Что такое электролитический конденсатор

Конденсатор: что это такое и для чего он нужен

Конденсатор – это устройство, способное накапливать электрический заряд.

Такую же функцию выполняет и аккумуляторная батарея, но в отличие от неё конденсатор может моментально отдать весь накопленный заряд.

Количество заряда, которое способен накопить конденсатор, называют «емкостью». Эта величина измеряется в фарадах.

Содержание статьи

Принцип работы конденсаторов

При подсоединении цепи к источнику электрического тока через конденсатор начинает течь электрический ток. В начале прохождения тока через конденсатор его сила имеет максимальное значение, а напряжение – минимальное. По мере накопления устройством заряда сила тока падает до полного исчезновения, а напряжение увеличивается.

В процессе накопления заряда электроны скапливаются на одной пластинке, а положительные ионы – на другой. Между пластинами заряд не перетекает из-за присутствия диэлектрика. Так устройство накапливает заряд. Это явление называется накоплением электрических зарядов, а конденсатор –накопителем электрического поля.

Устройство конденсаторов

Конструкции современных конденсаторов отличаются разнообразием, но можно выделить несколько типичных вариантов:

Пакетная конструкция

Используется в стеклоэмалевых, керамических и стеклокерамических конденсаторах. Пакеты образованы чередующимися слоями обкладок и диэлектрика. Обкладки могут изготавливаться из фольги, а могут представлять собой слои на диэлектрических пластинах – напыленный или нанесенный вжиганием.

Каждый пакетный конденсатор имеет верхнюю и нижнюю обкладки, имеющие контакты с торцов пакета. Выводы изготавливаются из проволоки или ленточных полосок. Пакет опрессовывается, герметизируется, покрывается защитной эмалью.

Трубчатая конструкция

Такую конструкцию могут иметь высокочастотные конденсаторы. Они представляют собой керамическую трубку с толщиной стенки 0,25 мм. На ее наружную и внутреннюю стороны способом вжигания наносится серебряный проводящий слой. Снаружи деталь обрабатывается изоляционным веществом. Внутреннюю обкладку выводят на наружный слой для присоединения к ней гибкого вывода.

Дисковая конструкция

Эта конструкция, как и трубчатая, применяется при изготовлении высокочастотных конденсаторов.

Диэлектриком в дисковых конденсаторах является керамический диск. На него вжигают серебряные обкладки, к которым подсоединены гибкие выводы.

Литая секционированная конструкция

Применяется в монолитных многослойных керамических конденсаторах, используемых в современной аппаратуре, в том числе с интегральными микросхемами. Деталь, имеющая 2 паза, изготавливается литьем керамики. Пазы заполняют серебряной пастой, которую закрепляют методом вживания. К серебряным вставкам припаивают гибкие выводы.

Рулонная конструкция

Характерна для бумажных пленочных низкочастотных конденсаторов с большой емкостью. Бумажная лента и металлическая фольга сворачиваются в рулон. В металлобумажных конденсаторах на бумажную ленту наносят металлический слой толщиной до 1 мкм.

Где используются конденсаторы

Конденсаторы применяются практически во всех современных устройствах: сабвуферах, электродвигателях, автомобилях, насосах, электроинструменте, кондиционерах, холодильниках, мобильных телефонах и т.п.

В зависимости от выполняемых функций их разделяют на общего назначения и узкоспециальные.

К конденсаторам общего назначения относятся низковольтные накопители, которые используются в большинстве видов электроаппаратуры.

К узкоспециализированным относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляющие, дозиметрические ипусковые конденсаторы.

Функции, выполняемые конденсаторами:

• фильтрация высокочастотных помех;
• сведение к минимуму пульсаций;
• разделение сигнала на постоянные и переменные компоненты;
• накопление энергии;
• создание резонанса с катушкой индуктивности, что позволяет усилить сигнал.

Поведение конденсатора в цепях постоянного и переменного тока

В цепях постоянного тока заряженный конденсатор образует разрыв, мешающий протеканию тока. Если напряжение приложить к обкладкам разряженной детали, то ток потечет. При этом конденсатор будет заряжаться, сила тока падать, напряжение на обкладках повышаться. При достижении равенства напряжения на обкладках и источника электропитания течение тока прекращается.

При постоянном напряжении конденсатор удерживает заряд при включенном питании. После выключения заряд сбрасывается через нагрузки, присутствующие в цепи.

Переменный ток заряженный конденсатор тоже не пропускает. Но за один период синусоиды дважды происходит зарядка и разрядка накопителя, поэтому ток получает возможность протекать через конденсаторв периодего разрядки.

Виды и классификация конденсаторов

Конденсаторы различных типов приспособлены к разным условиям работы, направлены на выполнение определенных задач и обладают различными побочными эффектами.

Основной признак, по которому классифицируют конденсатор, – это вид диэлектрика. Именно диэлектрический материал определяет многие характеристики конденсатора.

Электролитические конденсаторы

В электролитических конденсаторах анодом служит металлическая пластина, диэлектриком – оксидная пленка, а катодом – твердый, жидкий или гелеобразный электролит. Наличие гелеобразного электролита делает устройство полярным, то есть ток через него может протекать только в одном направлении. Представители этого семейства – алюминиевые и танталовые конденсаторы.

Алюминиевые электролитические конденсаторы имеют емкость от 0,1 до нескольких тысяч мкФ. Обычно они применяются на звуковых частотах. Электрохимическая ячейка плотно упакована, что обеспечивает большую эффективную индуктивность, которая не позволяет использовать алюминиевые накопители на сверхвысоких частотах.

В танталовых конденсаторах катод изготавливается из диоксида марганца. Сочетание значительной площади поверхности анода и диэлектрических характеристик оксида тантала обеспечивает высокую удельную емкость (емкость в единице объема или массы диэлектрика). Это значит, что танталовые конденсаторы гораздо компактнее алюминиевых такой же емкости.

У танталовых конденсаторов есть свои недостатки. Устройства ранних поколений грешат отказами, возможны возгорания. Они могут произойти при подаче слишком высокого пускового тока, который меняет структурное состояние диэлектрика. Дело в том, что оксид тантала в аморфном состоянии является хорошим диэлектриком. При подаче большого пускового тока оксид тантала из аморфного состояния переходит в кристаллическое и превращается в проводник. Кристаллический оксид тантала еще больше увеличивает силу тока, что и приводит к возгоранию. Современные танталовые конденсаторы производятся по передовым технологиям и практически не дают отказов, не вздуваются, не возгораются.

Пленочные и металлопленочные конденсаторы

Пленочные конденсаторы имеют диэлектрический слой из полимерной пленки, расположенный между слоями металлофольги.

Такие устройства имеют небольшую емкость (от 100 пФ до нескольких мкФ), но могут работать при высоких напряжениях – до 1000 В.

Существует целое семейство пленочных конденсаторов, но для всех видов характерны небольшие емкость и индуктивность. Благодаря малой индуктивности, эти приборы используются в высокочастотных схемах.

Основные различия между конденсаторами с разными типами пленок:

• Конденсаторы с диэлектриком в виде полипропиленовой пленки применяются в цепях, в которых предъявляются высокие требования к температурной и частотной стабильности. Они подходят для систем питания, подавления ЭМП.
• Конденсаторы с диэлектриком в виде полиэстеровой пленки обладают низкой стоимостью и способны выдерживать высокие температуры при пайке. Частотная стабильность, по сравнению с полипропиленовыми видами, ниже.
• Конденсаторы с диэлектриком из поликарбонатной и полистиреновой пленки, которые использовались в старых схемах, сегодня уже неактуальны.

Керамические конденсаторы

В керамических конденсаторах в качестве диэлектрика используются керамические пластины.

Керамические конденсаторы отличаются небольшой емкостью – от одного пФ до нескольких десятков мкФ.

Керамика имеет пьезоэлектрический эффект (способность диэлектрика поляризоваться под воздействием механических усилий), поэтому некоторые виды этих конденсаторов обладают микрофонным эффектом. Это нежелательное явление, при котором часть электроцепи воспринимает вибрации, как микрофон, что становится причиной помех.

Бумажные и металлобумажные конденсаторы

В качестве диэлектрика в этих конденсаторах используется бумага, часто промасленная. Устройства с промасленной бумагой отличаются большими размерами. Модели с непромасленной бумагой более компактны, но они имеют существенный недостаток – увеличивают энергопотери под воздействием влаги даже в герметичной упаковке. В последнее время эти детали используются редко.

Основные параметры конденсаторов

Емкость

Этот показатель характеризует способность конденсатора накапливать электрический заряд. Емкость тем больше, чем больше площадь проводниковых обкладок и чем меньше толщина диэлектрического слоя. Также эта характеристика зависит от материала диэлектрика. На приборе указывается номинальная емкость. Реальная емкость, в зависимости от эксплуатационных условий, может отличаться от номинальной в значительных пределах. Стандартные варианты номинальной емкости – от единиц пикофарад до нескольких тысяч микрофарад. Некоторые модели могут иметь емкость в несколько десятков фарад.

Классические конденсаторы имеют положительную емкость, то есть чем больше приложенное напряжение, тем больше накопленный заряд. Но сегодня в стадии разработки находятся устройства с уникальными свойствами, которые ученые называют «антиконденсаторами». Они обладают отрицательной емкостью, то есть с ростом напряжения их заряд уменьшается, и наоборот. Внедрение таких антиконденсаторов в электронную промышленность позволит ускорить работу компьютеров и снизить риск их перегрева.

