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 εr 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.
- конденсаторы
- электроника
- электронные компоненты
- электротехника
История конденсаторов часть 2: современная эра
В начале истории конденсаторов они использовались в основном для получения первых представлений об электричестве, ещё даже до того, как были открыты электроны. Это было время для публичных демонстраций достижений науки, например, в виде держащихся за руки людей, через которых пропускали ток конденсатора. Современная эра развития конденсаторов начинается в конце 18-го века, когда началось практическое применение электричества, потребовавшее изготовления конденсаторов с определёнными свойствами.
Лейденские банки
Маркони с передающим аппаратом
Одним из примеров практического использования стали искровые трансмиттеры, появившиеся до 1900 года и существовавшие в первом и втором десятилетиях. Трансмиттеры набирали большое напряжение для разряда через зазор, и потому с этой целью использовались керамические конденсаторы, которые могли выдержать такое напряжение. Кроме того, для этого требовалась высокая частота. Это были, по сути, лейденские банки, и для получения нужной ёмкости им требовались большие размеры.
Слюда
В 1909 году Уильям Дубилье [William Dubilier] изобрёл слюдяные конденсаторы меньшего размера, которые использовались на принимающей стороне в резонансных контурах беспроводного оборудования.
Ранние слюдяные конденсаторы представляли собою слои слюды и медной фольги, сжатые вместе в «пакетные слюдяные конденсаторы». Они были ненадёжными, и из-за того, что между слоями слюды и фольги оставались воздушные зазоры, были подвержены коррозии и окислению, а расстояние между пластинами могло меняться, что приводило к изменениям ёмкости.
В 1920-х были разработаны слюдяные конденсаторы с применением серебра, в которых слюда была с обеих сторон заключена в металл, что устраняло воздушные зазоры. Благодаря тонкому металлическому покрытию их размер можно было уменьшить, и они были очень надёжными. Конечно, развитие не остановилось на этом. Давайте рассмотрим историю современных конденсаторов, отмеченную рядом прорывов, следовавших один за другим.
Керамика
Многослойные керамические конденсаторы вокруг микропроцессора
В 1920-х слюды в Германии было мало, и там экспериментировали с новыми поколениями керамических конденсаторов. Было обнаружено, что у рутила (диоксида титана) ёмкость линейно зависит от температуры, и они могут заменить слюдяные конденсаторы. Их сначала производили в небольших количествах, а затем более крупными партиями в 1940-х. Они состояли из дисков, покрытых с двух сторон металлом.
Для увеличения ёмкости использовалась ещё одна разновидность керамики, титанат бария, и у неё диэлектрическая постоянная была в 10 раз выше, чем у слюды или диоксида титана. Но электрически параметры у неё были менее стабильными, и в результате её можно было использовать вместо слюды только там, где не требовалось надёжности. После Второй Мировой этот недостаток был исправлен.
Начавшая работу в 1961 году американская компания представила многослойный керамический конденсатор (multi-layer ceramic capacitor, MLCC), у которого размеры были меньше, а ёмкость – больше. К 2012 году ежегодное производство MLCC из титаната бария достигало уже 10 12 штук.
Алюминиевые электролитические
Электролитический конденсатор
В 1890-х Чарльз Поллак открыл, что слой оксида на алюминиевом аноде проявляет стабильность в нейтральной или щелочной среде, и получил в 1897 году патент на алюминиевый электролитический конденсатор с бурой. Первые «мокрые» электролитические конденсаторы» появились в радиоприёмниках в 1920-х, но их срок жизни был ограничен. «Мокрыми» их называли из-за содержания воды. Это была ёмкость с металлическим анодом, погружённым в раствор буры или другого электролита, растворённого в воде. Внешняя часть контейнера служила второй пластиной. Их использовали в телефонных АТС для уменьшения шума реле.
Патент на предка современного электролитического конденсатора был заявлен в 1925 году Сэмюэлем Рубеном. Он сделал бутерброд из гелеобразного электролита, расположенного между анодом, покрытым оксидом, и второй пластиной из металлической фольги, устранив необходимость в контейнере с водой. В результате получился «сухой» электролитический конденсатор. Всё это серьёзно уменьшило размер и стоимость конденсаторов.
