Напряжение на электролитическом конденсаторе

Электролитический конденсатор

Электролитический конденсатор – один из видов ёмкостных элементов, применяемый в электрике, радиотехнике и электронике. Повсеместное использование этих деталей обусловлено большой величиной ёмкости, при скромных габаритах. Конденсаторы предназначены для длительной работы в цепях постоянного тока. Они являются полярными емкостными двухполюсниками и должны включаться в схему с соблюдением полярности питающего напряжения.

Электролитический конденсатор

Общие сведения

Конденсаторы предназначены для накопления электрической энергии и выдаче её при необходимости. Эти пассивные электронные компоненты разделяются на виды:

• конденсатор постоянной ёмкости;
• конденсатор переменной емкости.

Основная характеристика элемента – ёмкость. Она обозначается буквой С и измеряется в фарадах.

Важно! Единица ёмкости 1 Ф – это очень большая величина. Применяемые на практике детали имеют емкость, измеряемую в микрофарадах (мкФ), пикофарадах (пФ), нанофарадах (нФ).

Графическое обозначение на схемах выглядит, как две параллельные вертикальные чёрточки, разделённые промежутком.

Устройство ёмкостного двухполюсника постоянной и переменной ёмкости

Устройство обычного конденсатора именно так и выполнено. Между двумя пластинами (обкладками) находится воздушный промежуток – диэлектрик. Значение ёмкости напрямую зависит от размера обкладок и расстояния между ними.

Работа конденсаторов переменной ёмкости основана на изменении расстояния между пластинами. Подвижные пластины – ротор, неподвижные – статор. Существуют вакуумные переменные ёмкостные элементы. Устройство помещено в колбу, из которой выкачан воздух.

Графическое обозначение на схемах

История происхождения электролитических конденсаторов

Корни рождения электролитического конденсатора нужно искать в его строении. У него одна из обкладок пластины из фольги – это анод (положительный вывод). Диэлектрик – оксидный слой. Вещество, которым заполнено пространство, – электролит. Электролит может быть жидким, а может быть твёрдым. Он служит катодом (отрицательный вывод). Отсюда и название «электролитический».

При электрохимических опытах с металлами (цинком, ниобием, танталом, кадмием и другими) француз Дюкрэ в 1875 году открыл эффект оксидирования.

Информация. Опыт показал, что при подключении плюса от источника питания к алюминиевой заготовке (аноду) на её поверхности образовывался оксидный слой, имеющий n-проводимость. Получается своеобразный диод. Присоединение в прямом направлении даёт низкое падение напряжения и в результате повышенную ёмкость.

Устройство электролитической ёмкости и внешний вид

Функции электролитических конденсаторов

Применение этих деталей служит для фильтрации пульсаций тока в выпрямителях. Электролитические конденсаторы используют в звуковых каскадах усилителей, для разделения на токи звуковых частот.

Электрические характеристики электролитических конденсаторов

Так как в них воздушный диэлектрик заменён на электролит, то его состав и качество влияют на свойства двухполюсника.

К главным параметрам электролитической детали относятся следующие характеристики:

• ёмкость – С;
• разрешённые отклонения от номинального значения С;
• величина реактивного сопротивления.

Сюда же можно приплюсовать конструктивные особенности (размеры и способы крепления).

Виды

«Электролиты» подразделяются на следующие типы элементов:

• алюминиевые;
• танталовые;
• ниобиевые.

Каждый из видов рассчитан на определённые условия работы.

Алюминиевые электролитические конденсаторы (ЭК)

Алюминиевый ЭК включает в себя две ленты из алюминиевой фольги и бумагу, пропитанную электролитом. Всё это свёрнуто в рулон и помещено в металлический корпус. Диэлектрик в этой детали – окись алюминия. Чтобы увеличить площадь поверхности, фольгу протравливают в электролите под напряжением. При этом ёмкость увеличивается многократно. Конструкция герметически уплотняется резиновыми прокладками.

К сведению. Вторая полоска фольги нужна для улучшения контакта с электролитом (катодом) и для формирования минусового вывода.

Танталовые конденсаторы

Размер таких ЭК маленький, что позволяет использовать их в печатных платах с навесным монтажом. В качестве анода применяется тантал. У него пористая структура, даёт большую рабочую площадь. Диэлектриком является оксид того же тантала – Та2О5. Слой формируют, помещая заготовку в раствор кислоты с высокой температурой, после чего пропускают через них ток. Регулируя силу тока, контролируют толщину плёнки. Катодом служит диоксид марганца. Заготовку замачивают в растворе Mn(NO3)2 (нитрат марганца) и сушат.

Интересно. Катодный вывод делают, покрывая слой диоксида марганца графитом, его, в свою очередь, – слоем серебра. После чего к серебру припаивают отвод для установки выводов элемента в отверстия на плате. При изготовлении полярных SMD-конденсаторов формуют вывод-контакт из посеребрённой эпоксидной смолы.

Ниобиевые конденсаторы

В элементах этого типа в качестве анода используют ниобий. Остальная технология и свойства таких двухполюсников схожи с танталовыми собратьями.

Конструкция электролитического конденсатора

Алюминиевые ЭК представляют собой конструкцию, состоящую из следующих элементов:

• корпус из алюминия с нанесёнными обозначениями ёмкости, напряжения и маркированными плюсом и минусом;
• электроды (выводы);
• уплотнительная резинка или клапан.

«Электролиты», предназначенные для работы с постоянным током и рассчитанные на навесной монтаж, имеют на корпусе резьбу и гайку для крепления.

ЭК для установки на плате при помощи гайки

Особенности применения

Местом расположения таких двухполюсников бывает конденсаторная установка. Эти устройства предназначены для компенсации реактивной мощности на предприятиях. Установки нужны там, где преобладают в качестве нагрузки электродвигатели, трансформаторы. В процессе работы цеха потребляют много реактивной мощности, которую приходится компенсировать.

Надежность электролитических конденсаторов

ЭК – пассивный элемент и работает долго, если не нарушать определённых условий:

• правильно подобрать ёмкость;
• исключить возможность протекания через ЭК переменного тока;
• соблюдать допустимый температурный режим.

