

Figura 3. Dependenţa de frecvenţă a lui r' si tg

pentru policarbonat la temperatura de 200C


material dielectric şi probele de material dielectric solid de măsurat,

Figura 4. Opţional, se foloseşte un display, care se conectează la panoul

din spate al analizorului.

Figura 4 Analizorul E4991A şi accesoriile folosite la măsurarea

permitivităţii

Analizorul E 4991A măsoară, calculează şi vizualizează valoarea

permitivităţii complexe relative a materialului dielectric solid si a tangentei

unghiului de pierderi din valoarea capacităţi condensatorului echivalent.

Condensatorul echivalent, Ce este realizat fizic din: electrozii superior si

inferior ai dispozitivului pentru test, 16453A şi materialul testat (MUT -

Material Under Test) MUT se poziţionează între electrozii dispozitivului

de fixare pentru test, 16453A, aşa cum este prezentat în Figura 5.

a) b)



Figura 5 a) dispozitivul de fixare a materialului dielectric 16453A;

b) condesatorul echivalent.

Partea reală a permitivităţii complexe relative se determină cu relaţia:

(8)

unde: S = Si - suprafaţa electrodului inferior, cu diametrul de 7mm,

g - grosimea materialului dielectric;

Partea imaginară a permitivităţii complexe relative esre data de relaţia:

(9)

iar, tangenta unghiului de pierderi a materialului dielectric rezulta din

raportul celor doua marimi

(10)

4. Desfăşurarea lucrării

Modul de executare în detaliu a fiecărui pas din schema logică de masura

este descris în ANEXA 1 a lucrării de laborator.

4.1 Mod de lucru şi prelucrarea rezultatelor

4.1.1 Se măsoară permitivitatea complexă, partea reală şi imaginară ale

acesteia şi tangenta unghiului de pierderi, pentru următoarele materiale:

politetrafluoretilena (teflon), polimetacrilat de metil (plexiglas), stratificat

pe bază de hârtie (pertinax), stratificat pe bază de sticlă (sticlotextolit) şi a

oxidului de aluminiu (alumina) în gama de frecvenţe de la 100 MHz la

1GHz.

Materialele se fixează, pe rând, în dispozitivul de fixare a probei de test

16453A (Figura 5) şi se parcurge algoritmul din ANEXA 1. Calibrarea



analizorului se execută o singură dată. Valorile măsurate ( , ,tgδ) la

diferite valori ale frecvenţei de lucru, se trec în Tabelul 2. Ultima linie din

tabel se completează cu valorile factorului de calitate, care se calculează cu

relaţia (6).

4.1.2 Se va reprezinta, în trei grafice separate, evoluţia , si tgδ

pentru cele cinci materiale măsurate, teflon, sticlotextolit, pertinax şi

plexiglas şi se va comenta modul în care se modifică parametrii menţionaţi

în gama de frecvenţă.

Tabelul 2

F [MHz] 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Tef

lon

g= 3

mm

tgδ

Qε

Ste

clot

exto

lit

g= 1

mm

tgδ

Qε

Per

tina

x

g= 0

,95m

m

tgδ

Qε

Ple

xigl

as

g= 2

,1m

m

tgδ

Qε



Alu

min

a

g=1m

m

tgδ

Qε

4.1.3 Se măsoară , ale probelor din plexiglas şi steclotextolit la

frecvenţele date în Tabelul 3 şi rezultatele se trec în tabel. Se realizează din

cele două probe un sandwich care se introduce între electrozii dispozitivului

de fixare şi se măsoară valorile care se înscriu în tabel, pentru trei valori

ale frecvenţei.

Tabelul 3

Material

f[MHz]

, ,

100 500 800

Pertinax

(g1 = 0,95mm)

Steclotextolit

(g2 = 2,1mm)

Sandwich pertinax +

steclotextolit

( g1+2 = 1,95mm)

măsurat

Sandwich pertinax +

steclotextolitcalculat

Sandwich pertinax +

steclotextolitmăs - calc =

Se calculează cu relaţia următoare:



(11)

unde: valorile lui g1 şi g2 se în mm

Se compară rezultatele obţinute prin măsurători cu cele calculate şi se

justifică eventualele diferenţe.

5. Conţinutul referatului

1. scopul lucrării;

2. valorile măsurate şi valorile calculate (Tabele 2 şi 3); se foloseşte

formula (6) pentru calculul factorului de calitate Qε;

3. reprezentarea grafică

pentru

materialele măsurate; fiecare grafic va fi comentat.