Что будет, если поставить накопитель большей/меньшей емкости, по сравнению с требуемой? Если речь идет о сглаживании пульсаций напряжения в блоках питания, то установка конденсатора с емкостью, превышающей нужную величину (в разумных пределах – до 90% от номинала), в большинстве случаев улучшает ситуацию. Монтаж конденсатора с меньшей емкостью может ухудшить работу схемы. В других случаях возможность установки детали с параметрами, отличающимися от заданных, определяют конкретно для каждого случая.

Удельная емкость

Отношение номинальной емкости к объему (или массе) диэлектрика. Чем тоньше диэлектрический слой, тем выше удельная емкость, но тем меньше его напряжение пробоя.

Плотность энергии

Это понятие относится к электролитическим конденсаторам. Максимальная плотность характерна для больших конденсаторов, в которых масса корпуса значительно ниже, чем масса обкладок и электролита.

Номинальное напряжение

Его значение отражается на корпусе и характеризует напряжение, при котором конденсатор работает в течение срока службы с колебанием параметров в заданных пределах. Эксплуатационное напряжение не должно превышать номинальное значение. Для многих конденсаторов с повышением температуры номинальное напряжение снижается.

Полярность

К полярным относятся электролитические конденсаторы, имеющие положительный и отрицательный заряды. На устройствах отечественного производства обычно ставился знак «+» у положительного электрода. На импортных приборах обозначается отрицательный электрод, возле которого стоит знак «-». Такие конденсаторы могут выполнять свои функции только при корректном подключении полярности напряжения. Этот факт объясняется химическими особенностями реакции электролита с диэлектриком.

Что будет, если перепутать полярность конденсатора? Обычно в этом случае приборы выходят из строя. Это происходит из-за химического разрушения диэлектрика, которое вызывает рост силы тока, вскипание электролита и, как следствие, вздутие корпуса и вероятный взрыв.

К группе неполярных конденсаторов относится большинство накопителей заряда. Эти детали обеспечивают корректную работу при любом порядке подключения выводов в цепь.

Паразитные параметры конденсаторов

Конденсаторы, помимо основных характеристик, имеют так называемые «паразитные параметры», которые искажают рабочие свойства колебательного контура. Их необходимо учитывать при проектировании схемы.

К таким параметрам относятся собственное сопротивление и индуктивность, которые разделяются на следующие составляющие:

• Электрическое сопротивление изоляции (r), которое определяется по формуле: r = U/Iут, в которой U – напряжение источника питания, Iут – ток утечки.
• Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС, англ. ESR). Эта величина зависит от электрического сопротивления материала обкладок, выводов, контактов между ними, потерями в диэлектрическом слое. ЭПС возрастает с ростом частоты тока, подаваемого на накопитель. В большинстве случаев эта характеристика не принципиальна. Исключение составляют электролитические накопители, устанавливаемые в фильтрах импульсных блоков питания.
• Эквивалентная последовательная индуктивность – L. На низких частотах этот параметр, обусловленный собственной индуктивностью обкладок и выводов, не учитывается.

К паразитным параметрам также относится Vloss – незначительная величина, выражаемая в процентах, которая показывает, насколько падает напряжение сразу после прекращения зарядки конденсатора.

Обозначение конденсаторов на схеме

На чертежах конденсатор с постоянной емкостью обозначают двумя параллельными черточками — обкладками. Их подписывают буквой «C». Рядом с буквой ставят порядковый номер элемента на схеме и значение емкости в пФ или мкФ.

В конденсаторах переменной емкости параллельные черточки перечеркиваются диагональной чертой со стрелкой. Подстроечные модели обозначаются двумя параллельными линиями, перечеркнутыми диагональной чертой с черточкой на конце. На обозначении полярных конденсаторов указывается положительно заряженная обкладка.

Обозначение по ГОСТ 2.728-74	Описание
	Конденсатор постоянной ёмкости
	Поляризованный (полярный) конденсатор
	Подстроечный конденсатор переменной ёмкости
	Варикап

Особенности соединения нескольких конденсаторов в цепи

Соединение нескольких конденсаторов между собой может быть последовательным или параллельным.

Последовательное

Последовательное соединение позволяет подавать на обкладки большее напряжение, чем на отдельно стоящую деталь. Напряжение распределяется в зависимости от емкости каждого накопителя. Если емкости деталей равны, то напряжение распределяется поровну.

Получаемая емкость в такой цепи находится по формуле:

Если провести вычисления, то станет понятно, что увеличение напряжения в цепи достигается существенным падением емкости. Например, если в цепь подсоединить последовательно два конденсатора емкостью 10 мкФ, то общая емкость будет равна всего 5 мкФ.

Параллельное

Это наиболее распространенный на практике способ, позволяющий увеличить общую емкость в схеме. Параллельное соединение позволяет создать один большой конденсатор с суммарной площадью проводящих пластин. Общая емкость системы представляет собой сумму емкостей соединенных деталей.

Напряжение на всех элементах будет одинаковым.

Маркировка конденсаторов

В маркировке конденсатора, независимо от его типа, присутствуют два обязательных параметра – емкость и номинальное напряжение. Наиболее распространена цифровая маркировка, указывающая величину сопротивления. В ней используется три или четыре цифры.

Кратко суть трехфциферной маркировки: первые две цифры, находящиеся слева, указывают значение емкости в пикофарадах. Самая правая цифра показывает, сколько нулей надо прибавить к стоящим слева цифрам. Результат получается в пикофарадах. Пример: 154 = 15х104 пФ. На конденсаторах зарубежного производства пФ обозначаются как mmf.

В кодовом обозначении с четырьмя цифрами емкость в пикофарадах обозначают первые три цифры, а четвертая указывает на количество нулей, которые требуется добавить. Например: 2353=235х103 пФ.

Для обозначения емкости также может применяться буквенно-цифровая маркировка, содержащая букву R, которая указывает место установки десятичной запятой. Например, 0R8=0,8 пФ.

На корпусе значение напряжения указывается числом, после которого ставятся буквы: V, WV (что означает «рабочее напряжение»). Если указание на допустимое напряжение отсутствует, то конденсатор может использоваться только в низковольтных цепях.

Помимо емкости и напряжения, на корпусе могут указываться и другие характеристики детали:

• Материал диэлектрика. Б – бумага, С – слюда, К – керамика.
• Степень защиты от внешних воздействий. Г – герметичное исполнение, О – опрессованный корпус.
• Конструкция. М – монолит, Б – бочонок, Д – диск, С – секционный вариант.
• Режим по току. И – импульсный, У – универсальный, Ч – только постоянный ток, П – переменный/постоянный.

Как проверить работоспособность конденсатора

Для проверки конденсатора на работоспособность используют мультиметр. Прежде чем проверить накопитель, необходимо определить, какой именно прибор находится в схеме – полярный (электролитический) или неполярный.

Проверка полярного конденсатора

При проверке полярного конденсатора необходимо соблюдать правильную полярность подключения щупов: плюсовой должен быть прижат к плюсовой ножке, минусовой – к минусу. Если вы перепутаете полярность, конденсатор выйдет из строя.

После выпайки детали ее кладут на свободное пространство. Мультиметр включают в режим измерения сопротивления («прозвонки»).

Щупами дотрагиваются до выводов прибора с соблюдением полярности. Правильная ситуация, когда на дисплее появляется первое значение, которое начинает постепенно расти. Максимальное значение, которое должно быть достигнуто для исправного устройства, – 1. Если вы только прикоснулись щупами к выводам, а на экране появилась сразу цифра 1, значит, прибор неисправен. Появление на экране «0» означает, что внутри детали произошло короткое замыкание.

Проверка неполярного конденсатора

В этом случае проверка предельно простая. Диапазон измерений выставляют на отметку 2 МОм. Щупы присоединяют к выводам конденсатора в любом порядке. Полученное значение должно превышать двойку. Если на дисплее высвечивается значение менее 2 МОм, то деталь неисправна.

Как зарядить и разрядить конденсатор

Для зарядки накопителя его подсоединяют к источнику постоянного тока. Зарядка прекращается, когда напряжение источника питания сравнивается по величине с напряжением на обкладках.

Разрядка конденсатора может понадобиться для безопасной разборки бытовых приборов и электронных устройств. Накопители электронных устройств разряжают с помощью обычной диэлектрической отвертки. Для разрядки крупных накопителей, которые устанавливаются в бытовых приборах, необходимо собрать специальное разрядное устройство.

Свойства электролитического конденсатора

Устройство и особенности электролитических конденсаторов

Главная особенность электролитических конденсаторов, наверняка, состоит в том, что они по сравнению с остальными обладают большой ёмкостью и довольно небольшими габаритами.

Широко распространённые алюминиевые конденсаторы по сравнению с другими имеют некоторые специфические свойства, которые следует учитывать при их использовании.

За счёт того, что алюминиевые обкладки электролитических конденсаторов скручивают для помещения в цилиндрический корпус, образуется индуктивность. Эта индуктивность во многих случаях нежелательна. Также алюминиевые электролитические конденсаторы обладают так называемым эквивалентным последовательным сопротивлением (ЭПС или на зарубежный манер, ESR). Чем ниже ESR конденсатора, тем он качественнее и более пригоден для работы в цепях, где требуется фильтрация высокочастотных пульсаций. Примером может служить рядовой импульсный блок питания компьютера или адаптер питания ноутбука.

