конденсатор электролитический что это такое
Что такое электролитические конденсаторы
Электролитические конденсаторы — что это такое, где применяются
Существует довольно большое разнообразие конденсаторов, и, электролитические конденсаторы среди них обладают гораздо большей емкостью. Первый электролитический конденсатор был изобретён больше века назад.
Сегодня алюминиевые электролитические конденсаторы применяются практически повсеместно: в аудиоустройствах, кондиционерах и другой, бытовой технике.
Что такое электролитический конденсатор?
Электролитический конденсатор — это такой конденсатор, внутри которого имеется электролит, покрывающий катод. В свою очередь, электролит выступает в качестве диэлектрика, который служит разделительным слоем между катодом и анодом.
Основной параметр всех конденсаторов, это емкость. У электролитических конденсаторов она гораздо больше, благодаря тонкому слою электролита. Емкость электролитических конденсаторов на порядок выше, чем у пленочных, керамических и, любых других конденсаторов.
Поэтому данный вид конденсаторов используется для хранения большого количества энергии. Где это нужно? В первую очередь для фильтрации различных шумов в источниках питания. Кроме этого, электролитические конденсаторы широко применяются в звуковоспроизводящей технике. Здесь они используются для разделения пульсирующего тока.
Из чего состоит алюминиевый электролитический конденсатор
Внутри алюминиевого электролитического конденсатора находятся пластины из алюминия. Между каждой из них размещён диэлектрик в виде специальной бумаги. Если бумага не будет пропитана электролитом, то перед нами окажется обычный бумажный конденсатор малой емкости.
Именно электролит, которым пропитывается бумага для диэлектрика, делает электролитические конденсаторы большой емкости. Под воздействием электролита, алюминиевые пластины окисляются, а на их внутренней поверхности образуется оксид алюминия, который и является прекрасным диэлектриком.
Выше было описано неточное использование электролита в конденсаторах, но, тем не менее, и такое понятие имеет место быть.
Важное замечание! При подключении электролитических конденсаторов очень важно соблюдать полярность. То есть, плюс и минус. Если перепутать полярность электролитического конденсатора, то произойдёт необратимая реакция: электролит (диэлектрик) высохнет, конденсатор быстро нагреется, и его разорвёт вследствие замыкания внутренних пластин из алюминия.
Так, например, если электролитический конденсатор будет подключён к переменному напряжению, то электролит внутри него вскипит, а излишнее давление в результате этого разорвёт не весь конденсатор, а лишь специальный клапан с торцевой стороны.
Где применяются электролитические конденсаторы?
Как было сказано выше, электролитические конденсаторы применяются повсеместно. Их можно встретить практически в любой бытовой технике. Присутствует данный вид конденсаторов и в оргтехнике, принтерах, компьютерах, ноутбуках и, т. д.
Благодаря большой емкости, используются электролитические конденсаторы и в сварочных инверторах. В них они обеспечивают большие токи. Отдельно стоит упомянуть применение данных конденсаторах в рентгеновских установках, а также, в звукозаписывающей технике.
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.
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:
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.
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:
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
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:
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.
Электролитические конденсаторы: особенности применения
Функции электролитических конденсаторов
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:
Применение на постоянном напряжении с наложенной переменной составляющей (пульсирующее напряжение):
Для переменного напряжения:
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:
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
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;
Re – 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.);
Ce – 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:
Для ориентировочных оценок можно полагать, что Ce=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 Re 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, Re 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 Vf соответствует напряжению формирования оксидного слоя при изготовлении данного конденсатора. Приложение к конденсатору рабочего напряжения, равного или превышающего Vf, ведет к протеканию через него большого тока с выделением значительного количества тепла и газов, с быстрым разрушением алюминиевого электролитического конденсатора. Величина Vrпредставляет собой номинальное напряжение (максимально-допустимое постоянное напряжение, которое можно длительно подавать на конденсатор в оговоренных условиях работы). Напряжение Vs представляет собой промежуточную величину между Vr и Vf. 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.
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 Tx (определяет износ и, соответственно, ресурс, но не доступна для прямого измерения) и температуру корпуса конденсатора Tc (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 Tx можно выполнить по выражению
где Kc – коэффициент, зависящий от диаметра корпуса алюминиевого электролитического конденсатора, согласно таблице 2;
To — температура окружающей среды;
Tc — температура корпуса.
Табл.2. Зависимость коэффициента Кс 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 (Tx-To) в первом приближении пропорционален рассеиваемой им мощности
где Iэфф – 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 ΔTx=(Tx-Tо.с.)=Pрасс*(5ºC)/((ESR)0*(I0)²),
где Pрасс – рассеиваемая мощность в актуальном режиме;
Tо.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 Tо.с., равен
где ΔTo=5ºC — перегрев конденсатора в номинальном режиме;
Tx=(Tо.с+ΔTx) – 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 (Lr 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 Iэфф 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)Электролитические конденсаторы YAGEO (5.17 Мб)