При длительной работе в жарких условиях электролит высыхает и теряет свои свойства. От воздействия повышенного напряжения происходит пробой диэлектрика. При ошибочной или аварийной подаче переменного тока электролит закипает, и происходит взрыв.

Требования монтажа электролитических конденсаторов в оборудование

Чтобы конденсатор работал в режиме долгое время, при монтаже необходимо выполнять следующие требования:

• подключение производить, соблюдая полярность;
• напряжение, поданное на элемент, должно быть меньше или равно Uном с учётом погрешности.

Двухполюсник необходимо располагать как можно дальше от нагревающихся приборов.

Рабочая температура, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и срок службы

Верхний предел рабочей температуры двухполюсников колеблется в диапазоне 60-800С. При её значении более 80 градусов требуется обязательное охлаждение конденсатора. Для того чтобы расширить границы, в элементы, где присутствует жидкий электролит, добавляют этиленгликоль.

К сведению. Верхний предел в разных случаях достигает 100-125 0С и, если удаётся избежать теплового пробоя, до 500-6000С. Однако это чревато снижением срока службы ёмкостных элементов.

Высокие температуры высушивают электролит, в результате чего падает ёмкость, и возрастает внутреннее эквивалентное сопротивление ESR.

При быстром старении конденсатора сопротивление ESR стремительно увеличивается. Для надёжной работы двухполюсника оно должно быть как можно ниже.

В рабочем режиме, когда через конденсатор проходят токи на разнящихся между собой частотах, ESR изменяется с частотой. В этом случае полная мощность потерь будет равняться сумме мощностей потерь на каждой из частот.

Условия работы

Необходимость создания определённого запаса относительно Uном (0,5…0,6 его значения) вызвана тем, что, нагреваясь, электролит выделяет газы. Длительная работа при повышенном напряжении будет вызывать нагрев, а скапливающиеся газы разорвут корпус.

Если схема включения позволит электролитическому двухполюснику работать в цепи переменного тока, то стоит обратить внимание на рабочую частоту 50 Гц. При работе на высоких частотах уменьшают подаваемое на него напряжение.

Осторожно. ЭК большой ёмкости рассчитаны на длительное сохранение заряда на своих обкладках. У элементов с малым током утечки этот разряд долгое время будет равен номинальному значению. Поэтому для работы с конденсатором необходимо разрядить его принудительно.

Выводы элемента соединяются между собой при помощи резистора в 1 Мом (0,5 Вт). Если закоротить выводы отвёрткой, можно испортить элемент.

Рекомендации при проектировании оборудования

При установке ЭК в высоковольтных устройствах или умножителях напряжения элементы собирают в цепь последовательно. Параллельное включение резистора сопротивлением 0,2-1 Мом способствует выравниванию напряжения между конденсаторами.

Внимание! Использование диодов и резисторов, ограничивающих ток, даёт возможность применять ЭК в схемах с переменными токами. Обязательное условие – через каждый конденсатор ток движется лишь в одном направлении.

Примерная схема включения в цепь переменного тока

При запуске трёхфазного асинхронного двигателя, включенного в однофазную сеть, необходимо организовать в цепи сдвиг фазы для третьей обмотки. При этом используют пусковой конденсатор. Самодельное пусковое устройство двигателя мощностью 1,5-2 кВт включает в свою схему ЭК. Алюминиевый ёмкостной двухполюсник берётся из расчёта 150 мФ на 1 кВт мощности. Так, для того чтобы запустить двигатель на 2 кВт, нужно кратковременно подключить ЭК типа СЗ К-50 300 мФ*300 В.

Для запуска используют пусковую кнопку ПНВС -10(220В 6,3А), имеющую плавающий контакт.

Осторожно. После запуска двигателя и отпускания кнопки конденсатор отключается от цепи. Длительный контакт приведёт к перегреву и взрыву ЭК.

Схема для запуска двигателя, где Сп – электролит

При установке больших электролитов с креплением гайкой необходимо избегать установки к верху выводами. Горизонтальное расположение требует расположения плюсового вывода над минусовым.

Если ЭК алюминиевые крепятся на плату, то под клапаном должно быть проделано отверстие, через которое газы будут отводиться от поверхности платы.

Советы перед сборкой оборудования

Конденсатор не должен иметь внешних повреждений: трещин, вздутия корпуса и потёков электролита. Полярность выводов должна быть определена правильно. Ориентироваться необходимо на маркировку полярности, наносимую на корпус непосредственно возле выводов. Знак полярности может быть отмечен на вертикальной полосе, по цвету отличной от расцветки корпуса.

Разогрев выводов при пайке должен быть кратковременным, во избежание перегрева детали.

Если на плате есть обозначенные места для установки элемента, то заштрихованная половинка окружности – место для пайки плюсового вывода.

Полярность, обозначенная на плате

Условия хранения электролитических конденсаторов

Срок службы ёмкостных элементов зависит от условий их хранения. На работоспособность ЭК влияют такие факторы, как:

• влажность;
• температура;
• химически активные среды.

Так как в составе элементов находятся вещества, которые вступают друг с другом в реакцию в процессе работы, то повышение Т0С даже на 10-150С ускоряет процессы и сокращает срок службы элементов. Испарение электролитического наполнителя уменьшает С и увеличивает tgδ (тангенс угла потерь).

Воздействие на окружающую среду

Влиять на природное окружение исправный элемент не может. В случае перегрева и неполной герметичности корпуса выделяемые электролитом газы могут выбрасывать в окружающую среду вредные для здоровья человека вещества. Количество элементов в бытовой технике слишком мало, чтобы приносить вред атмосфере.

Утилизация электролитических конденсаторов

Вывод из эксплуатации пришедших в негодность двухполюсников, подразумевает их утилизацию. Демонтированные и упакованные элементы организованно сдаются для дальнейшей утилизации. Она происходит с помощью биологических, термических или химических технологий.

Результаты испытаний электролитических конденсаторов на срок службы

Испытаниям подвергаются двухполюсники одной партии и одного типа. Они располагаются в термостате, в котором поддерживается рабочая температура. Через элементы пропускается ток, значение напряжения которого равно Uном. Подключение выполняется в правильной полярности. Отдельно детали испытываются прохождением переменного тока заданной частоты и амплитуды. В процессе испытания периодически контролируются все основные и паразитные параметры.