В 1936-м компания Cornell-Dubilier представила свои алюминиевые электролитические конденсаторы, в которых были такие улучшения, как загрубление поверхности анода, помогавшее увеличить ёмкость. Компания Hydra-Werke, принадлежавшая AEG, примерно в то же время начала их массовое производство в Берлине.
После Второй Мировой быстрое развитие технологий радио и телевидения привело к увеличению производства конденсаторов и разнообразия их стилей и размеров. Среди улучшений были уменьшение утечек тока и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), увеличение температурных рамок и срока службы благодаря использованию новых органических электролитов. Дальнейшие разработки в 1970-1990-х годах продолжили эту тенденцию, уменьшая утечки, ESR и увеличивая рабочие температуры.
В начале 2000-х годов случилась т.н. «конденсаторная чума», из-за того, что производители использовали для изготовления конденсаторов украденный рецепт электролита, который оказался неполным. Отсутствие стабилизирующих компонентов приводило к раннему выходу конденсаторов из строя.
Танталовые электролитические
Танталовый конденсатор поверхностного размещения
Танталовые электролитические конденсаторы впервые начали изготавливать для военных нужд в 1930-х. Они использовали закрученную танталовую фольгу и жидкий электролит. В 1950-х в Bell Laboratories изготовили первый танталовый конденсатор с твёрдым электролитом. Они растирали тантал в порошок и спекали его в цилиндр. Сначала использовались жидкие электролиты, но потом было обнаружено, что диоксид марганца можно использовать в качестве твёрдого электролита.
И хотя основные изобретения были сделаны в Bell Labs, в 1954-м Sprague Electric Company улучшила процесс изготовления, и начала производить первые коммерчески доступные танталовые конденсаторы с твёрдым электролитом.
В 1975 появились полимерные танталовые электролитические конденсаторы с гораздо большей проводимостью. В них проводящие полимеры заменяли диоксид марганца, что приводило к уменьшению ESR. NEC выпустили полимерный танталовый конденсатор в 1995 году для поверхностного монтажа, а в 1997 за ними последовала и Sanyo.
Стоимость танталовой руды на рынке нестабильна, и пару раз скачки уже случались – в 1980 и в 2000/2001 годах. Последний скачок привёл к разработке ниобиевых электролитических конденсаторов с электролитом из диоксида марганца, свойства которых были примерно сравнимы с танталовыми.
Полимерная плёнка
Конденсаторы на полимёрной плёнке
Конденсаторы на металлизированной бумаге были запатентованы в 1900-м году Г.Ф. Мэнсбриджем [G.F. Mansbridge]. Металлизировали бумагу, покрывая её связующим веществом, содержавшим частички металла. В начале 1900-х их активно использовали как развязывающие конденсаторы в телефонии. Во время Второй мировой Bosch улучшила процесс и производила их, покрывая бумагу лаком, который затем покрывался металлом путём вакуумного напыления. В 1954-м Bell Labs изготовили металлизированную лаковую плёнку толщиной 2,5 мкм отдельно от бумаги, что позволило создавать конденсаторы ещё меньшего размера. Этот конденсатор можно считать первым полимерным.
Исследования пластика, проводимые специалистами по органической химии во время Второй мировой, привели к развитию этой темы. Одним из них в 1954 году стал первый майларовый конденсатор. Торговую марку «майлар» в 1952 году представила компания Dupont, и это был очень прочный полиэтилентерефталат (PET), плёнка на основе синтетического полиэфирного волокна. В 1954 был произведён конденсатор на майларовой плёнке толщиной 12 мкм. К 1959 году список включал конденсаторы, сделанные при помощи полиэтилена, полистирена, политетрафторэтилена (PTFE), PET и поликарбоната. К 1970-м в электронных устройствах использовались конденсаторы из плёнки и фольги без бумаги.