4. determinarea atât prin măsurare cât şi prin calcul (Tabelul 3); se vor

comenta rezultatele;

5. concluzii şi observaţii personale privind fenomenul fizic analizat.

6. Întrebări şi probleme

1. Comentaţi comportarea materialelor măsurate in domeniul de frecventa

utilizat.

2. Să se deducă formula de calcul a tangentei unghiului de pierderi

echivalente a două condensatoare legate în paralel şi în serie când se

cunoaşte capacitatea şi tangenta unghiului de pierderi pentru fiecare

condensator.

3. Să se calculeze permitivitatea complexă echivalentă a unui dielectric

format din două straturi de materiale diferite, când se cunoaşte

permitivitatea complexă a fiecăruia (vezi Figura 6).



Fig.6

4. Dacă ε1 = 2.1, ε2 = 3.5 si g1 = (1/4)∙g2, să se determine ε echivalent

pentru structura din Fig 7.

Fig 7.

5. Determinaţi valoarea părţii reale a permitivităţii complexe relative 'r1 a

unei probe de mică cu grosimea de 0,1mm cu ajutorul unei probe de teflon

cu grosime de 0.8mm şi 'r2 = 2.1 şi 'rechivalent= 2.23.

6. Intre armaturile condensatorului plan - paralel cu capacitatea in vid de

C = 100pF, se introduce un dielectric avand permitivitatea relativa

complexa cu termenii =5 si ''r =5· 10 ; sa se calculeze admitanta si

elementele schemei echivalente paralel pentru condensatorul astfel obtinut,

la frecventa de 1MHz.

7. Pentru acelasi condensator cu dielectricul intre armaturi, sa se calculeza

factorul de calitate Q si tangenta unghiului de pierderi tgδ, la frecventa de

1MHz .

8. Intre armaturile unui condensator plan - paralel cu capacitatea in vid C

= 68 pF, se introduce un dielectric avand permitivitatea relativa complexa

cu termenii =3,5 si ''r =4·10 ;



a) sa se calculeze admitanta si elementele schemei echivalente paralel

pentru condensatorul astfel obtinut, la frecventele de 500 kHz si 5 MHz;

comentati rezultatele.

b) sa se calculeze factorul de calitate Q si tangenta unghiului de pierderi

tgδ, la frecventele de 500 kHz si 5 MHz; comentati rezultatele.



ANEXA 1.1

Executarea măsurării permitivităţii complexe relative a materialelor

dielectrice cu „Analizorul RF de impedanţă / materiale , Model 4991A”,

Agilent

Pasul 1 - Pregătirea analizorului pentru măsurători

Conectarea şi deconectarea analizorului se execută cu butonul , plasat

dreapta - jos. Simultan cu cuplarea analizorului se activează şi softul

acestuia.

Observaţie: Pe durata nefuncţionării se recomandă ca aparatul să fie

deconectat de la reţea, pentru evitarea şocurilor tensiunii reţelei.

Iniţializarea softului aparatului. Analizorul foloseşte “Windows 2000

Professional”. În fereastra de dialog, pe linia „user name” se tastează

„agt_instr” în loc de „Administrator” şi apoi, fără „password” se apasă

butonul „OK”. În etapa aceasta analizorul este pregătit pentru măsurători de

impedanţă şi de material.

Pasul 2- Selectarea modului de măsurare

Pe display apare fereastra de măsurare, aşa cum este prezentată în

Figura A1.

Trace 1 - E4991A Impedance/Material Analyzer –

Trace Meas/Format Scale Display Marker Stimulus Trigger

Utility Save/Recal System



Figura A1. Imaginea ferestrei de măsurare.

Pentru măsurarea permitivităţii se procedează astfel:

1. În meniul “System” se apasă caseta “Preset” pentru iniţializarea

analizorului.

2. În meniul “Utility” se apasă caseta “Utility...”.

3. Se apasă caseta “Material Option Menu”.

4. Se selectează “Permittivity” în căsuţa “Material Type”.

La sfârşitul pasului 2 analizorul este pregătit pentru efectuarea măsurătorii

permitivităţii materialului.

Pasul 3. Se selectează condiţiile de măsurare

3.1 Setarea parametrilor de măsură şi a formatului desfăşurării se

execută pentru ε’r, ε”

r, tanδε în felul următor:

1. În meniul “Display” se activează caseta “Display...”.