Важно! В случае обрыва, пробоя или резкого изменения характеристик элемент с испытаний снимают.

По результатам делается расчёт долговечности и количества часов без случаев отказов. Отличным результатом является 1 отказ в час на партию в 1 миллиард деталей.

Меры предосторожности при использовании ЭК

При работе с конденсаторами нельзя дотрагиваться до горячих корпусов. При вздутии корпуса элемента необходимо обесточить цепь, дождаться, пока он остынет, и демонтировать. Перед демонтажем двухполюсники большой ёмкости необходимо разрядить.

Электролитические конденсаторы любых типов требуют внимательного подхода. Соблюдение правил установки и эксплуатации продляет срок их службы и сохраняет величину основного параметра – ёмкость. При отсутствии необходимых номиналов параллельное и последовательное включение элементов позволяет добиваться необходимых рабочих характеристик. Параллельное соединение увеличивает ёмкость, последовательное – допустимое напряжение.

Видео

Вопросы надежности и срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов.
Часть 1

Алюминиевые электролитические конденсаторы (с жидким электролитом) получили очень широкое распространение в разнообразной радиоэлектронной и электротехнической аппаратуре. Большую удельную электрическую емкость, высокие удельный заряд, удельную мощность и удельную энергию при достаточно широком рабочем диапазоне температур, весьма широком диапазоне возможных значений номинальных напряжений и приемлемых паразитных параметрах они удачно сочетают с доступной стоимостью. Алюминиевые электролитические конденсаторы считаются оптимальным накопителем энергии (емкостным фильтром) с низким полным сопротивлением для работы в диапазоне частот от нескольких десятков герц до нескольких килогерц или, соответственно, при длительности процессов от десятков микросекунд до единиц миллисекунд.

Необходимость применения алюминиевых электролитических конденсаторов только при определенной полярности напряжения на них обычно не создает особых проблем. По техническим характеристикам их могли бы потеснить танталовые и ниобиевые электролитические конденсаторы, а также полимерные алюминиевые электролитические конденсаторы, однако все эти варианты настолько дороже, что их применение остается нишевым.

При всех привлекательных качествах стандартных алюминиевых электролитических конденсаторов ситуацию омрачают сравнительно частые отказы, к тому же нередко имеющие весьма неприятные последствия: порча соседних компонентов, дорожек и маски печатной платы химически агрессивными компонентами электролита, короткое замыкание силовых цепей и выводов компонентов [1]. По некоторым данным, на долю алюминиевых электролитических конденсаторов приходится до 70% всех повреждений компьютеров и компьютеризированных систем [1]. Как следствие, нередко встречается подход, подразумевающий «презумпцию виновности» алюминиевых электролитических конденсаторов. То есть при любых неисправностях оборудования первоначально пытаются искать дефектные конденсаторы или даже прибегают к сплошной замене всех установленных алюминиевых электролитических конденсаторов на новые, и только если указанные меры не дали результата, проверяют другие возможные причины отказа. Поэтому весьма востребованы алюминиевые электролитические конденсаторы с увеличенным сроком службы и расширенным диапазоном рабочих температур. Ведущие производители таких конденсаторов проводят масштабные исследования, совершенствуют конструктивные решения, используемые материалы и технологии для улучшения характеристик надежности и срока службы. Рассмотрению вопросов корректного применения алюминиевых электролитических конденсаторов, а также получению адекватных оценок их ресурса в зависимости от режима работы, посвящено значительное количество публикаций в различных технических журналах (например, [2]) и в фирменных руководствах компаний — изготовителей конденсаторов.

Однако почти все эти технические материалы предусматривают использование алюминиевых электролитических конденсаторов при строгом соблюдении правильной полярности подаваемого напряжения и непревышении номинального уровня напряжения. Даже если для некоторых типов алюминиевых электролитических конденсаторов изготовитель допускает кратковременное превышение номинального напряжения (на 8–30% для высоковольтных и низковольтных конденсаторов соответственно), отсутствует информация о том, как такие режимы могут повлиять на надежность и срок службы. Перенапряжения выше установленного уровня категорически не допускаются. Также в документации обычно присутствует жесткий запрет на подачу напряжения обратной полярности, независимо от его величины.

Для многих областей применения алюминиевых электролитических конденсаторов, в которых возможный диапазон изменения напряжения находится «под контролем» разработчика аппаратуры и не выходит за пределы 0…+U_НОМ, стандартная информация о надежности и сроке службы полностью применима и достаточна. Но существует целый ряд важных задач, где использование алюминиевых электролитических конденсаторов перспективно по техническим и/или экономическим соображениям, но при этом проблематично или даже невозможно исключить воздействие на них больших кратковременных перенапряжений или появление напряжения обратной полярности. В первую очередь это касается высоковольтных конденсаторов большой емкости в установках с питанием от промышленной сети, являющейся источником атмосферных и коммутационных перенапряжений с большой энергией и неопределенными параметрами. Значительная стоимость таких конденсаторов стимулирует снижение запасов по напряжению.

Другой пример — использование конденсаторов в формирователях мощных импульсов с полным разрядом накопителя. Вот почему очень актуальна статья [3] сотрудников компании Evox Rifa — одного из ведущих мировых производителей высококачественных алюминиевых электролитических конденсаторов. В ней представлены обширные экспериментальные материалы поведения алюминиевых электролитических конденсаторов при воздействии на них аномальных напряжений, а также интерпретация результатов испытаний с акцентом на особенности конструкции, технологии изготовления и протекающие физико-химические процессы. Кроме того, сотрудники Evox Rifa высказывают ряд важных соображений для разработчиков преобразовательной техники, что помогает сделать правильный выбор и применить необходимые высоковольтные алюминиевые электролитические конденсаторы. Далее вниманию читателей предлагается перевод статьи [3].

