Электролитический конденсатор

Параметры, которыми характеризуется конденсаторы

Вообще говоря, таких параметров много. У нас тут не нобелевская лекция, поэтому ограничимся только необходимым минимумом, который пригодится в практической деятельности. Номинальное рабочее напряжение. Конденсатор может использоваться в режимах, когда напряжение на нём не превышает рабочего. Использовать, например, электролитический конденсатор с рабочим напряжением 10 В в цепях +5 В или +3 В можно.

Чем больше рабочее напряжение электролитического конденсатора при равной ёмкости, тем больше его габариты. Рабочее напряжение на керамических и других конденсаторах может явно не указываться или не указываться вообще — особенно, если конденсатор имеет маленькие размеры. ESR (Equivalent Series Resistance) — эквивалентное последовательное сопротивление. Выводы конденсатора и их контакты с обкладками имеет не нулевое, хотя и очень небольшое сопротивление. Это сопротивление активное, поэтому, в соответствии с законами Ома и Джоуля-Ленца, при протекании тока на этом сопротивление будет рассеиваться тепло.

Маркировка конденсаторов.

Это приведет к нагреву конденсатора. Поэтому на электролитических конденсаторах обычно указывает максимальную рабочую температуру. В компьютерных блоках питания и материнских платах используются специальные конденсаторы — с пониженным ESR. Величина ESR может для таких конденсаторов быть в пределах от сотых до десятых долей Ома. Что будет, если вместо конденсатора с пониженным ESR при ремонте блоков питания или материнских плат поставить обычный? Некоторое время он поработает. Но так как его ESR больше, то через цепь такого конденсатора будет протекать больший ток, который вызовет ускоренную деградацию конденсатора. Поэтому он быстро выйдет из строя.

Величиной ESR можно узнать по специальной маркировке (чаще всего 2 латинских буквы) на корпусе конденсатора. Соответствие этих букв реальным значениям ESR указывается в даташите.

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 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.

Как работает полимерный конденсатор

Чтобы проверить любой прибор, желательно понимать механизм его работы. Поскольку тема нашего материала — твердотельные конденсаторы (аналоги электролитических), значит речь пойдет о радиоэлементах для постоянного тока, то есть полярных. Все со школьной скамьи помнят эту иллюстрацию:

Две металлические пластины с диэлектриком между ними (для лаборатории подойдет даже воздух). Если на контакты подать потенциал, между пластинами накапливается разноименные заряды, и в пространстве между ними возникает электрическое поле. При отсутствии электрической цепи это поле может сохраняться достаточно долго (современные элементы обеспечивают утечку заряда, стремящуюся к нулю). Именно это свойство лежит в основе применения конденсаторов.

Элемент имеет определенные основные характеристики:

• Рабочее напряжение определяется величиной, при которой не наступает пробой диэлектрика. Конденсаторы выглядят совсем не так, как мы привыкли видеть на лабораторном столе в классе физики. Детали весьма компактны, соответственно расстояние между пластинами минимально. Отсюда ограничение по предельному напряжению.
• Емкость конденсатора — его главный параметр. Он определяет, сколько электрической энергии деталь может накопить и удерживать в себе. Величина напрямую зависит от площади пластин.

Второстепенные характеристики:

• Параметры утечки. Могут определяться током потери накопленного заряда, либо сопротивлением диэлектрика. Идеальные показатели возможны только в вакууме, но такие конденсаторы для бытового использования не выпускаются.
• Температурный коэффициент: определяется дельтой изменения емкости в зависимости от температуры.
• Точность — указывается в процентах. Показывает разброс параметров емкости от эталонной (маркировочной) величины.

Нежелательные паразитарные компоненты

Транзисторы, интегральные схемы и другие активные компоненты оказывают существенное влияние на качество аудиосигналов. Они используют питание от источников тока для изменения характеристик сигнала. В отличие от активных компонентов, идеальные пассивные не потребляют энергию и не должны изменять сигналы.

В электронных схемах резисторы, конденсаторы и индукторы фактически ведут себя, как активные компоненты и потребляют энергию. Из-за этих паразитных эффектов они могут значительно изменить звуковые сигналы, и для повышения качества требуется тщательный выбор компонентов. Постоянно растущий спрос на аудиооборудование с лучшим качеством звука заставляет производителей CAP выпускать устройства с лучшими характеристиками. В результате чего современные конденсаторы для использования в аудиоприложениях имеют лучшую производительность и более высокое качество звука.