В основном электролитические конденсаторы служат для сглаживания пульсаций тока в цепях выпрямителей переменного тока. Кроме этого они активно используются в звуковоспроизводящей технике для разделения пульсирующего тока (ток звуковой частоты + постоянная составляющая) на постоянную и переменную составляющую тока звуковой частоты, которая подаётся на следующий каскад усиления. Такие конденсаторы называют разделительными.

В практике ремонта можно встретить неисправность, когда разделительный конденсатор "высыхает", а, следовательно, теряет изначальную ёмкость. При этом он плохо разделяет ток звуковой частоты от пульсирующего и не пропускает звуковой сигнал на последующий каскад усиления.

Амплитуда звукового сигнала в соответствующем каскаде усиления резко снижается либо вносятся существенные искажения. Поэтому при ремонте усилителей и прочей звуковоспроизводящей аппаратуры стоит внимательно проверять исправность разделительных электролитических конденсаторов.

В связи с тем, что электролитические конденсаторы имеют полярность, то при работе на их обкладках должно поддерживаться постоянное напряжение. Это является их недостатком. В результате их можно применять в цепях с пульсирующим или постоянным током.

Кроме алюминиевых электролитических конденсаторов в современной электронике легко обнаружить и танталовые. У них нет жидкого электролита, он у них твёрдотельный. Также танталовые конденсаторы имеют достаточно низкое ESR, благодаря чему активно применяются в высокочастотной электронике. Из минусов можно отметить высокую стоимость и низкое номинальное напряжение, обычно не превышающее 75V. Более подробно о танталовых конденсаторах я рассказывал здесь.

Устройство алюминиевого электролитического конденсатора.

Чтобы узнать, как устроены алюминиевые электролитические конденсаторы, давайте распотрошим одного из них. На фото показан разобранный экземпляр ёмкостью 470 мкФ и на номинальное напряжение 400V.

Взял я его из промышленного частотника. Надо сказать, весьма неплохой конденсатор с низким ESR.

Конденсатор состоит из двух тонких алюминиевых пластин, к которым крепятся выводы. Между алюминиевыми пластинами помещается бумага. Она служит диэлектриком. Но это ещё не всё. В данном случае получается обычный бумажный конденсатор с малой ёмкостью.

Для того чтобы получить большую ёмкость и уменьшить размеры готового прибора, бумагу пропитывают электролитом. На фотках можно разглядеть желтоватый электролит на дне алюминиевого стакана.

Далее, пропитанную электролитом бумагу помещают между алюминиевыми обкладками. В результате электрохимических процессов алюминиевая фольга окисляется под действием электролита. На поверхности фольги образуется тонкий слой окисла – оксида алюминия (Al₂O₃). На вид можно легко определить сторону обкладки с тонким слоем окисла — она темнее.

Оксид алюминия является отличным диэлектриком и обладает свойством односторонней проводимости. Поэтому электролитические конденсаторы полярны и способны работать лишь в цепях с пульсирующим, либо постоянным током.

А что будет, если на электролитический конденсатор подать напряжение обратной полярности?

Если так произойдёт, то начнётся бурная электрохимическая реакция, которая сопровождается сильным нагревом. Электролит моментально вскипает и конденсатор "бабахает". Именно поэтому при установке такого конденсатора в схему нужно строго соблюдать полярность его включения.

Кроме оксида алюминия (Al₂O₃), благодаря которому удаётся изготавливать конденсаторы с большой электрической ёмкостью, применяются и другие уловки, чтобы увеличить ёмкость и уменьшить размеры готового изделия. Известно, что ёмкость зависит не только от толщины слоя диэлектрика, но и от площади обкладок. Чтобы её увеличить применяют метод травления, аналогичный тому, что используют в своей практике радиолюбители для изготовления печатных плат. На поверхности алюминиевой обкладки вытравливают канавки. Размеры этих канавок малы и их очень много. За счёт этого активная площадь обкладки увеличивается, а, следовательно, и ёмкость.

Если присмотреться, то на алюминиевой обкладке можно заметить еле заметные полоски, наподобие дорожек на грампластинке. Это и есть те самые канавки.

В неполярных электролитических конденсаторах окисляются обе алюминиевые обкладки. В результате он становиться неполярным.

Особенности применения электролитических конденсаторов.

Нетрудно заметить, что на верхней части цилиндрического корпуса у большинства радиальных электролитических конденсаторов нанесена защитная насечка – клапан.

Дело в том, что если на электролит воздействует переменное напряжение, то конденсатор сильно разогревается и жидкий электролит начинает испаряться, давить на стенки корпуса. Из-за этого он может "хлопнуть". Поэтому на корпусе и наноситься защитный клапан, чтобы под действием избыточного давления он открылся и предотвратил "взрыв" конденсатора, выпустив закипающий электролит наружу.

"Взорвавшийся" электролитический конденсатор

Отсюда исходит правило, которое необходимо учитывать при самостоятельном конструировании электроники и ремонте радиоаппаратуры. При диагностике неисправности, а также при первом включении конструируемого или ремонтируемого аппарата, необходимо держаться на расстоянии от электролитических конденсаторов.

В случае если при сборке в схеме была допущена ошибка, приводящая к завышению предельного рабочего напряжения конденсатора, либо воздействию на него переменного тока, конденсатор нагреется и "хлопнет". При этом сработает защитный клапан, и электролит под давлением рванёт наружу. Нельзя допускать, чтобы электролит попадал на кожу и тем более в глаза!

Выход из строя электролитического конденсатора не редкость. По внешнему виду можно сразу определить его неисправность. Вот лишь несколько примеров. Все эти конденсаторы пострадали из-за превышения допустимого напряжения.

Автомобильный усилитель. Как видим, «хлопнула» целая грядка электролитов во входном фильтре. Видимо на усилитель подали 24V вместо положенных 12.

Далее — жертва «сетевой атаки». В электросети 220V резко подскочило напряжение из-за обледенения вводов. Как результат, полная неработоспособность блока питания ноутбука. Кондик просто испустил пар. Насечка на корпусе вскрылась.

Помнится, в студенческую пору была распространена известная забава. Брался электролитический конденсатор, к его выводам подпаивались проводки и в таком виде конденсатор кратковременно подключался к розетке электроосветительной сети 220 Вольт. Он заряжался, накапливая заряд. Далее, ради "прикола" выводами кондёра касались руки ни в чем не подозревающего человека. Тот, естественно, ничего не подозревает и его дёргает небольшой электрический удар. Так вот, делать это крайне опасно!

Как сейчас помню, когда перед началом практики старший мастер строго запретил данную забаву, аргументировав это тем, что был случай, когда парнишке сильно повредило кисть руки, когда тот решил "зарядить" электролитический конденсатор от розетки 220 В. Конденсатор, не выдержав поданного переменного напряжения, взорвался в его руке!

Электролитический конденсатор может выдержать несколько "экспериментальных" попыток заряда от электросети, но может и хлопнуть в любой момент. Всё зависит как от конструкции конденсатора, так и от приложенного напряжения. Данная информация приведена лишь с целью предупредить о крайней опасности таких экспериментов, которые могут закончиться печально.

При ремонте радиоаппаратуры не стоит забывать о том, что после выключения прибора электролитические конденсаторы некоторое время сохраняют электрический заряд. Перед проведением работ их необходимо разряжать. Особенно это стоит учитывать при ремонте всевозможных импульсных блоков питания и выпрямителей, электролитические конденсаторы в которых имеют значительную ёмкость и рабочее напряжение, достигающее 100 – 400 вольт.

Если нечаянно коснуться его выводов, то можно получить неприятный электрический удар. Иногда после таких случаев можно заметить лёгкий ожог кожного покрова в месте касания электродов. О том, как разрядить конденсатор перед проведением работ или измерений уже упоминалось в статье как проверить конденсатор.

Мощные электролитические конденсаторы ёмкостью 10000 мкФ. в блоке питания усилителя Marantz

При использовании электролитических конденсаторов стоит помнить, что рабочее напряжение на них должно соответствовать 80% от номинального рабочего напряжения. Это правило стоит учитывать, если вы хотите обеспечить долгую и стабильную работу конденсатора. Так, если в схеме на конденсатор будет действовать напряжение в 50 вольт, то его стоит выбирать на рабочее напряжение 63 вольта или более. Если установить конденсатор с меньшим рабочим напряжением, то он скоро выйдет из строя.

Как и у любой другой радиодетали, у электролитического конденсатора есть допустимый диапазон рабочей температуры. На его корпусе обычно указывается верхний порог, например +85 или +105.

Для разных моделей конденсаторов диапазон рабочей температуры может простираться от -60 до +85°C. Или же от -25 до +105°C. Более конкретно узнать допустимый диапазон температур для конкретного изделия можно из документации на него.

Поскольку в электролитических конденсаторах присутствует жидкий электролит, то он со временем высыхает. При этом теряется его ёмкость. Именно поэтому их не рекомендуется размещать рядом с сильно нагревающимися элементами, например, радиаторами охлаждения или же в плохо вентилируемом корпусе.

Стоит отметить тот факт, что электролиты – это ахиллесова пята любой электроники. По своему опыту скажу, что это одна из самых ненадёжных, некачественных и, при этом, дорогих деталей. Качество во многом зависит от производителя. Но это уже другой разговор.