Двойные (суперконденсаторы)
Суперконденсаторы
И вот история приводит нас к последнему типу конденсаторов, и очень интересному, поскольку их ёмкость измеряется уже в тысячах фарад. В начале 1950-х исследователи в General Electric использовали свои наработки в области топливных ячеек и перезаряжаемых батарей для экспериментов с конденсаторами с пористыми электродами из углерода. Это привело к патенту Беккера на «Электролитический конденсатор низкого напряжения с пористыми углеродными электродами». GE не стала заниматься дальнейшими разработками, но заложенные в патент принципы привели к созданию конденсаторов очень высокой ёмкости.
Компания Standard Oil из Огайо разработала ещё одну их версию, и в итоге продала в 1970-х лицензию компании NEC, которая довела их до коммерческого варианта под торговой маркой «суперконденсатор». Они работали с напряжением в 5,5 В и имели ёмкости до 1 Ф. Они достигали объёма в 5 куб.см. и использовались в качестве резервного источника питания для компьютерной памяти.
Профессор Брайан Эванс Конвэй из Оттавского университета работал над электрохимическими конденсаторами из оксида рутения с 1975 по 1980 годы. В 1991 он описал разницу между суперконденсаторами и батареями в электрохимическом хранении заряда, а полностью описал различия в 1999 году, снова введя в оборот термин «суперконденсатор».
Продукты и рынки для суперконденсаторов постепенно появлялись. Известные торговые марки – это Goldcaps, Dynacap и PRI Ultracapacitor, последняя из которых связана с первыми суперконденсаторами, обладающими небольшим внутренним сопротивлением, разработанными в 1982 году компанией Pinnacle Research Institute (PRI) для нужд военных.
Относительно свежие разработки на рынке включают литий-ионные конденсаторы, в которых аноды из активированного угля покрываются ионами лития. Их ёмкость составляет тысячи фарад при напряжении в 2,7В.
- Компьютерное железо
- История IT
- Научно-популярное
Разновидности конденсаторов по типу диэлектрика
В радиоэлектронике используются огромное количество всевозможных конденсаторов. Все они различаются по таким основным параметрам как номинальная ёмкость, рабочее напряжение и допуск.
Но это лишь основные параметры. Ещё одним немаловажным параметрам может служить то, из какого диэлектрика состоит конденсатор. Рассмотрим более подробно, какие бывают конденсаторы по типу диэлектрика.
В радиоэлектронике применяются полярные и неполярные конденсаторы. Отличие полярных конденсаторов от неполярных заключается в том, что полярные включаются в электронную схему в строгом соответствии с указанной полярностью. К полярным конденсаторам относятся так называемые электролитические конденсаторы. Наиболее распространены радиальные алюминиевые электролитические конденсаторы. В отечественной маркировке они имеют обозначение К50-35.
Радиальный электролитический конденсатор
У аксиальных конденсаторов проволочные выводы размещены по бокам цилиндрического корпуса, в отличие от радиальных конденсаторов, выводы которых размещаются с одной стороны цилиндрического корпуса. Аксиальными электролитами являются конденсаторы с маркировкой К50-29 К50-12, К50-15 и К50-24.
Аксиальные электролитические конденсаторы серии К50-29 и импортный фирмы PHILIPS
В обиходе радиолюбители называют электролитические конденсаторы «электролитами».
Обнаружить их можно в блоках питания радиоэлектронной аппаратуры. В основном они служат для фильтрации и сглаживания выпрямленного напряжения. Также электролитические конденсаторы активно применяются в усилителях звуковой частоты (усилках) для разделения постоянной и переменной составляющей тока.
Электролитические конденсаторы обладают довольно значительной ёмкостью. В основном, значения номинальной ёмкости простираются от 0,1 микрофарады (0,1 мкФ) до 100.000 микрофарад (100000 мкФ).
Номинальное рабочее напряжение электролитических конденсаторов может быть в диапазоне от 10 вольт до нескольких сотен вольт (100 – 500 вольт). Конечно, не исключено, что есть и другие образцы, с другой ёмкостью и рабочим напряжением, но на практике встречаются они довольно редко.