Паразитные эффекты CAP в акустической цепи состоят из эквивалентного последовательного сопротивления (ESR), эквивалентной последовательной индуктивности (ESL), последовательных источников напряжения из-за эффекта Зеебека и диэлектрического поглощения (DA).

Типичное старение, изменения в рабочих условиях и специфические характеристики делают эти нежелательные паразитные компоненты более сложными. Каждый паразитарный компонент по-разному влияет на производительность электронной схемы. Начнем с того, что эффект сопротивления вызывает утечку постоянного тока. В усилителях и других схемах, содержащих активные компоненты, эта утечка может привести к значительному изменению напряжения смещения, которые могут влиять на различные параметры, включая коэффициент качества (Q).

Способность конденсатора обрабатывать пульсации и пропускать высокочастотные сигналы зависит от компонента ESR. Небольшое напряжение создается в точке, где два неоднородных металла связаны из-за явления, известного как эффект Зеебека. Небольшие батареи из-за этих паразитных термопар могут существенно повлиять на производительность схемы. Некоторые диэлектрические материалы являются пьезоэлектрическими, а шум, который они добавляют к конденсатору, проявляется из-за маленькой батареи внутри компонента. Кроме того, электролитические CAP имеют паразитные диоды, которые могут вызывать изменения в смещении или характеристиках сигнала.

Качество пассивных элементов

Конденсаторы, особенно когда они находятся на выходной сигнальной линии, сильно влияют на качество звука аудиосистемы.

Есть несколько факторов, которые определяют качество CAP, несомненно, очень важные для аудио:

1. Толерантность и фактическая емкость, необходимые для использования в фильтрах.
2. Зависимость емкости от частоты, так 1 микрофарад на 1 000 Гц не означает 1 микрофарад при 20 кГц.
3. Внутреннее сопротивление (ESR).
4. Ток утечки.
5. Старение — фактор, который со временем будет развиваться для любого продукта.

Лучший выбор приложений конденсатора зависит от применения в цепи и необходимой емкости:

Диапазон от 1 пФ до 1 нФ — схемы управления и обратной связи. Этот диапазон в основном используется для устранения высокочастотного шума на аудиоканале или для целей обратной связи, таких как мост усилителя Quad 606. Конденсатор СГМ в звуке является лучшим выбором в этом диапазоне. Он имеет очень хорошую толерантность (до 1 %) и очень низкие искажения и шум, но довольно дорогой. МКС или МКП — это хорошая альтернатива. На сигнальной линии следует избегать керамических CAP, поскольку они могут вызвать дополнительные нелинейные искажения до 1 %. От 1 нФ до 1 мкФ — сцепление, развязка и подавления колебаний. Они чаще всего используются в аудиосистемах, а также между этапами, когда существует разница в уровне постоянного тока, устранение вибраций и в схемах обратной связи. Как правило, пленочные конденсаторы будут использоваться в этом диапазоне до 4,7 микрофарад. Лучшим выбором конденсатора для звука и аудио является полистирол (МКС), полипропилен (МКП). Полиэтилен (МКТ) является альтернативой с более низкой ценой. 1 Ф и выше — источники питания, выходные конденсаторы, фильтры, изоляция. Преимущество очень высокая емкость (до 1 Farad). Но есть несколько недостатков. Электролитические CAP подлежат старению и сушке. Через 10 или более лет масло высыхает, а важные факторы, такие как СОЭ, меняются. Они поляризованы и должны быть заменены каждые 10 лет, иначе негативно повлияют на звук. При проектировании соединительного контура электролитов на сигнальной линии часто можно избежать проблем путем пересчета константы времени (RxC) для низкой емкости ниже 1 микрофарада. Это поможет определить, какие электролитические конденсаторы лучше для звука

Если это невозможно, важно, чтобы электролит имел менее 1 В постоянного тока и использовался CAP высокого качества (BHC Aerovox, Nichicon, Epcos, Panasonic)

Выбрав лучшее решение для каждой программы, разработчик может достичь наилучшего качества звука. Инвестирование в высококачественные CAP оказывает положительное влияние на качество звука, больше чем в любой другой компонент.

Основные параметры для КПЕ

Существует несколько основных параметров для такого рода конденсаторов.

Один из основных — это закон изменения емкости. Данный закон определяет характер изменения емкости. Изменение этого параметра будет происходить в зависимости от угла поворота или же от линейного перемещения подвижной части пластин конденсатора по отношению к их неподвижным частям.