2. Se selectează “3 Scalar” din căsuţa “Num of Traces”;

3. În meniul “Meas/Format” se activează caseta “Meas/Format...” şi se

atribuie fiecărei desfăşurări un parametru;

4. Astfel, când desfăşurarea “Trace 1” este activă apare (* marca) pe

display şi selectează εr` în căsuţa “ Meas Parameter”;

5. În căsuţa “Format” se selectează “Lin Y-Axis” sau “Log Y-Axis”;



6. Similar se procedează pentru desfăşurările 2 şi 3 pentru εr" şi respectiv

tanδε.

3.2 Setarea punctelor de măsură, a parametrilor de baleiaj

Se parcurg următoarele etape:

1. În meniul “Stimulus” se activează butonul “Sweep Setup”;

2. În căsuţa “Number of Points” se introduce numărul de puncte necesare

măsurătorilor, pentru asigurarea preciziei dorite. Exemplu: pentru 201

puncte, se tastează [2] [0] [1] si [Enter];

3. În căsuţa “Sweep Parameter” se selectează “Frequency”;

4. În căsuţa “Sweep Type” se selectează “Linear” pentru scala lineara de

frecvenţe sau “ Log”, pentru scala logaritmică de frecvenţe;

3.3 Setarea sursei şi a nivelului oscilatorului se execută în felul următor:

1. În meniul “Stimulus”se activează “Source”

2. În căsuţa “Osc Unit” se selectează “Voltage”

3. În căsuţa “Osc Level” se introduce nivelul de 100 mV, se tastează [1]

[0] [0] [m] si [Enter].

3.4 Setarea gamei de frecvenţă se execută în felul următor:

1. În meniul “Stimulus” se activează “Start/Stop...””.

2. Cu căsuţa “Start” se introduce frecvenţa de start, 1 MHz, pentru aceasta,

se tastează [1] [M] si [Enter].

3. Cu căsuţa “Stop” se introduce frecvenţa de stop, 1 GHz, se tastează [1]

[G] si [Enter].

La sfârşitul pasului 3 analizorul este pregătit pentru conectarea

dispozitivului de fixare 16453A

Pentru protecţia antistatică a analizorului, operaţiunile de la pasul 4 la

pasul 10 se execută cu brăţara ESD conectată la mână.



Pasul 4 Conectarea dispozitivului de fixare 16453A

Această activitate se execută numai de personalul didactic din cadrul

laboratorului

Conectarea dispozitivului 16453A se realizează astfel:

1. Se fixează dispozitivul 16453A pe capul de test, cu şuruburile prizonier

ale suportului de fixare;

2. Se cuplează dispozitivul 16453A la mufa N 7-mm rotind piuliţa

conectorului în sensul invers acelor de ceasornic;

3. Piuliţa se strânge cu cheia dinamometrică, în sensul invers acelor de

ceasornic până la obţinerea cuplului de 1,36 Nm, marcat pe cheie şi

semnalizat prin rabaterea braţului cheii.

După pasul 4 analizorul este pregătit pentru calibrare.

Pasul 5. Introducerea grosimii probei standard de material

1. În meniul “Stimulus” se apasă “Cal/Comp...”.

2. Se apasă butonul “Cal Kit Menu”.

3. În căsuţa “Thickness” se introduce valoarea grosimii probei standard de

material. Exemplu: dacă grosimea probei standard de material este de 0.75

mm, se tastează [0] [.] [7] [5] [m] şi [Enter].

Observaţie: Proba standard de material este realizată din teflon şi are

permitivitatea relativă ε’r = 2,1. De aceea, iniţial analizorul E4991A are

setată valoarea ε’r în căsuţa “Real” în bara de comenzi “Cal Kit” de 2,1000

şi valoarea pierderilor în căsuţa “εr Loss” ε”r= 0,0000.

Pasul 6 Calibrarea analizorului

Calibrarea se realizează în planul suprafeţelor de contact ale dispozitivului

de fixare pentru test 16453A. Calibrarea este obligatorie şi se execută în



scopul înlăturării erorilor introduse de elementele de circuit din schema

echivalentă a capului de măsură, Figura A2.

Figura A2 Schema echivalentă a dispozitivului de fixare 16453A

Calibrarea se execută astfel:

1. În meniul “Stimulus” se tastează ”Cal/Comp...”.

2. În căsuţa “Fixture Type” se confirmă tipul dispozitivului de fixare

pentru test “16453”.

3. Se apasă butonul “Cal Menu”.

4. În căsuţa “Cal Type” se selectează punctele de măsură cerute de datele

de calibrare.

Observaţie: Pe durata calibrării apare mesajul “Wait-Measuring Cal

Standard” la stânga barei de calibrare.