Стоит отметить, что номинальная ёмкость электролитических конденсаторов уменьшается по мере роста срока их эксплуатации.
Поэтому, для сборки самодельных электронных устройств, стоит применять либо новые купленные, либо те конденсаторы, которые эксплуатировались в электроаппаратуре небольшой срок. В противном случае, можно столкнуться с ситуацией неработоспособности самодельного устройства по причине неисправности электролитического конденсатора. Наиболее распространённый дефект “старых” электролитов – потеря ёмкости и повышенная утечка.
Перед повторным применением стоит тщательно проверить конденсатор, ранее бывший в употреблении.
Опытные радиомеханики могут многое рассказать про качество электролитических конденсаторов. В пору широкого распространения советских цветных телевизоров в ходу была очень распространённая неисправность телевизоров по причине некачественных электролитов. Порой доходило до того, что телемастер заменял практически все электролитические конденсаторы в схеме телевизора, после чего аппарат исправно работал долгие годы.
В последнее время всё большее распространение получают компактные электролитические конденсаторы для поверхностного монтажа. Их габариты значительно меньше, чем классических выводных.
Конденсаторы электролитические алюминиевые для SMD монтажа на плате CD — привода
Также существуют миниатюрные танталовые конденсаторы. Они имеют довольно малые размеры и предназначены для SMD монтажа. Обнаружить их легко на печатных платах миниатюрных МР3 плееров, мобильных телефонов, материнских платах ноутбуков и компьютеров.
Танталовые электролитические конденсаторы на печатной плате MP-3 плеера
Несмотря на свои маленькие размеры, танталовые конденсаторы имеют значительную ёмкость. Они аналогичны алюминиевым электролитическим конденсаторам для поверхностного монтажа, но имеют значительно меньшие размеры.
Танталовый SMD конденсатор ёмкостью 47 мкФ и рабочее напряжение 6 вольт.
Печатная плата компьютерного CD-привода
В основном в компактной аппаратуре встречаются танталовые конденсаторы на 6,3 мкФ, 10 мкФ, 22 мкФ, 47 мкФ, 100 мкФ, 470 мкФ и на рабочее напряжение 10 — 16 вольт. Столь небольшое рабочее напряжение связано с тем, что напряжение источника питания в малогабаритной электронике редко превышает порог в 5 – 10 вольт. Конечно, есть и более высоковольтные экземпляры.
Кроме танталовых конденсаторов в миниатюрной электронике используются и полимерные для поверхностного монтажа. Такие конденсаторы изготавливаются с применением твёрдого полимера. Он выполняет роль отрицательной обкладки – катода. Плюсовым выводом – анодом – в полимерном конденсаторе служит алюминиевая фольга. Такие конденсаторы хорошо подавляют электрические шумы и пульсации, обладают высокой температурной стабильностью.
На танталовых конденсаторах указывается полярность, которую необходимо учитывать при их использовании в самодельных конструкциях.
Кроме танталовых конденсаторов в SMD корпусах есть и выводные с танталовым диэлектриком. Их форма напоминает каплю. Отрицательный вывод маркируется полосой на корпусе.
Такие конденсаторы также обладают всеми преимуществами, что и танталовые для поверхностного монтажа, а именно низким током утечки, высокой температурной и частотной стабильностью, более высоким сроком эксплуатации по сравнению с обычными конденсаторами. Активно применяются в телекоммуникационном оборудовании и компьютерной технике.
Выводной танталовый конденсатор ёмкостью 10 микрофарад и рабочее напряжение 16 вольт
Среди электролитических конденсаторов есть и неполярные. Выглядят они, так же как и обычные электролитические конденсаторы, но для них не важна полярность приложенного напряжения. Они применяются в схемах с переменным или пульсирующим током, где использование полярных конденсаторов невозможно. К неполярным относятся конденсаторы с маркировкой К50-6. Отличить полярный конденсатор от неполярного можно, например, по отсутствию маркировки полярности на его корпусе.
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.