Введение

Наиболее важной характеристикой конденсатора, определяющей возможность его использования в качестве компонента электрической схемы, является величина допустимого напряжения. Однако эту способность — выдерживать приложенное напряжение — невозможно нормировать единственным значением даже у одного и того же алюминиевого электролитического конденсатора. Она зависит от ряда дополнительных факторов, в том числе от продолжительности воздействий тех или иных уровней напряжений, возникающих в реальном применении. Кроме того, существенное влияние оказывают предыстория нагрузки конденсатора, его температурный режим, количество и частота повторения импульсов перенапряжений. Поэтому нормирование допустимых величин напряжения на алюминиевом электролитическом конденсаторе следует производить с учетом этих условий.

Дополнительное влияние на проблему выбора допустимого напряжения на конденсаторе оказывают экономические соображения. Стремление к снижению стоимости оборудования подталкивает к минимизации запасов безопасной работы компонентов. В то же время возможный значительный ущерб, возникающий в случае отказов конденсаторов, требует безусловного обеспечения высокого уровня надежности аппаратуры. Необходимым условием успешного разрешения этой коллизии становится наличие подробной и достоверной информации о поведении алюминиевых электролитических конденсаторов при различных вариантах воздействия перенапряжений. Предлагаемая статья призвана осветить поведение алюминиевых электролитических конденсаторов «на пределе их возможностей», при подаче на них напряжений смещения различных уровней: около номинальной величины и превышающих ее. Дополнительно описаны экспериментальные методы и контрольные измерения, которые используются в Evox Rifa при разработке алюминиевых электролитических конденсаторов. Они предназначены для моделирования различных условий воздействия аномальных напряжений, возникающих в реальных устройствах силовой электроники.

Высоковольтные электролитические алюминиевые конденсаторы большого размера в корпусах с выводами «под винт» широко применяются в качестве емкостного накопителя на шине постоянного тока в частотных преобразователях электроприводов, системах бесперебойного электропитания и инверторах. Для подобных устройств критерий системной надежности имеет наивысший приоритет. По этой причине уделяется особое внимание надежности высоковольтных алюминиевых электролитических конденсаторов, чтобы гарантировать большой срок службы оборудования в вышеуказанных областях применения. Причем наиболее важными параметрами конденсаторов, определяющими возможность их применения для конкретных задач, являются характеристики, нормирующие их способность выдерживать приложенное напряжение, в том числе с уровнями выше номинальной величины. С учетом различных условий воздействия напряжения, в первую очередь его продолжительности, используют следующие характеристики:

• номинальное, или рабочее напряжение;
• повторяющееся кратковременное перенапряжение (surge voltage);
• неповторяющееся переходное перенапряжение (transient voltage) и ряд других.

Следует иметь в виду, что превышение допустимого напряжения (даже на несколько миллисекунд) способно привести к немедленному повреждению высоковольтного алюминиевого электролитического конденсатора или же необратимому ухудшению его характеристик.

Основная проблема для инженеров, проектирующих преобразовательную технику и выбирающих оптимальные параметры конденсаторов, используемых в качестве емкостного фильтра на промежуточной шине постоянного тока, состоит в том, что зачастую нельзя указать точную границу для максимального напряжения, которая никогда не будет превышена при реальном применении оборудования. Особенно это касается параметров возможных кратковременных перенапряжений. Дополнительные трудности появляются при использовании батареи высоковольтных алюминиевых электролитических конденсаторов, включенных между собой последовательно и параллельно, где на напряжение на том или ином конденсаторе влияют величины емкостей других конденсаторов, которые могут значительно отличаться от экземпляра к экземпляру, а также изменяются с течением времени.

Стандартное решение этой проблемы заключается в обеспечении при проектировании преобразовательного устройства существенного запаса между допустимым напряжением применяемых алюминиевых электролитических конденсаторов и ожидаемым максимальным напряжением, которое может возникнуть на конденсаторе в данном применении при наихудшем сочетании всех параметров. Однако требования оптимизации экономических характеристик преобразовательного оборудования подталкивают разработчиков электроприводов к максимально возможному уменьшению запасов по напряжению высоковольтных алюминиевых электролитических конденсаторов. Для того чтобы это не приводило к чрезмерному риску, инженеры должны располагать как характеристиками условий конкретного применения конденсатора в оборудовании, так и параметрами его реальной стойкости к прикладываемому напряжению (в продолжительном режиме, приемлемые повторяющиеся и неповторяющиеся перенапряжения).

Стремясь помочь инженерам, проектирующим силовое преобразовательное оборудование, в вопросе выбора оптимальных высоковольтных алюминиевых электролитических конденсаторов, сотрудники Evox Rifa подробно изучили и нормировали соответствующие характеристики этих компонентов. Цель настоящей статьи — дать понимание поведения алюминиевых электролитических конденсаторов, работающих «на пределе возможного», при приложении к ним различных уровней напряжения смещения, близких к номинальной величине и превышающих ее. Также в статье представлены некоторые экспериментальные подходы и методы испытаний, применяемые в Evox Rifa для исследования способности высоковольтных алюминиевых электролитических конденсаторов выдерживать приложенное к ним напряжение с учетом различных дополнительных условий.

Конструкция алюминиевого электролитического конденсатора

В общем случае алюминиевый электролитический конденсатор с жидким электролитом состоит из свернутых в цилиндр двух лент фольги, разделенных между собой бумажными прокладками, смоченными жидким электролитом на основе различных органических растворителей (рис. 1). Для увеличения площади эффективной поверхности анодная и катодная фольга выполнена из протравленного алюминия. Анодная фольга электрохимически оксидирована (сформована) до напряжения на 30–40% выше номинального напряжения конденсатора, образуя на поверхности тонкую пленку диэлектрика — оксида алюминия. Катодная фольга, напротив, оксидирована всего до нескольких вольт, независимо от величины номинального напряжения алюминиевого электролитического конденсатора. Ленты анодной и катодной фольги соединены с алюминиевыми токоотводами, которые выходят из зоны обмоток и присоединяются к внешним выводам конденсатора. Токоотводы не подвергаются травлению, но тоже покрыты пленкой оксида, полученной электрохимическим оксидированием. Внешние выводы алюминиевого электролитического конденсатора залиты в пластмассовую покрышку. Пропитанная электролитом обмотка (конденсаторный элемент) размещается в алюминиевом стакане — корпусе конденсатора — и уплотняется. В покрышке имеется небольшое отверстие с резиновым уплотнением, служащее предохранительным клапаном при чрезмерном повышении внутреннего давления конденсатора.