Еще одно из свойств — это температурная стабильность. Данный показатель напрямую зависит от конструкции самого конденсатора. Чаще всего данный показатель является положительным, а для конденсаторов с воздухом в качестве диэлектрика показатель не превышает (200:300) 10-61/град. Если говорить о конденсаторах с твердым диэлектриком, то у них это значение превышает данный показатель.

Конструкция электролитического конденсатора

Электролитические конденсаторы устроены, как правило, следующим образом: слой электролита заключается между электродами с металлическим типом проводимости, один из которых покрыт тонким слоем диэлектрика (оксидной плёнкой). За счёт чрезвычайно малой толщины диэлектрика, ёмкость конденсатора достигает значительных величин. Однако, соприкосновение двух проводящих пластин, разделённых тонким диэлектриком не является идеальным, для устранения воздушного зазора, в пространство между пластинами вводят электролит.

По типу наполнения электролитом электролитические конденсаторы можно разделить на: жидкостные, сухие, оксидно-полупроводниковые и оксидно-металлические.

В жидкостных конденсаторах используют жидкий электролит, для увеличения ёмкости анод изготавливают объёмно-пористым, например, путём прессования порошка металла и спекания его при высокой температуре.
В сухих конденсаторах применяется вязкий электролит. В этом случае конденсатор, изготавливается из двух лент фольги (оксидированной и неоксидированной), между которыми размещается прокладка из бумаги или ткани, пропитанная электролитом.

В оксидно-полупроводниковых конденсаторах в качестве катода используется проводящий оксид (диоксид марганца).

В оксидно-металлических конденсаторах функции катода выполняет металлическая плёнка оксидного слоя.

Изготовляемые промышленностью алюминиевые электролитические конденсаторы состоят из двух тонких алюминиевых пластин фольги. Между пластинами помещается прокладка — пористая бумага, пропитанная электролитом. Фольга и прокладка сворачивается в рулон и помещается в корпус через который сделаны два электрических вывода. Под химическим действием электролита при приложении электрического напряжения поверхность алюминиевой фольги анода окисляется, — на поверхности фольги образуется тонкий слой диэлектрика — оксида алюминия.

При напряжении обратной полярности процесс регенерации диэлектрического слоя прекращается, он постепенно разрушается, приводя к повышенным значениям токов утечки, что может привести к повреждению электрической схемы, причем отказ конденсатора в сильноточных цепях сопровождается выделением тепла, выделением дыма и газов внутри конденсатора, что может привести к разрушению его корпуса. Поэтому электролитические конденсаторы предназначены для работы лишь в цепях с пульсирующим напряжением одной полярности, либо в цепях с постоянным током.

Характеристики моделей

В идеальном случае разработчик ожидает, что конденсатор будет точно соответствовать его проектному значению, в то время как большинство других параметров будут нулевыми или бесконечными. Основные измерения емкости здесь не так заметны, поскольку детали обычно соответствуют допускам. Все пленочные CAP имеют значительный температурный коэффициент. Поэтому, чтобы определить, какие пленочные конденсаторы лучше для звука, проводят тестирование лабораторными приборами.

Коэффициент диффузии полезен при оценке эффективности электролитического источника питания. Это влияние на звуковые характеристики сигнальных CAP не согласовано и может быть весьма незначительным. Число представляет внутренние потери и при желании может быть преобразовано в эффективное последовательное сопротивление (ESR).

ESR не является постоянной величиной, но имеет тенденцию быть настолько низким в высококачественных конденсаторах, что не оказывает большого влияния на производительность схемы. Если бы были построены резонансные схемы с высоким Q, то это была бы совершенно другая история. Однако низкий коэффициент рассеяния является отличительной чертой хороших диэлектриков, что может служить хорошей подсказкой в дальнейших исследованиях.

Диэлектрическое поглощение может быть более тревожным. Это было серьезной проблемой с ранними аналоговыми компьютерами. Высокого диэлектрическое поглощения можно избежать, так слюдяные конденсаторы для звука могут обеспечить сети RIAA очень хорошим звуком.

Измерения утечки постоянного тока не должны влиять на что-либо, так как сопротивление любого сигнального конденсатора должно быть очень высоким. При использовании материалов с более высокой диэлектрической проницаемостью требуется меньшая площадь поверхности, тогда утечка будет практически несущественной.

Для материалов с более низкой диэлектрической проницаемостью, таких как тефлон, несмотря на его основное высокое удельное сопротивление, может потребоваться большая площадь поверхности. Тогда утечка может быть вызвана малейшим загрязнением или примесями. Утечка постоянного тока, вероятно, является хорошим средством контроля качества, но она не связана с качеством звука.