Кроме электролитических конденсаторов в аппаратуре можно встретить и другой элемент, который обладает куда большей ёмкостью и меньшими габаритами, чем классический электролит. Это – ионистор.

Конденсаторы для «чайников»

Если вы регулярно занимаетесь созданием электрических схем, вы наверняка использовали конденсаторы. Это стандартный компонент схем, такой же, как сопротивление, который вы просто берёте с полки без раздумий. Мы используем конденсаторы для сглаживания пульсаций напряжения/тока, для согласования нагрузок, в качестве источника энергии для маломощных устройств, и других применений.

Но конденсатор – это не просто пузырёк с двумя проводочками и парой параметров – рабочее напряжение и ёмкость. Существует огромный массив технологий и материалов с разными свойствами, применяемых для создания конденсаторов. И хотя в большинстве случаев для любой задачи сгодится практически любой конденсатор подходящей ёмкости, хорошее понимание работы этих устройств может помочь вам выбрать не просто нечто подходящее, а подходящее наилучшим образом. Если у вас когда-нибудь была проблема с температурной стабильностью или задача поиска источника дополнительных шумов – вы оцените информацию из этой статьи.

Начнём с простого

Лучше начать с простого и описать основные принципы работы конденсаторов, прежде чем переходить к настоящим устройствам. Идеальный конденсатор состоит из двух проводящих пластинок, разделённых диэлектриком. Заряд собирается на пластинах, но не может перетекать между ними – диэлектрик обладает изолирующими свойствами. Так конденсатор накапливает заряд.

Ёмкость измеряется в фарадах: конденсатор в один фарад выдаёт напряжение в один вольт, если в нём находится заряд в один кулон. Как и у многих других единиц системы СИ, у неё непрактичный размер, поэтому, если не брать в расчёт суперконденсаторы, о которых мы здесь говорить не будем, вы скорее всего встретитесь с микро-, нано- и пикофарадами. Ёмкость любого конденсатора можно вывести из его размеров и свойств диэлектрика – если интересно, формулу для этого можно посмотреть в Википедии. Запоминать её не нужно, если только вы не готовитесь к экзамену – но в ней содержится один полезный факт. Ёмкость пропорциональна диэлектрической проницаемости ε_r использованного диэлектрика, что в результате привело к появлению в продаже различных конденсаторов, использующих разные диэлектрические материалы для достижения больших ёмкостей или улучшения характеристик напряжения.

Паразитные индуктивность и сопротивление реального конденсатора

С использованием диэлектриков в конденсаторах есть одна проблемка, наряду с тем, что диэлектрик с нужными характеристиками обладает неприятными побочными эффектами. У всех конденсаторов есть небольшие паразитные сопротивление и индуктивность, которые иногда могут влиять на его работу. Электрические постоянные меняются от температуры и напряжения, пьезоэлектричества или шума. Некоторые конденсаторы стоят слишком дорого, у некоторых существуют состояния отказа. И вот мы подошли к основной части статьи, в которой расскажем о разных типах конденсаторов, и об их свойствах, полезных и вредных. Мы не будем освещать все возможные технологии, хотя большинство обычных мы опишем.

Алюминиевые электролитические

Алюминиевые электролитические конденсаторы используют анодно-оксидированный слой на алюминиевом листе в качестве одной пластины-диэлектрика, и электролит из электрохимической ячейки в качестве другой пластины. Наличие электрохимической ячейки делает их полярными, то есть напряжение постоянного тока должно прикладываться в одном направлении, и анодированная пластина должна быть анодом, или плюсом.

На практике их пластины выполнены в виде сэндвича из алюминиевой фольги, завёрнутой в цилиндр и расположенной в алюминиевой банке. Рабочее напряжение зависит от глубины анодированного слоя.

У электролитических конденсаторов наибольшая среди распространённых ёмкость, от 0,1 до тысяч мкФ. Из-за плотной упаковки электрохимической ячейки у них наблюдается большая эквивалентная последовательная индуктивность (equivalent series inductance, ESI, или эффективная индуктивность), из-за чего их нельзя использовать на высоких частотах. Обычно они используются для сглаживания питания и развязывания, а также связывания на аудиочастотах.

Танталовые электролитические

Танталовый конденсатор поверхностного размещения

Танталовые электролитические конденсаторы изготавливаются в виде спечённого танталового анода с большой площадью поверхности, на которой выращивается толстый слой оксида, а затем в качестве катода размещается электролит из диоксида марганца. Комбинация большой площади поверхности и диэлектрических свойств оксида тантала приводит к высокой ёмкости в пересчёте на объём. В результате такие конденсаторы выходят гораздо меньше алюминиевых конденсаторов сравнимой ёмкости. Как и у последних, у танталовых конденсаторов есть полярность, поэтому постоянный ток должен идти в строго одном направлении.

Их доступная ёмкостью варьируется от 0,1 до нескольких сотен мкФ. У них гораздо меньше сопротивление утечки и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), в связи с чем они используются в тестировании, измерительных приборах и высококачественных аудиоустройствах – там, где эти свойства полезны.

В случае танталовых конденсаторов необходимо особенно следить за тем, чтобы они не вышли из строя — бывает, что в таком случае они загораются. Аморфный оксид тантала – хороший диэлектрик, а в кристаллической форме он становится хорошим проводником. Неправильное использование танталового конденсатора – например, подача слишком большого пускового тока может привести к переходу диэлектрика в другую форму, что увеличит проходящий через него ток. Правда, репутация, связанная с возгораниями, появилась у более ранних поколений танталовых конденсаторов, и улучшенные методы производства привели к созданию более надёжной продукции.

Полимерные плёнки

Целое семейство конденсаторов использует полимерные плёнки в качестве диэлектриков, а плёнка либо находится между витыми или перемежающимися слоями металлической фольги, либо имеет металлизированный слой на поверхности. Их рабочее напряжение может доходить до 1000 В, но высокими ёмкостями они не обладают – это обычно от 100 пФ до единиц мкФ. У каждого вида плёнки есть свои плюсы и минусы, но в целом всё семейство отличается более низкими ёмкостью и индуктивностью, чем у электролитических. Посему они используются в высокочастотных устройствах и для развязывания в электрически шумных системах, а также в системах общего назначения.

Полипропиленовые конденсаторы используются в схемах, требующих хорошей тепловой и частотной стабильности. Также они используются в системах питания, для подавления ЭМП, в системах, использующих переменные токи высокого напряжения.

Полиэстеровые конденсаторы, хотя и не обладают такими температурными и частотными характеристиками, получаются дешёвыми и выдерживают большие температуры при пайке для поверхностного монтажа. В связи с этим они используются в схемах, предназначенных для использования в некритичных приложениях.

Полиэтилен-нафталатовые конденсаторы. Не обладают стабильными температурными и частотными характеристиками, но могут выдерживать гораздо большие температуры и напряжения по сравнению с полиэстеровыми.

Полиэтилен-сульфидовые конденсаторы обладают температурными и частотными характеристиками полипропиленовых, и в дополнение выдерживают высокие температуры.

В старом оборудовании можно наткнуться на поликарбонатные и полистиреновые конденсаторы, но сейчас они уже не используются.

Керамика

История керамических конденсаторов довольно длинная – они использовались с первых десятилетий прошлого века и по сей день. Ранние конденсаторы представляли собою один слой керамики, металлизированной с обеих сторон. Более поздние бывают и многослойными, где пластины с металлизацией и керамика перемежаются. В зависимости от диэлектрика их ёмкости варьируются от 1 пФ до десятков мкФ, а напряжения достигают киловольт. Во всех отраслях электроники, где требуется малая ёмкость, можно встретить как однослойные керамические диски, так и многослойные пакетные конденсаторы поверхностного монтажа.

Проще всего классифицировать керамические конденсаторы по диэлектрикам, поскольку именно они придают конденсатором все свойства. Диэлектрики классифицируют по трёхбуквенным кодам, где зашифрована их рабочая температура и стабильность.

C0G лучшая стабильность в ёмкости по отношению к температуре, частоте и напряжению. Используются в высокочастотных схемах и других контурах высокого быстродействия.

X7R не обладают такими хорошими характеристиками по температуре и напряжению, посему используются в менее критичных случаях. Обычно это развязывание и различные универсальные приложения.

Y5V обладают гораздо большей ёмкостью, но характеристики температуры и напряжения у них ещё ниже. Также используются для развязывания и в различных универсальных приложениях.

Поскольку керамика часто обладает и пьезоэлектрическими свойствами, некоторые керамические конденсаторы демонстрируют и микрофонный эффект. Если вы работали с высокими напряжениями и частотами в аудиодиапазоне, например, в случае ламповых усилителей или электростатики, вы могли услышать, как «поют» конденсаторы. Если вы использовали пьезоэлектрический конденсатор для обеспечения частотной стабилизации, вы могли обнаружить, что его звук модулируется вибрацией его окружения.

Как мы уже упоминали, статья не ставит целью охватить все технологии конденсаторов. Взглянув в каталог электроники вы обнаружите, что некоторые технологии, имеющиеся в наличии, здесь не освещены. Некоторые предложения из каталогов уже устарели, или же имеют такую узкую нишу, что с ними чаще всего и не встретишься. Мы надеялись лишь развеять некоторые тайны по поводу популярных моделей конденсаторов, и помочь вам в выборе подходящих компонентов при разработке собственных устройств. Если мы разогрели ваш аппетит, вы можете изучить нашу статью по катушкам индуктивности.