Рис. 1. Конструкция типичного алюминиевого электролитического конденсатора с резьбовыми выводами, изготавливаемого Evox Rifa

Приложение напряжения обратной полярности

Алюминиевые электролитические конденсаторы обычно производятся на определенную, фиксированную полярность прикладываемого к ним напряжения и не могут нормально работать при обратной полярности. Подача напряжения в обратной полярности означает, что в качестве диэлектрика должна работать пленка оксида на катодной фольге взамен пленки на анодной фольге. Учитывая, что пленка оксида на катодной фольге значительно тоньше, в режиме обратной полярности напряжения она способна функционировать как диэлектрик только до нескольких вольт (1–3 В). При обратных напряжениях с величинами больше указанных начинается электрохимическая реакция оксидирования катодной фольги. Протекание такой реакции означает, что:

• весь доступный схемный ток протекает через этот конденсатор (он теряет блокирующую способность);
• в зависимости от величины протекающего тока в течение достаточно короткого времени генерируется аномально большое количество тепла;
• на оригинальной анодной фольге выделяется водород.

В зависимости от величины тока и продолжительности времени подачи на алюминиевый электролитический конденсатор напряжения обратной полярности может сработать предохранительный клапан, а в особо тяжелых случаях чрезмерное тепловыделение способно вызвать возгорание конденсатора. Однако напряжение обратной полярности в пределах 1–3 В адекватно блокирующим способностям оксидного слоя на катодной фольге. Соответственно, оно, как правило, не вызывает каких-либо проблем. График в правой части рис. 2 показывает, что обратный ток, протекающий через алюминиевый электролитический конденсатор, не изменяется сколько-нибудь существенно, пока величина обратного напряжения не превысит 3 В.

Рис. 2. Функционирование алюминиевого электролитического конденсатора при подаче напряжения обратной полярности

Перенапряжение. Часть 1: длительное воздействие перенапряжения

При увеличении напряжения, прикладываемого к алюминиевому электролитическому конденсатору, его внутренние части подвергаются воздействию все возрастающей напряженности электрического поля. Если напряженность поля достаточно велика, может происходить перенос электрического заряда через слой диэлектрика. Этот единичный разряд способен усиливаться подобно лавине, вызывая так называемый частичный разряд конденсатора. Указанное явление известно как «искрение» из-за его характерного звукового проявления. Если эти частичные разряды — при уровне напряжения, типичном для условий данного применения алюминиевого электролитического конденсатора, — следуют слишком часто или имеют достаточно большую величину, то приводят к полному пробою диэлектрика и катастрофическому отказу компонента. Термин «катастрофический отказ» относится к такому состоянию конденсатора, когда можно видеть физические признаки повреждения его внутренних частей.

Определение процедуры испытаний

Вследствие деликатной природы частичных разрядов в начальной области их проявления был сконструирован уникальный детектор для выявления и изучения этого феномена. Он захватывает «тонкие» просадки напряжения на конденсаторе микровольтного уровня (при искрении ниже звукового порога обнаружения) с временным разрешением, соответствующим одиночным или незначительно усиленным лавиной частичным разрядам. Он также захватывает малые колебания напряжения на конденсаторе с разрешением по времени порядка наносекунд, которые характеризуют происходящие лавинные пробои. Схематично это показано на рис. 3.

Рис. 3. Принцип работы детектора «искрения»

Разряды могут возникать на выводах алюминиевого электролитического конденсатора, токоотводах, анодной и катодной фольге и его алюминиевом корпусе при условии, что все они смочены электролитом. Вследствие ряда теоретических предпосылок и практических соображений было решено выбрать токоотводы для детального изучения проявления частичных разрядов в алюминиевых электролитических конденсаторах. Токоотводы были помещены в термостатированный сосуд с электролитом и поляризованы (отформованы) при постоянной плотности тока 333 мкА/см 2 .

Результаты испытаний

На рис. 4 показана типичная зависимость частоты возникновения частичных разрядов (количество импульсов в минуту) от приложенного напряжения для определенной конструкции алюминиевого электролитического конденсатора Evox Rifa. Измерения проводятся параллельно для двух одинаковых образцов конденсаторов. Они показывают, что количество разрядов, или «искр», в единицу времени увеличивается экспоненциально после превышения порога напряжения.

Рис. 4. Типичные характеристики частоты разрядов от прикладываемого напряжения (вблизи номинальной величины и выше ее) для вновь изготовленных электролитических конденсаторов, спроектированных на 450 В

Верхняя граница области безопасной работы, или так называемое напряжение начала искрения, была установлена на уровне, соответствующем возникновению десяти разрядов в минуту. Это определение дает несколько меньшую величину граничного напряжения, чем общепринятый и широко используемый критерий появления заметного акустического сигнала «искрения», который соответствует частоте разрядов порядка 20–30 импульсов в минуту.

Вышеописанные измерения были расширены для более подробного изучения следующих вопросов:

• Каким образом (позитивно или негативно) влияют на область безопасной работы конструктивные параметры алюминиевого электролитического конденсатора и условия его применения?
• Как обстоят дела с этим феноменом у высоковольтных алюминиевых электролитических конденсаторов других производителей?
• Результаты сравнительных испытаний представлены в таблице.

Производитель

Европейский

Азиатский

Evox Rifa

Европейский
№ 1

Европейский
№ 2

Evox Rifa

Номинальное
напряжение, В

Несколько фактов об электролитических конденсаторах

Электролитические конденсаторы имеют особенность – большая потеря тока. Также они характеризуются маленькой граничной частотой и заторможенными процессами при поляризации. Другими словами, это называется диэлектрической абсорбцией. У них довольно-таки посредственные характеристики по сопротивлению и недостаточные импульсные параметры. В обычной работе они могут иметь недостаточную надежность и быть недолговечными.

Диэлектрик, который состоит из окислов электролита, проходит ионный ток. Эти частицы движутся гораздо медленнее чем электроны. Пробег при этом в десятки тысяч раз больше толщины. В процессе прохождения выделяется в большом количестве тепловая энергия. Это приводит к перегреву сепаратора, что сказывается на сроке его службы.