5. Pentru calibrarea în gol se trage în sus butonul de partea superioară a

dispozitivului 16453A, pentru depărtarea electrozilor. În această poziţie, se

apasă butonul “Meas Open” şi se aşteaptă aproximativ 10 sec până la

apariţia bifei √ la stânga “Meas Open”;

6. Pentru calibrarea în scurtcircuit electrozii dispozitivului de fixare sunt în

contact, (electrodul superior este eliberat). Se apasă butonul “Meas Short”

şi se realizează calibrarea în gol care se finalizează la apariţia bifei √ la

stânga “Meas Short”;



7. Cu brăţara ESD conectată la mână şi folosind penseta se introduce proba

de material etalon în dispozitivul de fixare. Se activează butonul “Meas

Load” şi se măsoară proba de material etalon, care se finalizează la apariţia

bifei √ în stânga “Meas Load”.

8. Se apasă butonul “Done” şi analizorul calculează datele de calibrare şi le

salvează în memoria internă. După finalizarea pasului 6, analizorul este

pregătit pentru introducerea grosimii MUT.

Pasul 7 Introducerea grosimii probei de măsură (MUT)

Grosimea probei se măsoară cu şublerul şi se introduce în programul de

măsurare astfel:

1. În meniul “Utility” se activează “Utility...” .

2. Se activează butonul “Material Option Menu”.

3. În căsuţa “Thickness” se introduce grosimea probei. De exemplu pentru

grosimea de 1 mm, se tastează [1] [m] şi [Enter].

Pasul 8 Conectarea probei de măsură (MUT)

Se execută prin introducerea probei între electrozii dispozitivului de test. Se

verifică contactul electrozilor, dispozitivul de fixare şi (numai daca este

cazul) se reglează presiunea electrodului superior cu rozeta „Pressure

Adjustment”. Cu parcurgerea paşilor 7 şi 8 analizorul este pregătit pentru

măsurarea şi analiza rezultatelor.

Pasul 9. Măsurarea şi analiza rezultatelor

Odată introdusă grosimea probei de măsurat în căsuţa şi cu materialul fixat

între electrozi, după activarea “Autoscale all”, rezultatele măsurătorilor se

afişează pe ecran. Explorarea rezultatelor se realizează cu bara de comenzi

“Marker”, pentru determinarea valorilor specifice de interes. Folosind

“Marker Fctn (function)”, bara de comenzi arată analiza care se

efectuează cu ajutorul markerilor activaţi. Pentru afişarea rapidă a



rezultatelor, din “Scale”, se activează autoscalarea cu “autoscale” şi

“autoscale all”.

În Figura A3 se prezintă o imagine a ecranului cu unele rezultate ale

măsurătorilor privind permitivitatea, (ε’r [U], ε’’

r [mU] si tg ), în intervalul

de frecvenţe 1MHz – 1GHz.

Figura A3 Display-ul cu rezultatele măsurătorilor

Pasul 10. Modificarea condiţiilor de baleiere

Când punctele de măsură la calibrare sunt definite de utilizator,

măsurătoarea se porneşte cu pasul 6. Când calibrarea nu este necesară

măsurătoarea se porneşte cu pasul 9. Dacă se măsoară şi alte probe cu

aceeaşi grosime, măsurătoarea se porneşte de la pasul 8. Dacă probele au

grosimi diverse măsurătoarea se porneşte de la pasul 7.



Pasul 11. Deconectarea analizorului

Pentru deconectarea analizorului se procedează în felul următor:

1. Se scoate proba de material, cu ajutorul pensetei dintre armăturile

dispozitivului de fixare 16453A, prin ridicarea electrodului superior.

2. Se pune proba etalon, în cutia sa de plastic, în trusa dispozitivului de

fixare 16453A şi probele de material în cutia de depozitare ale

acestora.

3. Se pune penseta în locaşul ei din trusa aceluiaşi dispozitiv. Se scoate

mănuşa de protecţie, brăţara de la mână prin slăbirea încheietorii

brăţarei.

4. În meniul “System” se apasă caseta “Preset” pentru resetarea

analizorului.

5. Se decuplează soft-ul analizorului cu „Ctrl+Alt+Delete” şi „Shut

Down”.

6. După închiderea soft-ului se decuplează butonul , plasat dreapta

– jos, pe panoul analizorului.

7. Se decuplează tensiunea de alimentare de la panoul d forţă a

laboratorului.

Atenţie! În caz de nefuncţionare analizorul nu se ţine sub

tensiune. Pericol de defectare, ca urmare a şocurilor din reţeaua

electrică.


Platforma laborator materiale

Documents

Transcript of Platforma laborator materiale