Об обнаруженных вами неточностях и ошибках прошу писать через личные сообщения сайта. Спасибо.

Электролитические конденсаторы: особенности применения

Алюминиевые электролитические конденсаторы широко используются в различных электро- и радиотехнических приборах (теле-, радио-, аудиоустройствах, стиральных машинах, кондиционерах воздуха и т.д.), в компьютерном оборудовании (материнских платах, устройствах вывода изображений и периферийных устройствах, таких как принтеры, графические устройства, сканеры и т.д.), в оборудовании связи, в строительном оборудовании, в измерительных приборах, а также в промышленном инструменте, в вооружениях и авиакосмической технике и т.д.

Применение на постоянном напряжении:

1. Высоковольтные емкостные накопители энергии с быстрым разрядом, используемые в электрофизике, импульсных источниках света, для намагничивания магнитотвердых материалов, в импульсных генераторах для испытания мощных электрических машин на стойкость к ударным нагрузкам и в других установках при длительности разрядных импульсов от десятков микросекунд до десятков миллисекунд.
2. Для обеспечения большого тока: в сварочных аппаратах, рентгеновских установках, копировальной технике и устройствах электроэрозионной обработки.
3. Для постоянного тока высокого напряжения: вместе с выпрямителем, электролитический конденсатор образует источник постоянного напряжения для использования в устройствах силовой электроники, частотно-регулируемых электроприводах и источниках питания.
4. В схемах интеграторов и устройствах выборки-хранения: для любой схемы аналоговой памяти или схем аналоговой развертки.

Применение на постоянном напряжении с наложенной переменной составляющей (пульсирующее напряжение):

1. В полосовых фильтрах: в комбинации с резисторами и катушками индуктивности образуют фильтры для выделения из сигнала определенной полосы частот, фильтрации постоянной составляющей и т.п. задач.
2. Для шунтирования компонентов электронных схем по переменному току.
3. Для связи участков цепи по переменному току с отделением постоянной составляющей.
4. В релаксационных генераторах: вместе с резисторами и активными компонентами для генерации пилообразного и прямоугольного напряжения.
5. В составе выпрямителей.

Для переменного напряжения:

1. Для улучшения качества энергии, потребляемой из сети переменного тока, и коэффициента мощности оборудования: запасая и отдавая электрическую энергию, алюминиевый электролитический конденсатор развязывает нагрузку и питающую сеть по мгновенной и реактивной мощности. Это улучшает качество питания нагрузки и, одновременно, создает предпосылки для получения коэффициента мощности оборудования, близкого к 1.0.
2. Для силовых LC-фильтров низких частот: улучшает электромагнитную обстановку в схемах, использующих тиристорные выпрямители и инверторы.
3. В качестве пускового конденсатора: для улучшения пусковой характеристики асинхронного двигателя, питаемого от однофазной сети переменного тока.

Конструкция и технические характеристики (концепция)

Материал и структура электролитических конденсаторов

Алюминиевый электролитический конденсатор имеет простую конструкцию. Две ленты из конденсаторной бумаги проложены между двумя лентами из специальным образом обработанной алюминиевой фольги и эта комбинация из четырех лент свернута в рулон. Бумага, служащая сепаратором для алюминиевых электродов, пропитана электропроводящим раствором. К электродам присоединены выводы, образуя активный элемент конденсатора. Он помещается в цилиндрический алюминиевый корпус с торцевым уплотнением выводов.

Варианты конструкции алюминиевых электролитических конденсаторов показаны на рисунке 1:

Рис. 1. Варианты конструкции алюминиевых электролитических конденсаторов

а) малогабаритный конденсатор с однонаправленным расположением выводов для монтажа в отверстия на печатной плате (Miniature Aluminum Electrolytic Capacitors / Radial);

в) конденсатор для поверхностного монтажа (Surface Mount Aluminum Electrolytic Capacitors / SMD).

Основные технологические производственные процессы при изготовлении алюминиевых электролитических конденсаторов:

1. Травление фольги — это процесс для увеличения эффективной площади поверхности алюминиевой фольги с помощью химической эрозии или электрохимической коррозии. Стандартный метод электрохимической коррозии фольги использует обработку пульсирующим током, в сочетании с определенными составом и температурой электролита для достижения желаемых размера, формы и количества микроскопических каналов в поверхностном слое алюминиевой фольги.
2. Формирование оксидного слоя — это процесс анодного окисления травленной анодной алюминиевой фольги электролитических конденсаторов. Производство катодной алюминиевой фольги иногда также включает окисление, выполняемое в специальных целях. Этот процесс наращивания слоя оксида алюминия называется формовкой. При производстве фольги для высоковольтных конденсаторов используются борная кислота или органические кислоты. Для формирования анодного электрода низковольтных алюминиевых электролитических конденсаторов применяются фосфорная кислота или раствор солей аммония жирных кислот, чтобы получить стабильный оксидный слой из Al₂O₃ на сильно изрезанной каналами поверхности анодной фольги.
3. Резка — алюминиевая фольга и бумажный сепаратор нарезается на полосы необходимой ширины и длины.
4. Выводы конденсатора присоединяются к электродам (анодной и катодной фольге) точечной или холодной сваркой. Электроды разделяются бумажным сепаратором и сворачиваются в рулон, образуя «конденсаторный элемент».
5. Пропитка: процесс вытеснения воды из «конденсаторного элемента» под давлением или под вакуумом и заполнения пор бумажного сепаратора электролитом, называется пропиткой. Конденсаторные элементы, полностью заполненные электролитом, затем обрабатываются на центрифуге для удаления его избытка.
6. Сборка: «конденсаторные элементы», уплотненные резиновыми прокладками, предотвращающими утечку электролита, помещаются в алюминиевые корпуса. Окончательный продукт получается после покрытия корпуса конденсатора изолирующей оболочкой.
7. Тренировка: цель тренировки — восстановление оксидного слоя в местах, где он поврежден.

Основные электрические характеристики алюминиевых электролитических конденсаторов

Упрощенная последовательная схема замещения алюминиевых электролитических конденсаторов изображена на рисунке 2.

Рис. 2. Упрощенная последовательная схема замещения алюминиевого электролитического конденсатора

Емкость (ESC-equivalent series capacitance)

Емкостной компонент эквивалентной электрической схемы определяется при приложении к конденсатору переменного напряжения амплитудой 500 мВ и частотой 120 Гц.

Зависимость емкости от температуры

Емкость алюминиевого электролитического конденсатора зависит от температуры. С понижением температуры (особенно ниже 0°C) возрастает вязкость электролита и его удельное электрическое сопротивление, что ведет к уменьшению емкости конденсатора. Наибольший вклад в это явление дает возрастание сопротивления в микропорах анодной фольги. Кроме того, температурный рост вызывает линейное расширение деталей конденсатора, с соответствующим увеличением емкости (до +20% при увеличении температуры от 0°C до 80°C, в зависимости от серии алюминиевых электролитических конденсаторов Yageo). Этот эффект более явно проявляется для алюминиевых электролитических конденсаторов по сравнению с другими типами электрических конденсаторов. Типичная зависимость емкости алюминиевых электролитических конденсаторов от температуры показана на рисунке 3.

Рис. 3. Типичная зависимость емкости алюминиевого электролитического конденсатора от температуры

Зависимость емкости от частоты

Эффективная величина емкости определяется на основе экспериментальной зависимости импеданса (полного сопротивления) алюминиевого электролитического конденсатора от частоты для диапазона частот, в котором емкостная составляющая доминирует. Типичная зависимость емкости алюминиевых электролитических конденсаторов от частоты показана на рисунке 4.

Рис. 4. Типичная зависимость емкости алюминиевого электролитического конденсатора от частоты

Коэффициент потерь алюминиевых электролитических конденсаторов («тангенс потерь», (tan δ), D.F. — Dissipation Factor).

Это – отношение активной мощности (мощности потерь) к реактивной мощности при синусоидальной форме напряжения на конденсаторе. Векторная диаграмма напряжения алюминиевого электролитического конденсатора (в области достаточно низких частот, где можно пренебречь индуктивной составляющей последовательной схемы замещения согласно рис. 2) показана на рисунке 5.

Рис. 5. Векторная диаграмма реального конденсатора

Угол δ отсчитывается между векторами напряжений на реальном алюминиевом электролитическом конденсаторе и на идеальной емкости.

Зависимость коэффициент потерь алюминиевого электролитического конденсатора от температуры показана на рисунке 6, а зависимость от частоты – на рисунке 7.

Рис. 6. Типичная зависимость коэффициента потерь алюминиевого электролитического конденсатора от температуры

Рис. 7. Типичная зависимость коэффициента потерь алюминиевого электролитического конденсатора от частоты

Equivalent Series Resistance (ESR)

Эквивалентное последовательное сопротивление – это активная составляющая в последовательной схеме замещения алюминиевого электролитического конденсатора (рис. 2). Величина ESR зависит от частоты и температуры и связана с (tan δ) выражением ESR=(tan δ)/(2*π*f* ESС). При расчете ESR следует принимать во внимание величины допуска на емкость алюминиевого электролитического конденсатора. Типичная зависимость ESR от температуры алюминиевого электролитического конденсатора на частотах от долей до десятков килогерц показана на рисунке 8.