В статье подробны подробным образом рассмотрены все тонкости электролитических конденсаторов и их работа. В качестве бонуса в статье присутствует видеоролик и скачиваемый файл по этой тематике.

История происхождения электролитических конденсаторов

Эффект электрохимического оксидирования ряда металлов открыт французским учёным Еugènе Аdriеn Duсrеtеt в 1875 году на примере тантала, ниобия, цинка, марганца, титана, кадмия, сурьмы, висмута, алюминия и прочих материалов. Суть открытия: при включении в качестве анода (положительный полюс источника питания) на поверхности нарастал слой оксида, обладающий вентильными свойствами. Фактически образуется подобие диода Шоттки, в избранных работах оксиду алюминия приписывается проводимость n-типа.

Получается, место контакта обладает выпрямляющими свойствами. Теперь легко предположить дальнейшее, если вспомнить о качествах барьера Шоттки. Это низкое падение напряжения при включении в прямом направлении. Применительно к конденсаторам низкое – означает впечатляющую величину. Что касается обратного включения электролитических конденсаторов, люди наслышаны про опасность подобных экспериментов. Барьер Шоттки развивает повышенные токи утечки, за счёт которых слой оксида начинает немедленно деградировать. Немалая роль отведена туннельному пробою. Протекающая химическая реакция сопровождается выделением газов, обеспечивающих негативный эффект. Теоретики говорят, что указанное явление ведёт к выделению тепла.

Годом изобретения электролитического конденсатора называют 1896, когда 14 января Карол Поллак подал заявку в патентное бюро Франкфурта. Итак, на аноде электролитического конденсатора наращивается слой оксида под действием положительного потенциала. Процесс называется формовкой, в условиях современного развития техники длится часами и сутками. По указанной причине в процессе работы рост или деградация оксидного слоя незаметны. Электролитические конденсаторы применяются в электрических цепях с частотой до 30 кГц, что означает время смены направления тока в десятки мкс. За этот промежуток ничего не произойдёт с оксидной плёнкой.

Вначале в российской практике промышленный выпуск электролитических конденсаторов не считался экономически выгодным. В научных журналах даже рассматривалось, как наладить производство. К подобным заметкам относится статья Миткевича (Журнал Русского физико-химического общества, физика №34 за 1902 год). Рассматриваемый электролитический конденсатор состоял из плоского алюминиевого анода и двух железных катодов, расположенных по бокам. Конструкция помещалась в 6-8% раствор пищевой соды. Формовка велась постоянным напряжением (см. ниже по тексту) 100 В до остаточного тока 100 мА.

[stextbox серьёзные наработки отечественной принадлежности по конденсаторам с жидким электролитом относятся к 1931 году и созданы лабораторией П. А. Остроумова.[/stextbox]

Способность вентильных металлов с оксидной плёнкой выпрямлять ток неодинакова. Наиболее ярко качества выражены у тантала. Возможно, по причине пентаоксида тантала, характеризующегося проводимостью р-типа. В результате смена полярности приводит к образованию диода Шоттки, включённого в прямом направлении. Благодаря специфическому подбору электролита деградирующий рабочий слой диэлектрика удаётся восстанавливать прямо в процессе работы. На этом исторический экскурс завершён.

Производство электролитических конденсаторов

Металлы, оксиды которых характеризуются выпрямляющими свойствами, называли вентильными по аналогии с полупроводниковыми диодами. Несложно догадаться, что окисление приводит к образованию материала с проводимостью n-типа. Это считается основным условием существования вентильного металла. Из перечисленных выше ярко выраженными позитивными свойствами обладают лишь два:

1. Алюминий.
2. Тантал.

Алюминиевые конденсаторы применяется намного чаще, благодаря относительной дешевизне и распространённости в Земной коре. Тантал используют в крайних случаях. Наращивание оксидной плёнки происходит двумя путями:

• Первой методикой становится поддержание постоянного тока. В процессе роста толщины окисла сопротивление растёт. Следовательно, в цепь последовательно с конденсатором на время формовки включается реостат. Процесс контролируется по падению напряжения на переходе Шоттки, при необходимости шунт подстраивается так, чтобы параметры оставались постоянными. Скорость формовки на начальном этапе постоянна, потом происходит точка перегиба со снижением параметра, через определённый интервал дальнейший рост оксидной плёнки идёт столь медленно, что технологический цикл считается завершённым. При первом перегибе анод часто начинает искрить. Соответственно, и присутствующее напряжение называется аналогично. На второй точке искрение резко усиливается, дальнейший процесс формовки нецелесообразен. А второй перегиб называют максимальным напряжением.
• Вторая методика формовки оксидного слоя сводится к поддержанию на аноде постоянного напряжения. В этом случае ток убывает по экспоненте. Напряжение выбирают ниже напряжения искрения. Процесс идёт до остаточного прямого тока, ниже которого уровень уже не опускается. Потом формовка оканчивается.

Будет интересно➡ Что такое полярность конденсатора и как ее определить?

Большую роль в процессе формовки играет правильный подбор электролита. В промышленности это сводится к изучению взаимодействия агрессивных сред с алюминием:

1. Представители первой группы электролитов, сюда относится борная, лимонная кислота и бура, почти не растворяют алюминий и оксид. Массово используются при производстве электролитических конденсаторов. Длительная формовка приводит к падению напряжения до 1500 В, определяющего толщину слоя диэлектрика.
2. Хромовая, серная, янтарная и щавелевая кислоты хорошо растворяют оксид алюминия, но не затрагивают металл. Отличительной особенностью формовки становится сравнительно толстый слой диэлектрика. Причём при дальнейшем наращивании не происходит значительного снижения тока или повышения напряжения. Такой процесс применяется для формирования электрических конденсаторов с относительно низкими рабочими характеристиками (до 60 В). К окиси алюминия в пористых структурах примешиваются гидраты и соли используемой кислоты. Указанные процессы способны использоваться в защитных целях. Тогда формовка идёт по предыдущей схеме (первая группа), а довершается по описанной. Защитный слой гидроксидов предохраняет окисел от разрушения в процессе эксплуатации.
3. Третья группа электролитов включает преимущественно соляную кислоту. Эти вещества в процессе формовки не применяются, хорошо растворяют алюминий и его соли. Зато охотно используются для очистки поверхностей.