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.

Измерительные приборы

Самым доступным методом замера ёмкости является широко распространённый мультиметр с такой возможностью.

В большинстве случаев, подобные устройства имеют верхний предел измерений в десятки микрофарад, что достаточно для стандартных применений. Погрешность показаний не превышает 1% и пропорциональна ёмкости. Для проверки достаточно вставить выводы конденсатора в предназначенные гнёзда и прочитать показания, весь процесс занимает минимум времени. Такая функция присутствует не у всех моделей мультиметров, но встречается часто с разными пределами измерений и способами подключения конденсатора. Для определения более подробных характеристик конденсатора (тангенса угла потерь и прочих), используются другие устройства, сконструированные для конкретной задачи, не редко являются стационарными приборами.

В схеме измерения, в основном, реализован мостовой метод. Применяются ограничено в специальных профессиональных областях и широкого распространения не имеют.

Общие сведения

Наибольшее распространение получили алюминиевые электролитические конденсаторы (англ.)русск., в которых одной обкладкой конденсатора применяется алюминиевая фольга. Также распространены танталовые (англ.)русск. и ниобиевые (англ.)русск. электролитические конденсаторы, в котором металлическим электродом была пористая металлическая губка тантала или ниобия, поверхность металла покрыта оксидными плёнками. Второй обкладкой электролитического конденсатора служит жидкий или твёрдый электролит — вещество или композиция веществ, обеспечивающих электропроводность и сохранение оксидной плёнки.

Электрохимические процессы получения и стабилизации оксидной плёнки диэлектрика требует определённой полярности напряжения на границе металл-электролит. Металлический электрод должен быть анодом (то есть обладать положительным потенциалом), а электролит — катодом (отрицательный потенциал). Несоблюдение полярности вызывает потерю диэлектрических свойств оксидной плёнки и возможное короткое замыкание между обкладками. Если источник этого отрицательного напряжения не ограничивает ток на безопасном низком уровне, то электролит нагреется протекающим током, закипит и давление образующихся газов разорвёт корпус конденсатора. Выпускаются и так называемые неполярные электролитические конденсаторы, в которых конструктивно размещено два встречно-последовательно включённых обычных полярных электролитических конденсатора, которые допускают изменение полярности приложенного напряжения.

Состав электролита подбирается таким образом, чтобы в процессе работы восстанавливались мелкие повреждения в оксидной плёнке электрохимическим анодированием при рабочих напряжениях конденсатора. Однако при этом химическом процессе электролиза выделяется газ, давление которого приводит к вздутию корпуса и даже его возможному разрыву. Также к вскипанию электролита может приводить большой ток через конденсатор, например при обратной полярности включения или при протекании большого реактивного тока при больших пульсациях напряжения на конденсаторе.

Для конденсаторов с жидким электролитом существует проблема высыхания, когда растворитель из электролита испаряется из конденсатора через неплотности герметизации корпуса. При высыхании конденсатор теряет ёмкость и увеличивается последовательное паразитное сопротивление.

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.

Но нарушения могут и не проявляться внешне. Вот какими они бывают:

1. Из-за химических изменений снизилась емкость элемента. Например, 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).
2. Произошел обрыв вывода.
3. Появилась проводимость между обкладками (пробой). Собственно, она существует и в исправном состоянии — это так называемый ток утечки. Но при пробое эта величина из мизерной превращается в значительную.
4. Снизилось максимально допустимое напряжение (обратимый пробой). Для каждого конденсатора существует критическое напряжение, вызывающее замыкание между обкладками. Оно указывается на корпусе. В 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. На 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:

1. опасность электротравмы;
2. неопределенность: даже при наличии искры невозможно понять, соответствует ли фактическая емкость радиодетали номинальной.

Более информативна проверка с применением тестера. Лучше всего использовать специальный — LC-метр. Он предназначен для замера емкости, причем рассчитан на широкий диапазон. Но многое о состоянии конденсатора расскажет и обычный мультиметр.

Подведем итоги

Для большинства конденсаторов срок хранения зависит от условий. Электрические характеристики хранимых конденсаторов меняются в основном в зависимости от этих условий, в частности от температуры и влажности. 

Для некоторых конденсаторов, таких как алюминиевые электролитические, температура хранения определяет скорость химических реакций происходящих в компоненте — такие конденсаторы, хранящиеся при высоких температурах теряют свою емкость быстрее чем конденсаторы, хранящиеся при низких температурах. Некоторые конденсаторы необходимо переформировать после длительного хранения без подзарядки.