Рис. 8. Типичная зависимость ESR алюминиевого электролитического конденсатора от температуры

Уменьшение ESR с температурой обусловлено сильным улучшением удельной электропроводности электролита. На рисунке 9 приведена типичная зависимость ESR алюминиевого электролитического конденсатора от частоты.

Рис. 9. Типичная зависимость ESR алюминиевого электролитического конденсатора от частоты

Impedance (Z)

Полное сопротивление алюминиевого электролитического конденсатора (импеданс) получается как результат действия всех составляющих последовательной схеме замещения (рис. 2). Более точно поведение реальных алюминиевых электролитических конденсаторов отражает схема замещения, изображенная на рисунке 10.

Рис. 10. Уточненная последовательная схема замещения алюминиевого электролитического конденсатора

C₀ – емкость оксидного слоя, определяемая эффективной площадью электрода и толщиной окисла;

R_e – активное сопротивление электролита и бумажного сепаратора (другие составляющие активного сопротивления относительно малы, не зависят от частоты и в данном контексте не обсуждаются: сопротивление выводов алюминиевого электролитического конденсатора, отводов, мест присоединений их к фольговым электродам и т.д.);

C_e – емкость бумажного сепаратора, пропитанного электролитом;

L – индуктивность обмоток и выводов алюминиевого электролитического конденсатора.

Рис. 11. Типичная зависимость импеданса алюминиевого электролитического конденсатора в соответствии с уточненной последовательной схемой замещения

Полное сопротивление электролитического конденсатора изменяется в зависимости от частоты и температуры. Зависимость импеданса от частоты (при приложении напряжения синусоидальной формы) и определенном значении температуры, показанная на рисунке 11, имеет несколько характерных участков:

1. на низких частотах доминирующее влияние оказывает емкостное сопротивление оксидного слоя анодного электрода (1/(ω*C₀));
2. с увеличением частоты емкостное сопротивление уменьшается, пока не станет одного порядка с активным сопротивлением электролита R_e (точка «А» на рисунке 11);
3. при дальнейшем увеличении частоты преобладает сопротивление электролита, а импеданс сохраняется примерно постоянным и равным R_e (участок между точками «А» и «В» на рисунке 11);
4. на частотах выше, чем (1/(2*π*R_e*C_e) (правее точки «В» на рисунке 11), импеданс вновь имеет емкостной характер и уменьшается с частотой вплоть до достижения резонанса между C_e и L;
5. выше резонансной частоты f₀=(C_e*L) -0.5 /(2*π) импеданс имеет индуктивный характер и примерно равен (ω*L).

Для ориентировочных оценок можно полагать, что C_e=0.01*C₀.

Типичная зависимость импеданса от частоты (при приложении напряжения синусоидальной формы) для различных значений температуры показана на рисунке 12 (на примере алюминиевого электролитического конденсатора емкостью 10 мкФ и с номинальным напряжением 450 В).

Рис. 12. Зависимость импеданса алюминиевого электролитического конденсатора 10мкФ*450В от частоты при разных значениях температур

Активное сопротивление электролита R_e представляет собой наиболее температуро-зависимый компонент в последовательной схеме замещения. Оно сильно уменьшается при увеличении температуры. Для того чтобы получить низкий импеданс алюминиевого электролитического конденсатора во всем диапазоне рабочих температур, R_e должно быть настолько малым, насколько возможно. Но это предполагает применение слишком химически активного, агрессивного рабочего электролита и, соответственно, не приемлемо-малый срок службы алюминиевого электролитического конденсатора при высоких температурах. Конкретный выбор определяется предпочтительным компромиссом характеристик конденсатора.

Leakage Current (L.C.)

Ток утечки алюминиевого электролитического конденсатора представляет собой ток через диэлектрический слой оксида алюминия на анодном электроде. В установившемся режиме работы ток утечки алюминиевого электролитического конденсатора достаточно мал, но все же больше, чем у других типов конденсаторов. Если электролитический конденсатор продолжительное время хранился без приложения к нему постоянного напряжения, особенно при повышенных температурах, оксидный слой частично повреждается (растворяется в электролите) и в первое время (несколько минут) после подачи напряжения на такой конденсатор, ток утечки будет значительно больше, чем в установившемся состоянии. Зависимость тока утечки алюминиевого электролитического конденсатора от величины поданного на него постоянного напряжения показана на рисунке 13.

Рис. 13. Типичная зависимость тока утечки алюминиевого электролитического конденсатора от приложенного постоянного напряжения

Величина V_f соответствует напряжению формирования оксидного слоя при изготовлении данного конденсатора. Приложение к конденсатору рабочего напряжения, равного или превышающего V_f, ведет к протеканию через него большого тока с выделением значительного количества тепла и газов, с быстрым разрушением алюминиевого электролитического конденсатора. Величина V_rпредставляет собой номинальное напряжение (максимально-допустимое постоянное напряжение, которое можно длительно подавать на конденсатор в оговоренных условиях работы). Напряжение V_s представляет собой промежуточную величину между V_r и V_f. Это максимальное постоянное напряжение, которое разрешается подавать на конденсатор лишь в течение короткого времени. Для обеспечения повышенного срока службы конденсатора уменьшают величину номинального напряжения по сравнению с напряжением формовки.

Надежность алюминиевых электролитических конденсаторов

Типичная зависимость изменения интенсивности отказов алюминиевых электролитических конденсаторов в течение их срока службы показана на рисунке 14.

Рис. 14. Типичная зависимость изменения интенсивности отказов алюминиевого электролитического конденсатора в течение жизненного цикла

Первый участок соответствует периоду приработки, когда происходит отказ потенциально не надежных экземпляров конденсаторов, имеющих явные или скрытые дефекты, вызванные отклонениями в свойствах примененных материалов или при выполнении технологических операций изготовления, хранения и монтажа. Второй участок кривой интенсивности отказов соответствует штатному сроку службы алюминиевых электролитических конденсаторов: величина интенсивности отказов находится на стабильном, низком уровне. Третий участок кривой соответствует эксплуатации алюминиевых электролитических конденсаторов за пределами их проектного ресурса, когда все более сильно проявляются процессы старения и интенсивности отказов нарастает.

В таблице 1 представлены основные первопричины ухудшения характеристик и отказов алюминиевых электролитических конденсаторов и то, как они проявляют себя при эксплуатации.

Табл.1. Классификация первопричин и видов отказов алюминиевых электролитических конденсаторов

Требования монтажа алюминиевых электролитических конденсаторов в оборудование и условия их работы

Пожалуйста, убедитесь, что требования монтажа алюминиевых электролитических конденсаторов и условия их работы в составе оборудования соответствуют спецификациям на них, представленным в этом каталоге.

Рабочая температура, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), пульсации тока (Ripple Current) и срок службы алюминиевых электролитических конденсаторов

MTTF (Mean-Time-To-Failure) — среднее время наработки алюминиевых электролитических конденсаторов до отказа — означает срок службы при комнатной температуре 25ºC. Под отказом понимается либо явное повреждение конденсатора с невозможностью его дальнейшей работы, либо ухудшение основных параметров (уменьшение емкости, увеличение тока утечки или коэффициента потерь) сверх установленных пределов годности.

Срок службы алюминиевого электролитического конденсатора ограничен процессами его старения и, в первом приближении, определяется температурой в наиболее горячей области внутри него, а также величиной приложенного напряжения (в меньшей мере, чем влияние температуры, пока напряжение не превышает номинальное для данного типа конденсатора). Изготовитель нормирует срок службы конденсатора в определенном «базовом», опорном режиме его применения.

1. Срок службы на постоянном токе (при приложении к конденсатору только номинального (рабочего) постоянного напряжения W.V. (work voltage); отсутствует переменный ток через конденсатор и, соответственно, нет каких-либо пульсаций напряжения) при максимально-допустимой температуре окружающей среды (воздуха) T_o (в зависимости от типа конденсатора, это — либо 85ºC, либо — 105ºC) обозначается L₀.
2. Срок службы на постоянном напряжении под токовой нагрузкой (при приложении к конденсатору номинального (рабочего) постоянного напряжения (W.V.) и, одновременно, номинального переменного тока (Ripple Current) через конденсатор) при максимально-допустимой температуре окружающей среды T_o (в зависимости от типа конденсатора, это — либо 85ºC, либо — 105ºC) обозначается L_r.

Номинальный действующий ток (и, соответственно, пульсации напряжения) нормируется т.о., чтобы перегрев конденсатора свыше температуры окружающей среды составлял при этом примерно 5ºC. Перегревом конденсатора, не несущего нагрузку переменным током (срок службы L₀), можно пренебречь (фактически в нем имеются только потери от тока утечки, равные (W.V.)*(L.C.), которые для тренированного исправного конденсатора достаточно малы). При значительных перегревах конденсаторов следует различать температуру наиболее горячей области внутри него T_x (определяет износ и, соответственно, ресурс, но не доступна для прямого измерения) и температуру корпуса конденсатора T_c (не влияет непосредственно на ресурс, но доступна для измерения и позволяет косвенно оценить температуру внутри). Зона (точка) на корпусе алюминиевого электролитического конденсатора, в которой следует производить измерение температуры, показана на рисунке 15.

Рис. 15. Измерение температуры корпуса алюминиевого электролитического конденсатора

Оценку не доступной для измерения величины температуры внутри конденсатора T_x можно выполнить по выражению

где K_c – коэффициент, зависящий от диаметра корпуса алюминиевого электролитического конденсатора, согласно таблице 2;

T_o — температура окружающей среды;

T_c — температура корпуса.