Для тантала и ниобия все электролиты подпадают под классификацию первой группы. Величина ёмкости конденсатора определяется преимущественно напряжением, при котором окончена формовка. Аналогичным образом используют многоатомные спирты, глицерин и этиленгликоль, соли.

Не все процессы идут по схеме, описанной выше. К примеру, при формовке алюминия в растворе серной кислоты по методу постоянного тока на графике выделяют участки:

1. Несколько секунд наблюдается быстрый рост напряжения.
2. Потом с прежней скоростью наблюдается спад до уровня порядка 70% от достигнутого пика.
3. За третью стадию нарастает толстый пористый слой оксида, напряжение растёт крайне медленно.
4. На четвёртом участке напряжение резко растёт до наступления искрового пробоя. Формовка заканчивается.

Немало зависит от технологии. На толщину слоя, а следовательно, рабочее напряжение и долговечность конденсатора, влияют концентрация электролита, температура, прочие параметры.

Тест электролитических конденсаторов

Конденсаторы построены в порядке убывания качества звука. Все протестированные электролитические конденсаторы здорово уступают среднему по стоимости и качеству звука плёночному конденсатору Sоlеn.

• Blаск Gаtе n – самый сбалансированный по звуку конденсатор среди всех тестируемых. Давно снят с производства – есть современные анти звуковые подделки.
• Еvох Rifа – звук напоминает бумажный конденсатор – глубокие низкие частоты и красивая середина, немного не хватает верхних частот – это легко выправляется шунтированием “быстрой плёночной” ёмкостью 0.15- 0.01мкф. Выпускается в ограниченном количестве и применяется в военной – бортовой / силовой электронике, в авто / судо / космос / самолётостроении. Конденсатор низкоимпедансный, высокотемпературный – 150гр/ц и обладает повышенной надёжностью.
• Blаск Wаtеr FК – правильно сбалансирован по всему частотному диапазону, но проиграл “ЕVОХ RIFА РЕG 124” по качеству воспроизведения низких и средних частот. Давно снят с производства – есть современные анти звуковые подделки.
• Sаnyо Оsсоn – самый непонятный электролитический конденсатор, в разных схемах разный звуковой подчерк. По сравнению с другими звук трудно объяснимый – можно сказать “сладкий”. В начале подкупает, а потом чувствуешь искусственность, ненатуральность. Лучшее применение – шунтирование катодного резистора. В полупроводниковой схеме хорошо показал себя в обратной связи.
• Еlnа Саrifunе – провал на средних частотах, излишний акцент на высоких. Применяется в современных дорогостоящих High Еnd Аudiо изделиях. Выдаёт звук на уровне “РАNАSОNIС FМ” и здорово уступает всем другим протестированным конденсаторам.

Надпись “Аudiо” на современных электролитических конденсаторах констатирует – это обыкновенный, серийный, низкоимпедансный, электролитический конденсатор повышенной стоимости (только за надпись “Аudiо”).

Всем пользователям хорошо знакомы с “глюки” мониторов, компьютеров, телеприёмников и.т.д. – это наглядная и негативная работа электролитических конденсаторов (любых производителей). Самые нелепые неполадки радиоаппаратуры происходящие в электронной природе провоцируют исключительно электролиты. Если схема тупо “глючит” – меняйте “кондёры” и проблема будет решена на 100%. Малейшее вздутие верхней части корпуса говорит – конденсатор пробит и никаким заряд/разрядом его не восстановить.

Будет интересно➡ Конденсатор — простыми словами о сложном

Конструкция электролитического конденсатора

Обкладки обычно не плоские. Для электролитических конденсаторов чаще свёрнуты в трубочку, спиралью. На срезе напоминает катушку Тесла с вытекающими отсюда последствиями. Это значит, что конденсатор обладает значительным индуктивным сопротивлением, которое в данном контексте считается паразитным. Между обкладками помещается пропитанная электролитом бумага или ткань. Корпус изготавливается из алюминия – металл легко покрывается защитным слоем, не затрагивается электролитом и хорошо отводит тепло (помните про активную составляющую сопротивления анода).

Это конденсаторы с сухим электролитом. Их ключевое преимущество в достойном использовании объёма. Лишний электролит отсутствует, что снижает вес и габариты при прежней электрической ёмкости. Несмотря на характерное название электролит здесь не сухой, скорее, вязкий. Им пропитываются прокладки из ткани или бумаги, расположенные между обкладками. В силу вязкость электролита корпус допускается пластмассовый либо бумажный, для герметизации используется уплотнение из смолы. В результате упрощается технологический цикл изготовления продукции. Исторически разновидности с сухим электролитом появились позже. В отечественной практике первые упоминания приходятся на 1934 год.

На торце зарубежных электролитических конденсаторов нанесены крестом насечки, через которые внутренний объем выдавливается наружу. Это на случай аварии. Подобный испорченный конденсатор легко заметить невооружённым глазом и вовремя заменить, что ускоряет починку. Избежать аварии и неправильной полярности включения помогает маркировка корпуса. У катода на импортных проведена по всей высоте белая полоса с расставленными минусами, а у отечественных с противоположной – крестики (плюсы).

Для увеличения излучательной способности цвет корпуса выполняется темным. Исключения из правила редки. Подобная мера увеличивает теплоотдачу в окружающую среду. При превышении напряжения на рабочим (формовочным) происходит резкое увеличение тока за счёт ионизации, развивается сильное искрение на аноде, частично пробивается слой диэлектрика. Последствия таких явлений легко устраняются в конструкции и с корпусом, используемым в качестве катода: конденсаторы с жидким электролитом занимают сравнительно много места, но хорошо отводят тепло. Зато отлично проявляются при работе на низких частотах. Что обусловливает специфику применения в качестве фильтров блоков питания (50 Гц).

