Конструкция и особенности применения электролитических конденсаторов переменной емкости

Содержание

• 1 Общие сведения
• 2 История происхождения электролитических конденсаторов
• 3 Функции электролитических конденсаторов
• 4 Электрические хаpaктеристики электролитических конденсаторов
• 5 Виды
  • 5.1 Алюминиевые электролитические конденсаторы (ЭК)
  • 5.2 Танталовые конденсаторы
  • 5.3 Ниобиевые конденсаторы
• 6 Конструкция электролитического конденсатора
• 7 Особенности применения
• 8 Надежность электролитических конденсаторов
• 9 Требования монтажа электролитических конденсаторов в оборудование
• 10 Рабочая температура, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и срок службы
• 11 Условия работы
• 12 Рекомендации при проектировании оборудования
• 13 Советы перед сборкой оборудования
• 14 Условия хранения электролитических конденсаторов
• 15 Воздействие на окружающую среду
• 16 Утилизация электролитических конденсаторов
• 17 Результаты испытаний электролитических конденсаторов на срок службы
• 18 Меры предосторожности при использовании ЭК
• 19 Видео

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

Важно! Единица ёмкости 1 Ф – это очень большая величина. Применяемые на пpaктике 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 прострaнcтво, – электролит. Электролит может быть жидким, а может быть твёрдым. Он служит катодом (отрицательный вывод). Отсюда и название «электролитический».

Конденсатор 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

Измеритель емкости 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 хаpaктеристики электролитических конденсаторов

Обозначение конденсаторов на схеме

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 хаpaктеристики:

• 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.

Танталовый ЭК

Ниобиевые конденсаторы

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

Ниобиевый ЭК

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, трaнcформаторы. В процессе работы цеха потрeбляют 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 колeблется 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 хаpaктеристик 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 хаpaктеристик. Параллельное соединение увеличивает ёмкость, последовательное – допустимое напряжение.

Видео