Табл.2. Зависимость коэффициента К_с от диаметра корпуса алюминиевых электролитических конденсаторов

Диаметр	≤8мм	10мм	12.5мм	13мм	16мм	18мм	22мм	25мм	30мм	35мм
Кс	1.1	1.15	1.20	1.20	1.25	1.30	1.35	1.40	1.50	1.65

Перегрев алюминиевого электролитического конденсатора (T_x-T_o) в первом приближении пропорционален рассеиваемой им мощности

где I_эфф – среднеквадратичная величина переменного тока через конденсатор;

ESR — соответствует частоте протекающего переменного тока.

В большинстве случаев слагаемым (W.V.)*(L.C.) можно пренебречь.

Величина ESR определяется через коэффициент потерь (D.F.), который для алюминиевых электролитических конденсаторов нормируется при частоте 120 Гц и температуре 20ºC. Для пересчета на другие значения рабочей частоты и температуры, следует использовать зависимости (D.F.) и ESR от частоты и температуры, подобные приведенным на рис.6…рис.9. Если через конденсатор в рабочем режиме протекают значительные переменные токи на нескольких, сильно отличающихся между собой, частотах, следует учитывать соответствующие изменения ESR с частотой. Например, при использовании алюминиевого электролитического конденсатора в составе импульсного источника питания, он нагружен переменными токами удвоенной сетевой частоты (100/120 Гц или 300/360 Гц) и ее гармониками и, одновременно, токами высокой частоты импульсного преобразования (десятки…сотни килогерц). Полная выделяемая мощность получается суммированием мощностей потерь по всем частотам протекающего переменного тока с учетом зависимости ESR от частоты.

Перегрев алюминиевых электролитических конденсаторов при произвольной нагрузке равен ΔT_x=(T_x-T_о.с.)=P_расс*(5ºC)/((ESR)₀*(I₀)²),

где P_расс – рассеиваемая мощность в актуальном режиме;

T_о.с. — температура окружающей среды;

(ESR)₀ — эквивалентное последовательное сопротивление в номинальном режиме, для которого нормирована действующая величина переменного тока (I₀) (Arms).

Ожидаемый срок службы алюминиевого электролитического конденсатора в актуальном режиме, при произвольной токовой нагрузке и реальной температуре окружающей среды T_о.с., равен

где ΔT_o=5ºC — перегрев конденсатора в номинальном режиме;

T_x=(T_о.с+ΔT_x) – температура наиболее нагретой области конденсатора;

а коэффициент К отражает степень влияния перегрева на срок службы.

Как следует из вышеуказанного выражения, срок службы экспоненциально зависит от температуры внутренних областей алюминиевого электролитического конденсатора, уменьшаясь вдвое при каждом увеличении температуры на 10ºC. Поскольку базовая величина срока службы (L_r или L₀) получена испытаниями для максимально–допустимой температуры конденсатора (85ºC или 105ºC), возможно его применение только при более низких температурах и, соответственно, с бОльшим сроком службы (или большей токовой нагрузкой). В любом случае, указанная выше зависимость увеличения ресурса при понижении рабочей температуры справедлива только при температурах выше 40ºC (при еще более низких температурах роста срока службы нет).

Срок службы алюминиевых электролитических конденсаторов корректируется в зависимости от реального перегрева. Эта зависимость в общем также экспоненциальная, но состоящая из нескольких участков. При реальной токовой нагрузке I_эфф меньше номинальной, К=2. Т.е. выигрыш в части увеличения ресурса при снижении действующего переменного тока через конденсатор не очень большой. Да и эта зависимость действует только при 0.8*(I₀)<I_эфф<(I₀), а при I_эфф<0.8*(I₀) срок службы не растет (т.е. К=1). При реальной токовой нагрузке I_эфф больше номинальной, К=4. Т.о., при большой нагрузке и, соответственно, перегреве, срок службы алюминиевых электролитических конденсаторов довольно быстро снижается.

Условия работы

Не допускается применение алюминиевых электролитических конденсаторов в следующих условиях:

1. Когда конденсатор подвергается воздействию высокой влажности, выпадению росы, брызг воды, солевых растворов, масел или пара.
2. Когда конденсатор подвергается воздействию химически активных и ядовитых газов, таких как сероводород, сернистый газ, окислы азота, хлор, аммиак и т.п.
3. Когда конденсатор подвергается воздействию озона, ультрафиолета и ионизирующих излучений.
4. Когда конденсатор подвергается воздействию механических вибраций и ударов, превышающих допустимые уровни, установленные в каталогах и технических условиях (datasheet) на них.
5. Выводы алюминиевых электролитических конденсаторов, их алюминиевые корпуса (а также вспомогательные выводы крепления у конденсаторов «snap-in») должны быть электрически изолированы от цепей, с которыми они не соединяются согласно принципиальной электрической схеме оборудования.

Рекомендации, которые необходимо учитывать при проектировании оборудования с применением алюминиевых электролитических конденсаторов

1. Расстояние между отверстиями в печатной плате для установки алюминиевых электролитических конденсаторов должно совпадать с номинальным значением расстояния между выводами конденсатора.
2. В непосредственной близости от конденсатора не д.б. каких-либо компонентов или проводников.
3. Если алюминиевый электролитический конденсатор устанавливается на печатную плату т.о., что предохранительный клапан обращен в сторону поверхности платы, следует предусмотреть отверстие в ней для отвода газов, которые могут выделиться из конденсатора.
4. Не устанавливайте большие алюминиевые электролитические конденсаторы с выводами под винт (screw terminal capacitor) в вертикальном положении «вверх ногами». Если такой конденсатор монтируется горизонтально, положительный вывод д.б. сверху относительно отрицательного.
5. Не располагайте какие-либо компоненты или проводники в непосредственной близости от вентиляционного отверстия алюминиевого электролитического конденсатора.

Вопросы, на которые следует обратить внимание перед сборкой оборудования с применением алюминиевых электролитических конденсаторов

1. Если алюминиевые электролитические конденсаторы изымаются из оборудования для измерения их электрических характеристик при периодических инспекциях, они могут быть затем возвращены на свои прежние места. Однако не допустимо устанавливать алюминиевые электролитические конденсаторы в оборудование, если на него уже подано электропитание.
2. В некоторых случаях, в процессе хранения алюминиевых электролитических конденсаторов на них может накапливать электрический заряд. Их следует предварительно разряжать, замыкая выводы через резистор сопротивлением примерно 1 кОм.
3. Ток утечки алюминиевых электролитических конденсаторов может значительно возрастать в процессе хранения, поэтому такие конденсаторы следует перед использованием «тренировать» подачей постоянного напряжения через токоограничивающий резистор сопротивлением примерно 1 кОм.

Рекомендации, которые необходимо учитывать при сборке оборудования с применением алюминиевых электролитических конденсаторов

1. Пожалуйста, проверяйте классификационные параметры алюминиевых электролитических конденсаторов (емкость и номинальное напряжение) перед их монтажом в оборудование.
2. Пожалуйста, проверяйте полярность алюминиевых электролитических конденсаторов перед их монтажом в оборудование.
3. Не роняйте алюминиевые электролитические конденсаторы на пол и не применяйте конденсаторы с помятыми корпусами.
4. Будьте осторожны, чтобы не повредить алюминиевый электролитический конденсатор в процессе монтажа.
5. Алюминиевые электролитические конденсаторы конструкции «snap-in» должны плотно устанавливаться на печатную плату, без люфта или зазора между корпусом конденсатора и поверхностью платы.
6. Исключите опасность чрезмерных усилий на выводы алюминиевого электролитического конденсатора при их изгибе в процессе установки на плату.
7. Исключите опасность чрезмерно сильных ударов алюминиевых электролитических конденсаторов со стороны машины для автоматической набивки компонентов в процессе операций монтажа, инспекции компонентов и центрирования.
8. Пожалуйста, используйте соответствующие материалы и компоненты, например, скобы или клей, для надежного крепления алюминиевых электролитических конденсаторов к печатной плате, если ожидается, что оборудование будет подвержено вибрациям или ударам.

Пайка алюминиевых электролитических конденсаторов

1. Покрытие выводов у всех алюминиевых электролитических конденсаторов, производимых Yageo, не содержит свинца.
2. Режимы пайки (продолжительность операций и температуры при их проведении) должны соответствовать спецификациям, указанным в этом каталоге или specification sheets на алюминиевые электролитические конденсаторы.
3. Если необходима формовка выводов конденсаторов вследствие не совпадения расстояний между отверстиями на печатной плате и между выводами, операцию гибки следует выполнять до пайки, не допуская возникновения механических нагрузок на конденсатор.
4. Если требуется выпаять алюминиевый электролитический конденсатор из печатной платы с помощью паяльника, необходимо обеспечить полное расплавление припоя на выводах конденсатора перед его извлечением, чтобы исключить механические усилия на конденсатор и его выводы.
5. Никогда не касайтесь паяльником корпусов алюминиевых электролитических конденсаторов.

Пайка волной

1. Не опускайте корпус алюминиевого электролитического конденсатора в расплавленный припой.
2. Режим пайки д.б. ограничен 260°C и 10 секундами.
3. Поток припоя д.б. направлен на выводы алюминиевых электролитических конденсаторов, но не на их корпуса.
4. Другие компоненты, смонтированные вблизи, не должны касаться корпусов алюминиевых электролитических конденсаторов.

Групповая пайка оплавлением пасты в печи

1. Для групповой пайки алюминиевых электролитических конденсаторов оплавлением пасты, используйте печи с конвекционным или инфракрасным нагревом. Применение пайки в паровой фазе не рекомендуется.
2. Соблюдайте правильные режимы пайки (длительности и температуры на каждой операции).
3. Не превышайте специфицированных пределов режимов пайки.
4. Повторное оплавление:

Если возможно, исключите двойное оплавление из технологического процесса пайки оборудования, имеющего в своем составе алюминиевые электролитические конденсаторы.

Если повторного оплавления избежать невозможно, консультируйтесь с инженерами по применению Yageo относительно допустимого режима пайки.

Типовые профили пайки алюминиевых электролитических конденсаторов при использовании групповой пайки оплавлением пасты в печи показаны на рисунках 16 и 17. Особенности режима пайки алюминиевых электролитических конденсаторов, выводы которых имеют бессвинцовое покрытие, в зависимости от диаметров их корпусов, представлены в таблице 3.

Рис. 16. Параметры режима групповой пайки оплавлением пасты алюминиевых электролитических конденсаторов

Рис.17. Параметры режима групповой пайки оплавлением пасты алюминиевых электролитических конденсаторов бессвинцовыми припоями

Табл.3. Параметры режима групповой пайки оплавлением пасты алюминиевых электролитических конденсаторов с различными диаметрами корпусов бессвинцовыми припоями

Очистка печатной платы с установленными на ней алюминиевыми электролитическими конденсаторами после пайки

1. Технология должна соответствовать требованиям JIS C 5101.
2. Алюминиевые электролитические конденсаторы могут быть повреждены коррозией, вызванной применением для очистки растворителей на основе галогенированных углеводородов, например, дихлорметана. Поэтому их применение не допустимо.

Для очистки плат с установленными на них алюминиевыми электролитическими конденсаторами рекомендуется использовать следующие растворители (применимы для всех типов алюминиевых электролитических конденсаторов), использующие многоосновные спирты:

• pine Alpha ST-100S(производство Arakawa chemicals),
• Clean Through 750H/750L/710M (производство Kao),
• Techno Care FRW14

а также Sanelek B-12, Aqua Cleaner 210SEP и изопропиловый спирт.

Режимы очистки плат:

Температура растворителя д.б. не выше 60°C, а время очистки – не менее 5 минут при иммерсионной, ультразвуковой или других методах очистки. После завершения процесса очистки, алюминиевые электролитические конденсаторы д.б. высушены продувкой печатной платы сухим горячим воздухом в течение не менее 10 минут. При этом температура горячего воздуха не должна превышать максимально-допустимую рабочую температуру для обрабатываемых алюминиевых электролитических конденсаторов. Если конденсаторы высушены не достаточно, это может вызвать ряд проблем: местные разрывы и оползание изоляционного покрытия корпуса, выпучивание прокладки, уплотняющей выводы и т.п.

Пожалуйста, заблаговременно информируйте Yageo о наименовании растворителя, применяемом на Вашем производстве для очистки плат, и режимах технологического процесса.

Предупреждение об опасности

Если Вы видите «дым», выходящий из предохранительного клапана алюминиевого электролитического конденсатора, выключите рубильник или выдерните вилку цепи питания оборудования.

Не приближайте Ваше лицо к предохранительному клапану алюминиевого электролитического конденсатора. Газы, выбрасываемые из конденсатора, могут иметь температуру свыше 100°C. Если эти газы попали Вам в глаза, пожалуйста, немедленно промойте их большим количеством воды. Если Вы вдохнули этот газ, пожалуйста, немедленно промойте рот и горло водой. Ни в коем случае, не проглатывайте электролит. Если электролит попал на кожу, немедленно промойте ее водой с мылом.

Условия хранения алюминиевых электролитических конденсаторов

1. Алюминиевые электролитические конденсаторы не должны храниться при повышенной температуре или в условиях высокой влажности воздуха. Наиболее подходящими условиями хранения являются диапазон температур от 5 до 35°C и относительная влажность не более 75%.
2. Алюминиевые электролитические конденсаторы не должны храниться в условиях, когда на них попадает вода, брызги солевых растворов или капли масла.
3. Алюминиевые электролитические конденсаторы не должны храниться при воздействии агрессивных и токсичных газов, таких как сероводород, сернистый газ, окислы азоты, хлор, аммиак и т.п.
4. Алюминиевые электролитические конденсаторы не должны храниться в условиях, когда на них действует озон, ультрафиолетовое или ионизирующее излучение.
5. Если алюминиевый электролитический конденсатор хранился более года в нормальных условиях (или более короткое время при повышенной температуре) и показывает завышенный ток утечки, его следует подвергнуть тренировке подачей постоянного напряжения через токоограничивающий резистор.

Воздействие на окружающую среду

Все алюминиевые электролитические конденсаторы Yageo соответствуют требованиям директивы RoHS (Restriction of Hazardous Substances).

Утилизация алюминиевых электролитических конденсаторов

Пожалуйста, утилизируйте конденсаторы одним из следующих путей:

1. Сжигайте алюминиевые электролитические конденсаторы при температуре не ниже 1200°C, предварительно пробив отверстия в их корпусе.
2. Привлеките к работе специалиста по процедуре утилизации алюминиевых электролитических конденсаторов.

Результаты испытаний алюминиевых электролитических конденсаторов на срок службы

Рис. 18. Типичные зависимости изменений основных параметров алюминиевых электролитических конденсаторов в процессе испытаний на срок службы

На рисунке 18 приведены результаты испытаний алюминиевых электролитических конденсаторов в течение наработки 2000ч. Показано изменение со временем емкости, коэффициента потерь и тока утечки для трех различных номиналов (100мкФ*25В, 4.7мкФ*350В и 10мкФ*160В).

Меры предосторожности при использовании алюминиевых электролитических конденсаторов

Обратите внимание на следующие рекомендации при использовании конденсаторов:

1. При использовании электролитических конденсаторов в задачах, где к ним прикладывается постоянное напряжение, необходимо соблюдать правильную полярность. В противном случае, при установке конденсатора в обратной полярности, может уменьшиться его срок службы или, даже, конденсатор может быть поврежден. В цепях с неизвестной полярностью или если имеется возможность изменения полярности в цепи, следует использовать неполярные конденсаторы. Также нельзя применять полярные электролитические конденсаторы в задачах, где к ним прикладывается переменное напряжение.
2. Не подавайте на конденсатор напряжение, длительно превышающее номинальное напряжение. Это приведет к повреждению конденсатора вследствие повышенного тока утечки.
3. Используйте электролитический конденсатор при величине пульсаций тока через него в допустимых пределах.
4. Используйте электролитические конденсаторы в разрешенном диапазоне рабочих температур. Эксплуатация конденсаторов при комнатной температуре обеспечит более длительный срок службы.
5. Электролитические конденсаторы не подходят для схем с многократно повторяющимися циклами заряда и разряда. Их использование в схемах, в которых происходит многократно повторяющиеся глубокий разряд и заряд конденсатора, может приводить к уменьшению емкости или, даже, повреждению конденсатора. Если необходимо применить электролитический конденсатор для такой задачи, пожалуйста, обратитесь в наш инженерный отдел для технической консультации.
6. Если электролитические конденсаторы в течение длительного времени хранились в разряженном состоянии, используйте их только после предварительной тренировки. Продолжительное хранение без подачи постоянного напряжения может увеличить ток утечки конденсатора. В таких случаях перед использованием необходимо выполнить процедуру предварительной «подформовки» конденсатора подачей постоянного напряжения заданной величины.
7. Следует обратить особое внимание на соблюдение температурного режима и длительностей операций при пайке алюминиевых электролитических конденсаторов. Если температура пайки слишком высокая или время окунания выводов в припой слишком продолжительное, возможны деградация электрических характеристик конденсаторов и повреждение изоляционной оболочки, обтягивающей корпус. При пайке малогабаритных алюминиевых электролитических конденсаторов окунанием в припой, его температура не должна превышать 260°С, а продолжительность операции — не более 10 секунд .
8. Очистка печатных плат после пайки. Не рекомендуется использовать растворители на основе галогенированных углеводородов для очистки плат, на которых смонтированы алюминиевые электролитические конденсаторы с открытым уплотнением выводов. Если для очистки печатных плат необходимо использовать растворители на основе галогенированных углеводородов, следует применять конденсаторы с эпоксидным покрытием торцевых уплотнений.
9. Не следует допускать приложения чрезмерных усилий к выводам алюминиевого электролитического конденсатора. Это может привести к обрыву его выводов или внутренних присоединений. (Для определения допустимых механических нагрузок на выводы, пожалуйста, обратитесь к руководящим документам JIS C5102 и JIS C5141.)
10. Следует обеспечивать достаточный зазор между корпусом конденсатора и стенкой корпуса прибора (Рис.19).

Рис. 19. Минимально-допустимое расстояние между корпусом алюминиевого электролитического конденсатора и стенкой корпуса оборудования

Не препятствуйте работе вентиляционных систем, если иное не оговорено в каталогах или технических характеристиках оборудования. Слишком малый зазор между корпусом конденсатора и корпусом прибора может негативно повлиять на работу вентиляционной системы и привести к взрыву конденсатора.