Эти цилиндрические электролитические конденсаторы устроены не так, как показано выше, без бумажных вкладок. В отдельных моделях корпус играет роль катода, анод находится внутри, бывает произвольной формы так, чтобы обеспечивалась максимальная номинальная ёмкость. За счёт механической обработки и химического травления, призванных увеличить площадь поверхности электрода, параметры удаётся поднять на порядок. Конструкция типична для моделей с жидким электролитом. Ёмкость у рассматриваемой конструкции варьируется при выпуске промышленностью от 5 до 20 мкФ при рабочем напряжении 200 – 550 В. Из-за повышения сопротивления электролита с понижением температуры конденсаторы с жидким электролитом и корпусом в качестве катода применяются преимущественно в теплом микроклимате.

Электролитический конденсатор — наименее надежная радиодеталь, именно в нем чаще всего кроется причина неработоспособности электроприбора. Иногда неисправное состояние данного элемента определяется визуально, но чаще приходится применять специальные методы.

Особенности электролитических конденсаторов

B данном элементе роль одной из обкладок играет электролит. Последний бывает двух типов:

• жидкий: обычно растворенная в воде смесь этиленгликоля, борной кислоты и борнокислого аммония;
• твердый: вязкая смесь из различных компонентов.

Диэлектриком служит оксидная пленка на поверхности металлической обкладки, образующаяся под влиянием электролита. Hедостаток электролитических конденсаторов — полярность: металлическая обкладка выступает только анодом (подключается к плюсу), электролит — катодом (к минусу). При обратной полярности оксидная пленка разрушается и в конденсаторе возникает проводимость между обкладками, что провоцирует вскипание электролита с последующим взрывом корпуса. Эту особенность учитывают при проверке.

[stextbox составные электролитические конденсаторы, в которых встречно — последовательно соединены два простых неполярных элемента.[/stextbox]

Как проверить конденсатор

Иногда неисправность электролитического конденсатора выявляется без проверки — по вздутию или разрыву верхней крышки. Она намеренно ослаблена крестообразной просечкой и работает как предохранительный клапан, разрываясь при незначительном давлении. Без этого выделяющиеся из электролита газы разрывали бы корпус конденсатора с разбрызгиванием всего содержимого. Hо нарушения могут и не проявляться внешне. Bот какими они бывают: Из-за химических изменений снизилась емкость элемента. Hапример, конденсаторы с жидким электролитом высыхают, особенно при высокой температуре. Из-за этой особенности для них существуют ограничения по температуре эксплуатации (допустимый диапазон указан на корпусе). Произошел обрыв вывода.

Будет интересно➡ Что такое танталовый конденсатор

Появилась проводимость между обкладками (пробой). Собственно, она существует и в исправном состоянии — это так называемый ток утечки. Hо при пробое эта величина из мизерной превращается в значительную. Снизилось максимально допустимое напряжение (обратимый пробой). Для каждого конденсатора существует критическое напряжение, вызывающее замыкание между обкладками. Оно указывается на корпусе.

B случае снижения этого параметра элемент при проверке ведет себя, как исправный, потому что тестеры подают низкое напряжение, но в схеме — как пробитый. Самый примитивный способ проверки конденсатора — на искру. Элемент заряжают, затем замыкают выводы металлическим инструментом с изолированной ручкой.

Hа руки при этом желательно одеть резиновые перчатки. Исправный элемент разряжается с образованием искры и характерного треска, нерабочий — вяло и незаметно. У данного способа два недостатка:

• опасность электротравмы;
• неопределенность:

Даже при наличии искры невозможно понять, соответствует ли фактическая емкость радиодетали номинальной. Более информативна проверка с применением тестера. Лучше всего использовать специальный — LС-метр. Он предназначен для замера емкости, причем рассчитан на широкий диапазон. Hо многое о состоянии конденсатора расскажет и обычный мультиметр.

Приборы без функции измерения емкости

Tакие модели используют в режиме омметра. Порядок действий: черный щуп включают в гнездо «СОМ» (отрицательный потенциал), красный — в «V/Ω» (положительный потенциал); переключатель устанавливают в сектор «Ω» на позицию 2 МОм; соблюдая полярность, касаются щупами выводов. B режиме омметра мультиметр подает на щупы напряжение. Оно заряжает конденсатор и сопротивление последнего, постепенно нарастает от мизерного до величины свыше 2 МОм или бесконечности (обозначается единицей на дисплее). Рост сопротивления объективнее всего отражает аналоговый (стрелочный) тестер. О неисправности свидетельствует такое поведение прибора, когда сопротивление: сразу стало бесконечным: оборван вывод; остановилось на отметке ниже 2 МОм: конденсатор пробит.

По времени, за которое сопротивление возрастает от минимума до максимума, путем сравнения с заведомо исправными конденсаторами, можно приблизительно определить емкость исследуемого. Данный метод не подходит для проверки конденсаторов с малой емкостью — 20 мкФ и ниже. Они быстро заряжаются и даже у исправного элемента сопротивление практически сразу становится бесконечным. Для проверки на обратимый пробой конденсатор подключают к лабораторному источнику постоянного тока с регулятором напряжения, последовательно с ним — мультиметр в режиме амперметра. Напряжение плавно увеличивают до максимально допустимого. Если в течение этого процесса тестер отобразит отличную от нуля силу тока, значит имеет место обратимый пробой.

Как проверить электролитический конденсатор не выпаивая

Проверка конденсатора на плате из-за влияния других компонентов схемы, дает неточный результат. К примеру, при наличии полупроводниковых элементов мультиметр вместо сопротивления конденсатора покажет сопротивление р-n перехода. Сильно искажают показания обмотки трансформаторов и другие катушки индуктивности. Для измерений применяют специальные приборы, использующие низкие напряжения. Это исключает повреждение других элементов. Для обычного мультиметра изготавливают приставку — схемы опубликованы в интернете. Можно проверить радиодеталь следующим способом: параллельно ей впаивается заведомо исправный конденсатор с тем же номиналом. Если схема заработала, значит исследуемый элемент неработоспособен. Чтобы проверить конденсатор, необязательно располагать специально предназначенным для этого прибором LС-метром. Пригодится и мультиметр. Главное не путать «плюс» с «минусом», если конденсатор электролитический.

Более подробно можно узнать, прочитав статью электролитические конденсаторы.Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов.