Для чего нужен электролитический конденсатор: Страница не найдена | Тут схемы

как работает и зачем нужен в цепи переменного и постоянного тока

Практически во всех электронных устройствах, от самых простых до высокотехнологичных, таких как материнские платы компьютеров, можно встретить один неизменно присутствующий элемент, являющийся пассивным компонентом. Но к сожалению, мало кто знает как устроен и для чего нужен конденсатор, и какие виды этого накопителя бывают.

Просто о сложном

Итак, это небольшое устройство для накопления электрического поля или заряда похоже на обычную банку, ту, в которой маринуют помидоры или хранят муку. Она точно так же в себе накапливает сухое вещество или жидкость, которую в неё поместят. Аналогия проста: по цепи бегут электроны, а на своей дороге встречают проводников, которые ведут их в «банку», где они и накапливаются, усиливая заряд.

Для того чтобы выяснить, много ли элекрончиков так можно собрать, и в какой момент накопление прекратится (банка лопнет), электрический процесс обычно сравнивают с водопроводом. Если представить трубу, в которой течёт вода, закачиваемая туда насосом, то где-то в центре трубопровода нужно вообразить мягкую мембрану, растягивающуюся под давлением жидкости. Очевидно, что она будет растягиваться до определённого предела, пока не разорвётся или, если попалась очень крепкая, не уравновесит силу насоса.

Такой пример показывает, как работает конденсатор, только мембрана заменяется электрическим полем, которое увеличивается по мере зарядки накопителя (работы насоса), уравновешивая напряжение источника питания. Очевидно, что этот процесс не бесконечный, и предельный заряд существует, по достижении которого «банка» выйдет из строя и перестанет выполнять свои функции.

Устройство и принцип работы

Конденсатор — устройство, состоящее из двух пластин (обкладок), имеющих между собой пустоту. Напряжение к нему подаётся через проводки, подсоединённые к пластинкам. Современные приборы, по сути, не сильно отличаются от макетов на уроках физики, они также состоят из диэлектрика и обкладок. Следует отметить, что именно вещество или его отсутствие (вакуум), плохо проводящее электричество, изменяет характеристики накопителя.

Суть принципа работы конденсатора проста: дали напряжение, и заряд начал накапливаться. Для примера следует рассмотреть как ведёт себя накопитель в двух вариантах электрической цепи:

• Постоянный ток. Если в цепь с подключённым к ней конденсатором подать ток, то можно увидеть, что стрелка на амперметре начнёт двигаться, а потом быстро вернётся в исходное положение. Это объясняется просто: устройство быстро зарядилось, то есть источник питания был уравновешен обкладками накопителя, и тока не стало. Поэтому часто говорят, что в условиях постоянного тока конденсатор не работает. Такое утверждение неправильное, всё функционирует, но очень непродолжительное время.
• Переменный ток — это когда электроны двигаются сначала в одну, а затем в другую сторону. Если представить такую цепь с подключённым к ней накопителем, то на обеих обкладках конденсатора будут попеременно накапливаться положительные и отрицательные заряды. Это говорит о том, что переменный ток свободно протекает через устройство.

Поскольку конденсатор задерживает постоянный ток, но пропускает переменный, отсюда формируются и сферы его назначения, например, для устройств, в которых нужно убрать постоянную составляющую в сигнале. Вполне очевидно, что накопитель обладает сопротивлением, а вот мощность на нём не выделяется, поэтому он не греется.

Основные виды

Рядовой пользователь не всегда знает о том, каким конденсатором снабжено его устройство. А ведь каждый вид имеет свои недостатки и преимущества, а также эксплуатационные особенности. Существуют две большие группы этих устройств, предназначенные для электрической цепи с переменным и постоянным током. Но всё-таки основная классификация ведётся по типу диэлектрика, который находится между облатками конденсатора.

Основные виды:

• Керамические. Имеют маленький размер, малый ток утечки и небольшую индуктивность. Отлично работают в условиях высоких частот, в цепях пульсирующего, постоянного и переменного тока. Представлены в различном диапазоне напряжений и ёмкостей, в зависимости от того, для чего конденсатор предназначен.
• Слюдяные. В настоящее время почти не используются и не выпускаются. В накопителях такого типа диэлектриком служит слюда. Рабочее напряжение таких конденсаторов в диапазоне — 200−1500 В.
• Бумажные. В алюминиевых облатках заключена конденсаторная бумага. Выдерживают напряжение 160−1500 В.
• Полиэстеровые. Максимальная ёмкость не превышает 15 мФ, рабочее напряжение — 50−1500 В.
• Полипропиленовые. Выгодно выделяются на фоне остальных собратьев двумя преимуществами. Первое — маленький допуск ёмкости (+/- 1%), второе — до 3 кВ рабочего напряжения.

Отдельно стоит отметить электролитические конденсаторы. Главное их отличие от других видов — подключения только к цепи постоянного или пульсирующего тока. Такие накопители имеют полярность — это особенность их конструкции, поэтому неправильное подключение ведёт к вздутию или взрыву устройства. Они обладают большой ёмкостью, что делает конденсатор электролитический пригодным для применения в выпрямительных цепях.

Сферы применения

Можно смело сказать, что конденсаторы используют практически во всех электронных и радиотехнических схемах. Чтобы иметь представление о том, где и зачем нужен конденсатор, следует вспомнить его способность сохранять заряд и разряжаться в нужное время, а также пропускать переменный ток и не пропускать постоянный. А это значит, что

такие устройства используются во многих технических сферах, например:

• телефонии;
• в производстве счётных и запоминающих устройств;
• автоматике;
• при создании измерительных приборов и многих других.

Электрические накопители можно встретить как в телевизорах, так и в приборах радиолокации, где необходимо формировать импульс большой мощности, для чего и служит конденсатор. Невозможно встретить блок питания без этих устройств или сетевой фильтр.

Нужно сказать, что накопители применяют и в сферах, не связанных с электрикой, например, в производстве металла и добыче угля, где используют конденсаторные электровозы.

Конденсатор | Класс робототехники

Электрический конденсатор (англ. capacitor) — это устройство, которое может накапливать электрический заряд и хранить его некоторое время. Конденсаторы можно найти практически в любом электронном устройстве. Они бывают разных типов и размеров.

На электрических схемах конденсаторы обозначают двумя параллельными черточками. При этом, у полярных конденсаторов около положительного электрода дополнительно ставится плюсик.

Для чего нужен конденсатор?

У этого прибора есть множество применений. Мы не будем перечислять их все, отметим лишь некоторые.

1) Фильтрация пульсаций в цепях питания. Конденсаторы часто ставят на входе и выходе преобразователей напряжения, на входе питания микросхем. В этом случае конденсаторы служат своего рода амортизаторами, которые могут сгладить неровности напряжения, подобно амортизаторам автомобиля, сглаживающим неровности дороги.

2) Времязадающие электрические цепи. Конденсаторы разной ёмкости заряжаются и разряжаются за разное время. Эту особенность используют в устройствах, где необходимо отсчитывать определенные промежутки времени. Например, с помощью резистора и конденсатора задается период и скважность импульса в микросхеме таймера 555 (урок про таймер 555).

3) Датчики прикосновения. В роли одной из обкладок конденсатора может выступить человек. Эту особенность нашего тела используют в своей работе сенсорные кнопки, тачскрины и тачпады некоторых видов.

4) Хранение данных. Конденсаторы применяются для хранения данных в оперативной памяти — ОЗУ (SRAM). Каждый модуль такой памяти содержит миллиарды отдельных конденсаторов, которые могут быть заряжены или разряжены, что интерпретируется как единица или ноль.

И это далеко не все варианты применения этого незаменимого прибора. Попробуем разобраться, как устройство конденсатора позволяет ему выполнять столько полезных функций!

Устройство простейшего конденсатора

Конденсатор состоит их двух металлических пластин — электродов, называемых также обкладками, между которыми находится тонкий слой диэлектрика.

Собственно, все конденсаторы устроены именно таким (или почти таким) образом, разве что меняется материал обкладок и диэлектрика.

Чтобы увеличить ёмкость конденсатора, не увеличивая его размеры, применяют разные хитрости. Например, если мы возьмем две обкладки в виде длинных полосок фольги, проложим между ними хотя бы тот же полиэтилен и свернем все это как рулет, то получится очень компактный прибор с большой ёмкостью. Именно так устроены плёночные конденсаторы.

Если вместо полиэтилена взять бумагу и пропитать её электролитом, то на поверхности фольги образуется тонкий слой оксида, который не проводит ток. Такой конденсатор будет называться электролитическим.

Существует много разных видов конденсаторов: бумажные, плёночные, оксидные алюминиевые и танталовые, вакуумные и т.п. В нашем уроке мы будем использовать оксидные электролитические конденсаторы из-за их большой ёмкости и доступности.

Полярные и неполярные конденсаторы

Очень важным является разделение конденсаторов на полярные и неполярные

.

Приборы на основе оксидов: электролитические алюминиевые и танталовые обычно являются полярными, а значит если перепутать их полярность — они выйдут из строя. Причём этот выход из строя будет сопровождаться бурной электрохимической реакций вплоть до взрыва конденсатора.

На полярных конденсаторах всегда имеется маркировка. Как правило на электролитических конденсаторах на корпусе контрастной полосой отмечается отрицательный вывод (катод), у танталовых (в желтых прямоугольных корпусах) полоской помечается положительный вывод (анод). Если есть сомнения в маркировке, то лучше найти документацию на этот конденсатор и убедиться.

Неполярные же конденсаторы можно включать в цепь какой угодно стороной. К примеру, многослойные керамические конденсаторы — неполярные.

Ёмкость и напряжение конденсатора

Теперь обратим внимание на две важные характеристики конденсатора: ёмкость и номинальное напряжение.

Ёмкость конденсатора характеризует способность конденсатора накапливать заряд. Это как ёмкость банки, в которой хранится, к примеру, вода. Кстати, не зря одним из первых электрических конденсаторов была так называемая Лейденская банка. Она представляла собой обыкновенную стеклянную посуду, снаружи обмотанную фольгой. В банку была налита токопроводящая жидкость — электролит. Фольга и электролит играли роль обкладок, а стекло банки служило тем самым диэлектрическим барьером.

Ёмкость электрического конденсатора измеряют в фарадах. В схемах ёмкость обозначают латинской буквой C. Как правило, ёмкость классических конденсаторов варьируется от нескольких пикофарад (пФ) до нескольких тысяч микрофарад (мкФ). Ёмкость указывается на корпусе конденсатора. Если единицы не указаны — то это пикофарады. Микрофарады часто обозначают как uF — так как буква u внешне похожа на греческую букву мю, которую используют вместо приставки микро.

Существует и особый вид конденсаторов, называемых ионисторами (англ. supercapacitor), которые имеют ёмкость в несколько фарад!  Чем больше ёмкость конденсатора, тем больше энергии в нём может храниться и тем дольше он заряжается, при прочих равных условиях.

Номинальное напряжение — второй важный параметр. Это такое напряжение, при котором конденсатор будет работать весь срок службы без критичного изменения своих параметров. Нельзя применять в 12-вольтовой цепи конденсатор на 6 вольт — он быстро выйдет из строя.

Именно эти два параметра обычно наносят на поверхность корпуса конденсатора. На фотографии ниже изображён электролитический конденсатор ёмкостью 470 мкФ и номинальным напряжением 16 Вольт.

А вот на керамических конденсаторах часто указывают только ёмкость. На картинке ниже конденсатор имеет маркировку 104. Что бы это значило?

Последняя цифра в этом коде — количество нулей после двухзначного числа в начале. 104 = 10 0000 пФ = 100 нФ = 0,1 мкФ

Параллельное и последовательное подключение конденсаторов

Как и в случае резисторов, конденсаторы можно составлять в цепочки. Это бывает нужно, когда в схеме необходима какая-то конкретная ёмкость, а у вас нет такого конденсатора.

Параллельное подключение

В отличие от резисторов, при параллельном подключении конденсаторов их ёмкости складываются. Например, если нам нужно получить ёмкость 3000 мкФ, а у нас есть два конденсатора по 1000 мкФ, и 10 штук по 100 мкФ, смело ставим их параллельно и получаем: 1000*2+100*10 = 2000 + 1000 = 3000 мкФ

Последовательно подключение

При последовательном подключении конденсаторы ведут себя как резисторы, соединённые параллельно. Например, посчитаем суммарную ёмкость двух конденсаторов на 100 мкФ, соединённых последовательно:

Суммарная ёмкость Ctot = 50 мкФ.

Заряд и разряд конденсатора — RC-цепочка

Теперь разберёмся с процессами, происходящими внутри конденсатора во время заряда и разряда. Для этого рассмотрим самую простую электрическую цепь с конденсатором. С левой стороны схемы подключим источник питания. Сверху разместим ключ и резистор, а справа сам конденсатор. Участок цепи, на котором есть конденсатор и резистор называют RC-цепью.

При замыкании ключа, в такой цепи образуется электрический ток, сила которого зависит от сопротивления резистора и внутреннего сопротивления самого конденсатора. Заряженные частицы устремятся к конденсатору, но не смогут преодолеть слой диэлектрика (по крайней мере все разом). Вследствие чего, с одной стороны конденсатора накопятся отрицательно заряженные частицы, а с другой стороны — положительно заряженные. Концентрация заряженных частиц на обкладках создаст мощное электрическое поле между ними.

С течением времени, напряжение на конденсаторе растет, а сила тока падает. После завершения процесса заряда, ток в цепи упадет почти до нуля. Останется только очень маленький ток утечки, который образуется благодаря тому, что некоторым заряженным частицам всё же удается проскочить через слой диэлектрика. Напряжение, напротив, станет практически равным напряжению источника.

Когда мы отключим конденсатор от источника питания, этот самый ток утечки постепенно разрядит конденсатор. Эта особенность электрических конденсаторов не даёт нам сделать из них контейнер для длительного хранения энергии. Хотя частично эту проблему решают ионисторы.

Резистор и время заряда конденсатора

Зачем в цепи нужен резистор? Что на мешает подключить его напрямую к источнику? Тому есть две причины.

Резистор ограничивает ток, протекающий через конденсатор. Чем меньше заряженных частиц за единицу времени прибывает в конденсатор, тем больше времени для заряда ему потребуется.

Конденсатор заряжается и разряжается по экспоненциальному закону. Зная это, мы можем легко рассчитать время заряда/разряда в зависимости от его ёмкости и от сопротивления резистора.

По картинке можно понять, что за время T конденсатор заряжается на 63,2%. А вот за время 3T уже на 95%. Время T здесь равно произведению ёмкости конденсатора C на сопротивление R, последовательно соединенного резистора:

Например, у нас есть конденсатор ёмкостью 100 мкФ, соединенный с резистором 1 кОм. Посчитаем за сколько секунд он зарядится хотя бы до 95%:

Теперь умножаем это на 3 и получаем 3T = 0,3 секунды — за такое время конденсатор почти полностью будет заряжен.

Таким образом, меняя ёмкость конденсатора и резистора мы можем управлять временем его заряда, что нам ещё пригодится в будущем.

Вторая важная причина, по которой в цепи присутствует резистор — защита источника питания. Дело в том, что разряженные конденсаторы имеют очень низкое внутреннее сопротивление, которое составляет доли Ома. По сути, их можно рассматривать как обычные проводники. А что будет, если замкнуть выводы питания проводником? Будет короткое замыкание! Такой режим работы цепи является аварийным для источника питания, и его нужно всячески избегать.

Плавное выключение светодиода при помощи конденсатора

Проведем небольшой опыт. Для этого соберем на макетной плате цепь с кнопкой, конденсатором и светодиодом. В качестве источника питания используем контакты питания Ардуино Уно.

Принципиальная схема

Внешний вид макета

Подключим Ардуино  к питанию. Затем, нажмем кнопку и светодиод практически мгновенно загорится. Отпустим кнопку — светодиод медленно начнет гаснуть. Почему так происходит?

Сразу после подключения нашей схемы к источнику питания, в ней начинают происходит интересные процессы.

Как уже говорилось ранее, пока конденсатор пустой, ток через него максимален. Следовательно, конденсатор начинает стремительно набирать заряд. При этом светодиоду, который подключен параллельно, ничего не достается 🙁 Напряжение на нем близко к нулю.

С течением времени конденсатор насыщается, благодаря чему ток начинает постепенно переходить в параллельную цепь — через светодиод. Напряжение на светодиоде начинает расти. Наступает момент, когда напряжение на светодиоде принимает критическое значение (для красного светодиода около 1,8 В), при котором он стремительно отбирает остатки тока у конденсатора и вспыхивает!

Когда мы отпускаем кнопку, ситуация становится гораздо проще. Конденсатор становится источником питания для светодиода с резистором. Светодиод начинает медленно высасывать заряд из конденсатора, пока тот не разрядится. Тут мы и наблюдаем медленно угасание.

Меняя сопротивление R1, мы можем влиять на скорость вспыхивания светодиода. Однако, следует учитывать, что увеличивая R1 мы будем снижать ток в цепи, тем самым уменьшая максимальный заряд конденсатора и яркость светодиода.

Увеличивая C1, мы получим более длительное время работы светодиода после выключения источника. Это как поставить более ёмкую батарейку.

Наконец, меняя R2 можно регулировать яркость светодиода, и соответственно, время его работы. Ведь чем меньше тока мы забираем из конденсатора, тем на большее время его хватит.

К размышлению

Итак, мы познакомились с конденсатором — интересным и порой опасным жителем любой электронной платы. В следующих уроках уделим внимание резистору и индуктивности, а также более сложному их собрату — транзистору.

Вконтакте

Facebook

Twitter

§52. Конденсаторы, их назначение и устройство

Заряд и разряд конденсатора.

Конденсатор представляет собой устройство, способное накапливать электрические заряды. Простейшим конденсатором являются две металлические пластины (электроды), разделенные каким-либо диэлектриком. Конденсатор 2 можно зарядить, если соединить его электроды с источником 1 электрической энергии постоянного тока (рис. 181, а).

Рис. 181. Заряд и разряд конденсатора

При заряде конденсатора свободные электроны, имеющиеся на одном из его электродов, устремляются к положительному полюсу источника, вследствие чего этот электрод становится положительно заряженным. Электроны с отрицательного полюса источника устремляются ко второму электроду и создают на нем избыток электронов, поэтому он становится отрицательно заряженным.

В результате протекания зарядного тока i3 на обоих электродах конденсатора образуются равные, но противоположные по знаку заряды и между ними возникает электрическое поле, создающее между электродами конденсатора определенную разность потенциалов. Когда эта разность потенциалов станет равной напряжению источника тока, движение электронов в цепи конденсатора, т. е. прохождение по ней тока i3 прекращается. Этот момент соответствует окончанию процесса заряда конденсатора.

При отключении от источника (рис. 181,б) конденсатор способен длительное время сохранять накопленные электрические заряды. Заряженный конденсатор является источником электрической энергии, имеющим некоторую э. д. с. ес. Если соединить электроды заряженного конденсатора каким-либо проводником (рис. 181, в), то конденсатор начнет разряжаться.

При этом по цепи пойдет ток iр разряда конденсатора. Начнет уменьшаться и разность потенциалов между электродами, т. е. конденсатор будет отдавать накопленную электрическую энергию во внешнюю цепь.

В тот момент, когда количество свободных электронов на каждом электроде конденсатора станет одинаковым, электрическое поле между электродами исчезнет и ток станет равным нулю. Это означает, что произошел полный разряд конденсатора, т. е. он отдал накопленную им электрическую энергию.

Емкость конденсатора.

Свойство конденсатора накапливать и удерживать электрические заряды характеризуется его емкостью. Чем больше емкость конденсатора, тем больше накопленный им заряд, так же как с увеличением вместимости сосуда или газового баллона увеличивается объем жидкости или газа в нем.

Емкость С конденсатора определяется как отношение заряда q, накопленного в конденсаторе, к разности потенциалов между его электродами (приложенному напряжению)U:

C = q / U (69)

Емкость конденсатора измеряется в фарадах (Ф). Емкостью в 1 Ф обладает конденсатор, у которого при сообщении заряда в 1 Кл разность потенциалов возрастает на 1 В. В практике преимущественно пользуются более мелкими единицами: микрофарадой (1 мкФ=10^-6 Ф), пикофарадой (1 пФ = 10^-12 мкФ).

Емкость конденсатора зависит от формы и размеров его электродов, их взаимного расположения и свойств диэлектрика, разделяющего электроды. Различают плоские конденсаторы, электродами которых служат плоские параллельные пластины (рис. 182, а), и цилиндрические (рис. 182,б).

Рис. 182. Плоский (а) и цилиндрический (б) конденсаторы

Свойствами конденсатора обладают не только специально изготовленные на заводе устройства, но и любые два проводника, разделенные диэлектриком. Емкость их оказывает существенное влияние на работу электротехнических установок при переменном токе.

Например, конденсаторами с определенной емкостью являются два электрических провода, провод и земля (рис. 183, а), жилы электрического кабеля, жилы и металлическая оболочка кабеля (рис. 183,6).

Рис. 183. Емкости, образованные проводами воздушной линии (а) и жилами кабеля (б)

Устройство конденсаторов и их применение в технике.

В зависимости от применяемого диэлектрика конденсаторы бывают бумажными, слюдяными, воздушными (рис. 184).

Рис. 184. Общие виды применяемых конденсаторов: 1 — слюдяные; 2 — бумажные; 3 — электролитический; 4 — керамический

Используя в качестве диэлектрика вместо воздуха слюду, бумагу, керамику и другие материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, удается при тех же размерах конденсатора увеличить в несколько раз его емкость. Для того чтобы увеличить площади электродов конденсатора, его делают обычно многослойным.

В электротехнических установках переменного тока обычно применяют силовые конденсаторы. В них электродами служат длинные полосы из алюминиевой, свинцовой или медной фольги, разделенные несколькими слоями специальной (конденсаторной) бумаги, пропитанной нефтяными маслами или синтетическими пропитывающими жидкостями.

Ленты фольги 2 и бумаги 1 сматывают в рулоны (рис. 185), сушат, пропитывают парафином и помещают в виде одной или нескольких секций в металлический или картонный корпус. Необходимое рабочее напряжение конденсатора обеспечивается последовательным, параллельным или последовательно-параллельным соединениями отдельных секций.

Рис. 185. Устройство бумажного (а) и электролитического (б) конденсаторов

Всякий конденсатор характеризуется не только значением емкости, но и значением напряжения, которое выдерживает его диэлектрик. При слишком больших напряжениях электроны диэлектрика отрываются от атомов, диэлектрик начинает проводить ток и металлические электроды конденсатора замыкаются накоротко (конденсатор пробивается).

Напряжение, при котором это происходит, называют пробивным. Напряжение, при котором конденсатор может надежно работать неограниченно долгое время, называют рабочим. Оно в несколько раз меньше пробивного.

Конденсаторы широко применяют в системах энергоснабжения промышленных предприятий и электрифицированных железных дорог для улучшения использования электрической энергии при переменном токе.

На э. п. с. и тепловозах конденсаторы используют для сглаживания пульсирующего тока, получаемого от выпрямителей и импульсных прерывателей, борьбы с искрением контактов электрических аппаратов и с радиопомехами, в системах управления полупроводниковыми преобразователями, а также для создания симметричного трехфазного напряжения, требуемого для питания электродвигателей вспомогательных машин.

В радиотехнике конденсаторы служат для создания высокочастотных электромагнитных колебаний, разделения электрических цепей постоянного и переменного тока и др.

В цепях постоянного тока часто устанавливают электролитические конденсаторы. Их изготовляют из двух скатанных в рулон тонких алюминиевых лент 3 и 5 (рис. 185,б), между которыми проложена бумага 4, пропитанная специальным электролитом (раствор борной кислоты с аммиаком в глицерине).

Алюминиевую ленту 3 покрывают тонкой пленкой окиси алюминия; эта пленка образует диэлектрик, обладающий высокой диэлектрической проницаемостью. Электродами конденсатора служат лента 3, покрытая окисной пленкой, и электролит; вторая лента 5 предназначена лишь для создания электрического контакта с электролитом. Конденсатор помещают в цилиндрический алюминиевый корпус.

При включении электролитического конденсатора в цепь постоянного тока необходимо строго соблюдать полярность его полюсов; электрод, покрытый окисной пленкой, должен быть соединен с положительным полюсом источника тока. При неправильном включении диэлектрик пробивается.

По этой причине электролитические конденсаторы нельзя включать в цепи переменного тока. Их нельзя также использовать в устройствах, работающих при высоких напряжениях, так как окисная пленка имеет сравнительно небольшую электрическую прочность.

В радиотехнических устройствах применяют также конденсаторы переменной емкости (рис. 186).

Рис. 186. Устройство конденсатора переменной емкости

Такой конденсатор состоит из двух групп пластин: неподвижных 2 и подвижных 3, разделенных воздушными промежутками. Подвижные пластины могут перемещаться относительно неподвижных; при повороте оси 1 конденсатора изменяется площадь взаимного перекрытия пластин, а следовательно, и емкость конденсатора.

Способы соединения конденсаторов.

Конденсаторы можно соединять последовательно и параллельно. При последовательном соединении нескольких (например, трех), конденсаторов (рис. 187, а) эквивалентная емкость

1 /C_эк = 1 /C₁ + 1 /C₂ + 1 /C₃

эквивалентное емкостное сопротивление

X_Cэк= X_C1 + X_C2 + X_C3

результирующее емкостное сопротивление

C_эк = C₁ + C₂ + C₃

При параллельном соединении конденсаторов (рис. 187,б) их результирующая емкость

1 /X_Cэк = 1 /X_C1 + 1 /X_C2 + 1 /X_C3

Рис. 187. Последовательное (а) и параллельное (б) соединения конденсаторов

Включение и отключение цепей постоянного тока с конденсатором.

При подключении цепи R-C к источнику постоянного тока и при разряде конденсатора на резистор также возникает переходный процесс с апериодическим изменением тока i и напряжения u_c.

При подключении к источнику постоянного тока цепи R-C выключателем В1 (рис. 188,а) происходит заряд конденсатора. В начальный момент зарядный ток I_нач=U /R. Но по мере накопления зарядов на электродах конденсатора напряжение его и с будет возрастать, а ток уменьшаться (рис. 188,б).

Рис. 188. Схема подключения цепи R-C к источнику постоянного тока (а) и кпивые тока и напряжения при переходном процессе (б) кривые

Если сопротивление R мало, то в начальный момент подключения конденсатора возникает большой екачок тока, значительно превышающий номинальный ток данной цепи. При разряде конденсатора на резистор R (размыкается выключатель В1 на рис. 189, а) напряжение на конденсаторе u_с и ток i постепенно уменьшаются до нуля (рис. 189,б).

Рис. 189. Схема разряда емкости С на резистор R (а) и кривые тока и напряжения при переходном процессе (б)

Скорость изменения тока i и напряжения ис при переходном процессе отделяется постоянной времени

T = RC

Чем больше R и С, тем медленнее происходит заряд конденсатора.

Процессы заряда и разряда конденсатора широко используют в электронике и автоматике. С помощью их получают периодаческие несинусоидальные колебания, называемые релаксационными, и, в частности, пилообразное напряжение, необходимое для работы систем управления тиристорами, осциллографов и других устройств.

Для получения пилообразного напряжения (рис. 190) периодически подключают конденсатор к источнику питания, а затем к разрядному резистору.

Рис. 190. Кривая пилообразного напряжения

Периоды Т₁ и T₂, соответствующие заряду и разряду конденсатора, определяются постоянными времени цепей заряда Т₃ и разряда Т_р, т. е. сопротивлениями резисторов, включенных в эти цепи.

Чему не учат о конденсаторах

Davide Bortolami

|&nbsp Создано: 8 Февраля, 2021 &nbsp|&nbsp Обновлено: 16 Июня, 2021

В инженерной деятельности мы часто применяем сотни эмпирических правил для упрощения тех аспектов, над которыми работаем.

Если бы мы запускали квантово-физическое моделирование всякий раз, когда необходимо поморгать светодиодом, мы бы никогда ничего не добились. Тем не менее, многие из этих правил были сформулированы в прошлом, когда индустрия электроники радикально отличалась от нынешней.

Сегодня мы собираемся забыть, чему нас учили о том, что такое конденсатор. Кроме того, мы рассмотрим, как использовать конденсаторы с учетом современной электроники.

Чем конденсатор больше не является

Одно из общераспространенных мнений состоит в том, что основная роль конденсатора заключается в хранении заряда, подобно тому, как ведро с водой наполняется одной чашкой и в то же время опустошается другой.

Если вы когда-либо вступали в дискуссию “протекает ли ток через конденсатор” и уходили больше в политику, чем в физику, вы знаете, что типовые аналогии не имеют особого смысла, когда речь идет о переменном токе. Конденсатор – это просто два проводника, разделенных диэлектриком, и нигде в основных физических объяснениях его свойств вы не найдете объяснения того, что с этим делать.

Хранение энергии – это лишь одно из множества применений конденсатора, таких как фильтрация, формирование и инвертирование электрических сигналов и импедансов. Мы привыкли думать, что это основное применение конденсатора, поскольку это было его первым применением на заре электричества постоянного тока и электроскопа Уильяма Гилберта, изобретенного в XV веке.

Назначение конденсатора

Такие термины, как развязывающий и байпасный (шунтирующий) конденсатор, часто используются как синонимы – я сам совершал эту ошибку бесчисленное количество раз.

Это приводит к большой путанице, поскольку для разных целей часто требуются конденсаторы с разными электрическими и физическими параметрами, такими как форм-фактор, номинальное напряжение, ESR (эквивалентное последовательное сопротивление), ESL (эквивалентная последовательная индуктивность) и профиль собственного резонанса.

Конденсаторы называют по-разному не только исходя из технологии, по которой они созданы (керамический, электролитический), но и их назначения.

В следующих разделах рассмотрено несколько из наиболее распространенных назначений конденсаторов.

Рис. 1. Конденсаторы на современной плате. Если присмотреться, вы заметите различные типы конденсаторов, используемые в цепях разного назначения. Изображение от Michael Dziedzic

Байпасный конденсатор

Назначением байпасного конденсатора является передача радиочастотной энергии (переменного тока достаточно высокой частоты) от одной части платы к другой. Соответственно, о хранении заряда речи не идет вообще. Байпасный конденсатор предназначен для проведения, а не для хранения.

Для этого необходим тщательный подбор конденсатора с минимально возможным импедансом на нужных частотах. Этого можно достичь максимально близким соответствием собственной резонансной частоты конденсатора и частоты сигнала.

Собственная резонансная частота – это частота, на которой резонирует емкость и паразитная индуктивность и на которой конденсатор имеет наименьшее возможное сопротивление. Математически емкость и индуктивность как будто пропадают и остается только эквивалентное последовательное сопротивление.

Для частот выше собственной резонансной частоты конденсатор начинает всё меньше работать как конденсатор и всё больше – как индуктивность.

Рис. 2. Зависимость импеданса от частоты для различных конденсаторов. Изображение от Elcap, Jens Both

На что следует обращать внимание

Одна из наиболее распространенных ошибок, которые допускаются при использовании байпасных конденсаторов для контроля электромагнитного излучения (особенно при шунтировании экранов земли), заключается в том, что их размещение ограничивается только источником шума, который нужно устранить.

Для постоянного тока это имело бы смысл – закоротить сигнал максимально близко к источнику, чтобы получить как можно более низкие его значения, минимизировать сопротивление (импеданс) между коротким замыканием (конденсатором) и источником.

Для переменного тока и особенно для радиочастотного диапазона, из-за волновой природы электрических сигналов быстрое увеличение импеданса между областью рядом с источником шума и остальной частью заземляющего слоя может быть источником отражений, т.е. энергии, отраженной из-за несоответствия импедансов. Опять же, это противоречит традиционному описанию “энергии, отраженной из-за рассогласования линий”, которое верно лишь отчасти.

При использовании байпасных конденсаторов нужно попытаться снизить импеданс экранов питания и земли, распределив конденсаторы по плате. В зависимости от используемой частоты, структуры слоев и диэлектрического материала платы, могут понадобиться конденсаторы в диапазоне от пикофарад до нанофарад

Развязывающий конденсатор

У линейных регуляторов, таких как широко используемый 7805, есть внутренний контур обратной связи, который сравнивает выходное и опорное напряжение и соответствующим образом регулирует ток для поддержания стабильного выходного сигнала.

Теоретически линейные регуляторы можно использовать без внешнего конденсатора – по крайней мере, если мы игнорируем любые проблемы, связанные с автоколебаниями. Чтобы получить стабильный выходной сигнал, требуемый ток должен изменяться с достаточно медленной скоростью нарастания, чтобы линейный регулятор мог успевать за ним. Учитывая, что большинство из них построено на технологии BJT начала 80-х годов, эти скорости нарастания совсем не высокие.

Рис. 3. Пример внутренней схемы типового линейного регулятора, подобного 7805

Аналогичным образом, импульсные преобразователи DC-DC имеют основную частоту переключения и не могут регулировать выходной сигнал быстрее этой частоты.

Многие современные цифровые устройства генерируют переходные процессы тока с частотными составляющими в сотни мегагерц, что намного больше, чем может обеспечить любой регулятор (если мы не говорим об экзотических драйверах лазерных диодов).

Развязывающие конденсаторы работают на границе между стабильным напряжением, регулируемым схемой источника питания постоянного тока, и потреблением прерывистого тока современными цифровыми устройствами.

Даже небольшой импеданс между источником питания и устройством быстро приведет к выходу напряжения питания за пределы допустимого диапазона при возникновении пика тока.

Развязывающие конденсаторы действуют как временные локализованные накопители энергии, что уменьшает импеданс источника для значений в диапазоне между нескольких мегагерц и нескольких сотен мегагерц.

Для частот выше сотен мегагерц большинство SMD-конденсаторов имеют высокий импеданс и являются неэффективными. Вместо этого необходимо использовать такие методы, как скрытая емкость (buried capacitance) в стеке слоев.

На что следует обращать внимание

Развязывающие конденсаторы полезны только в относительно узком частотном диапазоне, в основном из-за ограничений, связанных с их паразитными свойствами.

Главный параметр, на который следует обратить внимание – это, опять же, собственная резонансная частота. Разделительные конденсаторы эффективны только на частотах ниже их собственной резонансной частоты.

При выборе конденсатора часто бывает полезно придерживаться следующих эмпирических правил:

• От постоянного тока до килогерц – конденсатор не требуется, источник питания может работать сам по себе.
• От килогерц до мегагерц – электролитические конденсаторы высоких номиналов полезны для более низкого диапазона частот, но их высокое последовательное сопротивление ограничивает их работу из-за низкой резонансной частоты. В диапазоне МГц многие электролитические конденсаторы уже являются сильно индуктивными.
• От мегагерц до 200 МГц – керамические конденсаторы, в зависимости от диэлектрика, размера корпуса и технологии изготовления, обычно подходят для этого диапазона.
• Свыше 200 Мгц – керамические конденсаторы становятся неэффективными. В этих случаях, будет лучше использовать вместо них скрытую емкость.

Сглаживающий конденсатор

Сглаживающие конденсаторы используются для поддержания стабильного напряжения во время недостающих циклов линии питания и поддержки пикового тока. Для этого нужны конденсаторы высокой емкости, и поэтому они обычно являются электролитическими.

Их можно считать маленькими источниками бесперебойного питания.

Чему не учат о керамических конденсаторах

Керамические конденсаторы, несомненно, являются фундаментальными пассивными компонентами в современной электронной промышленности, и их удельная емкость увеличивается со скоростью, сравнимой с плотностью транзисторов в кремнии, что делает доступными многие современные конструкции с высокой плотностью.

Они действительно являются чудом техники, но у них также есть несколько особенностей, о которых нужно знать.

Чем меньше, тем лучше

Керамика – замечательный, но хрупкий материал. Керамические конденсаторы могут треснуть из-за изгиба печатной платы, например, при сборке больших плат (или панелей), неправильном разделении плат скрайбированием или неправильном обращении во время транспортировки.

Растрескивание при изгибе – опасное явление, поскольку если конденсатор используется в силовых устройствах с высокими токами, он зачастую может выйти из строя и вызвать возгорание.

Вопреки распространенному мнению, конденсатор меньшего размера имеет превосходные электрические и механические характеристики. Они с меньшей вероятностью треснут, и они имеют более высокую собственную резонансную частоту.

Если вашему продукту требуется высокая надежность при механических нагрузках, есть несколько методов, которые вы можете использовать для уменьшения соответствующих отказов:

• Не размещайте конденсаторы длинной стороной в том же направлении, в котором изгибается плата.
• Используйте конденсаторы минимально возможного размера, например 0402.
• Используйте конденсаторы типа “soft-terminated”, которые не замыкаются под нагрузкой, и/или керамические конденсаторы X2/Y2.
• Размещайте трассировку вокруг конденсаторов для снятия механического напряжения.
• Если вы выбрали конденсаторы, которые размыкаются, всегда используйте параллельно как минимум два из них, чтобы ваша схема могла иметь достаточную емкость для нормальной работы при выходе из строя одного из них.

Типы диэлектриков

C0G, X7R… У диэлектриков странные названия и набор самых разных свойств. Далее представлены их характеристики и случаи, когда их использовать лучше всего:

• C0G/NP0 – самые модные керамические конденсаторы на рынке. Обычно они доступны в диапазоне от 1 пФ до 100 нФ и имеют допуск 5%. NP0 означает “положительный-отрицательный-ноль”, для формы графика ТКЕ конденсатора, которая выглядит плоской во всем диапазоне температур. Именно их следует использовать, когда требуются точные значения и стабильность.
• X7R – современная рабочая лошадка. Они имеют отличные коэффициенты напряжения и температуры и популярны в диапазоне от 100 пФ до 22 мкФ. Они наиболее широко используются для развязки и имеют широкий диапазон температур от -55°C до 125°C.
• X5R – аналогичен X7R, но рассчитан на 85°C вместо 125°C.
• Y5V – может достигать чрезвычайно высокого значения емкости, но при низких отклонениях от номинального напряжения и температуры (допускается потеря до 82% емкости).
• Z5U – аналогично Y5V, конденсаторы Z5U имеют плохие характеристики по напряжению и температуре и стоят очень дешево. Допускается использование только до -10°C и применяются только для развязки в недорогом бытовом оборудовании.

На что следует обращать внимание

Использование конденсаторов с разными диэлектриками может привести к неожиданным результатам.

Например, конденсаторы Z5U очень дешевы и используют диэлектрик из титаната бария. Этот материал имеет высокую диэлектрическую постоянную, что обеспечивает отличное отношение емкости к объему, а также собственную резонансную частоту, обычно от 1 до 20 МГц.

Конденсаторы NP0 лучше работает на частотах выше 10 МГц, так почему бы не использовать их вместе для работы в более широком диапазоне частот?

К сожалению, когда конденсаторы Z5U и NP0 соединены параллельно, материал с более высокой диэлектрической проницаемостью снижает резонансную частоту NP0, и это сочетание приводит к худшим общим характеристикам, чем просто качественный Z5U.

Однако вопрос «почему» определенно выходит за рамки моей компетенции. Если вы понимаете это явление, пожалуйста, напишите мне.

Диэлектрические потери

Если вы закоротите выход заряженного конденсатора, то обнаружите, что полностью разряженный конденсатор сидит на скамейке и смотрит на вас печальными глазами. Однако это не всегда так. Почти все конденсаторы, за единственным заметным исключением вакуумных конденсаторов, сохраняют часть своего заряда после разрядки.

Это происходит потому, что случайно ориентированные молекулярные диполи со временем выравниваются электрическим полем, и их новая ориентация сохраняется даже в отсутствии этого поля.

Керамические конденсаторы могут удерживать до 0,6% заряженного напряжения для NP0 и до 2,5% для X7R.

Емкость, зависящая от напряжения

Конденсаторы Y5V могут терять до 82% своей емкости при номинальном напряжении, в то время как конденсаторы NP0 имеют практически горизонтальную характеристику.
Если у вас есть устройства, в которых нужно изменять выходное напряжение, например, с помощью настраиваемого источника напряжения, требуемого стандартом USB-PD, который Марк Харрис обсуждал в своей недавней статье, вы можете столкнуться с непредсказуемой работой схемы.

Инструменты проектирования в Altium Designer® включают в себя всё необходимое, чтобы идти в ногу с новыми технологиями. Поговорите с нами сегодня и узнайте, как мы можем улучшить ваш процесс проектирования.

Что такое развязывающий конденсатор и как узнать, нужен ли он мне?

Люди обычно дают одно объяснение, когда их спрашивают, какова функция развязки конденсаторов, но на самом деле они выполняют несколько задач.

Вот список вещей, которые я знаю:

Они уменьшают отскок земли

Отскок земли — это явление, при котором изменение разности напряжений на плоскости заземления отрицательно влияет (в основном) на аналоговые и (иногда) цифровые сигналы. Для аналоговых сигналов, таких как, например, аудио, это может проявляться в виде высоких частот. Для цифровых сигналов это может означать отсутствие / задержку / ложные переходы сигнала.

Изменение разности напряжений вызвано созданием и коллапсом магнитных полей, вызванным изменением протекания тока.

Чем длиннее путь, по которому должен идти поток тока, тем выше индуктивность, связанная с ним, и тем хуже становится отскок от земли. Несколько путей прохождения тока также усугубляют проблему, а также скорость, с которой изменяется ток.

Поток тока, очевидно, происходит между источником питания и подключенной интегральной схемой, но несколько менее очевидно также между «связывающими» интегральными схемами. Текущий поток, связанный с двумя микросхемами, выглядит следующим образом; источник питания -> IC 1 -> IC 2 -> Земля -> источник питания.

Разъединяющий конденсатор эффективно уменьшает длину пути тока, функционируя как источник питания, тем самым уменьшая индуктивность и, таким образом, отскок от земли.

Предыдущий пример становится; Крышка -> IC 1 -> IC 2 -> Земля -> Крышка

Они поддерживают стабильный уровень напряжения

Есть две причины, почему уровни напряжения колеблются:

• Индуктивность трассы / провода уменьшает максимальную скорость изменения тока через эту трассу / провод; внезапное увеличение «спроса» на ток приведет к падению напряжения; внезапное снижение «спроса» на ток приведет к скачку напряжения.
• Источники питания (особенно переключающие) нуждаются во времени для ответа и будут немного отставать от текущего спроса.

Разъединяющий конденсатор сгладит потребление тока и уменьшит любые падения или скачки напряжения.

Они МОГУТ уменьшить EMI (передачу)

Когда мы говорим об электромагнитных помехах, мы имеем в виду либо передачу непреднамеренных электромагнитных помех, либо получение преднамеренных или непреднамеренных электромагнитных сигналов, которые влияют на работу вашего устройства. Обычно это относится к самой передаче.

Расположение (развязки) конденсаторов между силовой и заземляющей плоскостями изменяет коэффициент передачи в диапазоне частот. Очевидно, что использование только одного значения для ваших конденсаторов для всей печатной платы, а также для конденсаторов с потерями / высоким сопротивлением — это путь, если вам нужно уменьшить электромагнитные помехи, однако это идет вразрез с обычной практикой (которая поощряет увеличение порядка емкости, чем ближе вы находитесь к источнику питания). Большинство людей на самом деле не заботятся о EMI, если они делают схемы для своего хобби (хотя обычно это делают радиолюбители), но это становится неизбежным, когда вы создаете схему для массового производства.

Конденсатор (разъединяющий) МОЖЕТ уменьшить непреднамеренное электромагнитное излучение, создаваемое вашей цепью.

Чтобы ответить на ваши оставшиеся вопросы ..

Как узнать, нужен ли он мне, и если да, то какого размера и куда он должен идти?

Обычно вы устанавливаете развязывающий конденсатор, когда это возможно, выбирая наименьший физический размер с наибольшим значением, как можно ближе к выводу блока питания микросхемы.

Нужен ли 4-битный регистр сдвига параллельного доступа SN74195N, используемый с Arduino? (Чтобы использовать мой текущий проект в качестве примера) Почему или почему нет?

Вероятно, это будет работать нормально, но зачем беспокоиться о «вероятно», если вы можете увеличить шансы, разместив компонент, который стоит несколько центов, в некоторых случаях даже один цент?

Электролитический конденсатор — это… Что такое Электролитический конденсатор?

Основа конструкции конденсатора — две токопроводящие обкладки, между которыми находится диэлектрик

Слева — конденсаторы для поверхностного монтажа; справа — конденсаторы для объёмного монтажа; сверху — керамические; снизу — электролитические.

Различные конденсаторы для объёмного монтажа

Конденса́тор — двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

История

В 1745 году в Лейдене немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и голландский физик Питер ван Мушенбрук создали первый конденсатор — «лейденскую банку».

Свойства конденсатора

Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд конденсатора), по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течет, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора.

В терминах метода комплексных амплитуд конденсатор обладает комплексным импедансом

,

где — мнимая единица, — частота^[1] протекающего синусоидального тока, — ёмкость конденсатора. Отсюда также следует, что реактивное сопротивление конденсатора равно: . Для постоянного тока частота равна нулю, следовательно, реактивное сопротивление конденсатора бесконечно (в идеальном случае).

При изменении частоты изменяются диэлектрическая проницаемость диэлектрика и степень влияния паразитных параметров — собственной индуктивности и сопротивления потерь. На высоких частотах любой конденсатор можно рассматривать как последовательный колебательный контур, образуемый ёмкостью , собственной индуктивностью и сопротивлением потерь .

Резонансная частота конденсатора равна

При конденсатор в цепи переменного тока ведёт себя как катушка индуктивности. Следовательно, конденсатор целесообразно использовать лишь на частотах , на которых его сопротивление носит ёмкостный характер. Обычно максимальная рабочая частота конденсатора примерно в 2—3 раза ниже резонансной.

Конденсатор может накапливать электрическую энергию. Энергия заряженного конденсатора:

где — напряжение (разность потенциалов), до которого заряжен конденсатор.

Обозначение конденсаторов на схемах

В России условные графические обозначения конденсаторов на схемах должны соответствовать ГОСТ 2.728-74^[2] либо международному стандарту IEEE 315-1975:

Обозначение по ГОСТ 2.728-74	Описание
	Конденсатор постоянной ёмкости
	Поляризованный конденсатор
	Подстроечный конденсатор переменной ёмкости

На электрических принципиальных схемах номинальная ёмкость конденсаторов обычно указывается в микрофарадах (1 мкФ = 10⁶ пФ) и пикофарадах, но нередко и в нанофарадах. При ёмкости не более 0,01 мкФ, ёмкость конденсатора указывают в пикофарадах, при этом допустимо не указывать единицу измерения, т.е. постфикс «пФ» опускают. При обозначении номинала ёмкости в других единицах указывают единицу измерения (пикоФарад). Для электролитических конденсаторов, а также для высоковольтных конденсаторов на схемах, после обозначения номинала ёмкости, указывают их максимальное рабочее напряжение в вольтах (В) или киловольтах (кВ). Например так: «10 мк x 10 В». Для переменных конденсаторов указывают диапазон изменения ёмкости, например так: «10 – 180». В настоящее время изготавливаются конденсаторы с номинальными ёмкостями из десятичнологарифмических рядов значений Е3, Е6, Е12, Е24, т.е. на одну декаду приходится 3, 6, 12, 24 значения, так, чтобы значения с соответствующим допуском (разбросом) перекрывали всю декаду.

Характеристики конденсаторов

Основные параметры

Ёмкость

Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками (q = CU). Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до сотен микрофарад. Однако существуют конденсаторы с ёмкостью до десятков фарад.

Ёмкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью каждая, расположенных на расстоянии друг от друга, в системе СИ выражается формулой: , где — относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между пластинами (эта формула справедлива, лишь когда много меньше линейных размеров пластин).

Для получения больших ёмкостей конденсаторы соединяют параллельно. При этом напряжение между обкладками всех конденсаторов одинаково. Общая ёмкость батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех конденсаторов, входящих в батарею.

или

Если у всех параллельно соединённых конденсаторов расстояние между обкладками и свойства диэлектрика одинаковы, то эти конденсаторы можно представить как один большой конденсатор, разделённый на фрагменты меньшей площади.

При последовательном соединении конденсаторов заряды всех конденсаторов одинаковы. Общая ёмкость батареи последовательно соединённых конденсаторов равна

или

Эта ёмкость всегда меньше минимальной ёмкости конденсатора, входящего в батарею. Однако при последовательном соединении уменьшается возможность пробоя конденсаторов, так как на каждый конденсатор приходится лишь часть разницы потенциалов источника напряжения.

Если площадь обкладок всех конденсаторов, соединённых последовательно, одинакова, то эти конденсаторы можно представить в виде одного большого конденсатора, между обкладками которого находится стопка из пластин диэлектрика всех составляющих его конденсаторов.

Удельная ёмкость

Конденсаторы также характеризуются удельной ёмкостью — отношением ёмкости к объёму (или массе) диэлектрика. Максимальное значение удельной ёмкости достигается при минимальной толщине диэлектрика, однако при этом уменьшается его напряжение пробоя.

Номинальное напряжение

Другой, не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение — значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.

Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры допустимое напряжение снижается.

Полярность

Конденсаторы, разрушившиеся без взрыва из-за температуры и напряжения, не соответствующих рабочим.

Многие конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические) функционируют только при корректной полярности напряжения из-за химических особенностей взаимодействия электролита с диэлектриком. При обратной полярности напряжения электролитические конденсаторы обычно выходят из строя из-за химического разрушения диэлектрика с последующим увеличением тока, вскипанием электролита внутри и, как следствие, с вероятностью взрыва корпуса.

Взрывы электролитических конденсаторов — довольно распространённое явление. Основной причиной взрывов является перегрев конденсатора, вызываемый в большинстве случаев утечкой или повышением эквивалентного последовательного сопротивления вследствие старения (актуально для импульсных устройств). Для уменьшения повреждений других деталей и травматизма персонала в современных конденсаторах большой ёмкости устанавливают клапан или выполняют насечку на корпусе (часто можно заметить её в форме буквы X, K или Т на торце). При повышении внутреннего давления открывается клапан или корпус разрушается по насечке, испарившийся электролит выходит в виде едкого газа, и давление спадает без взрыва и осколков.

Паразитные параметры

Реальные конденсаторы, помимо ёмкости, обладают также собственными сопротивлением и индуктивностью. С высокой степенью точности, эквивалентную схему реального конденсатора можно представить следующим образом:

Электрическое сопротивление изоляции конденсатора —

r

Сопротивление изоляции — это сопротивление конденсатора постоянному току, определяемое соотношением r = U / I_ут , где U — напряжение, приложенное к конденсатору, I_ут — ток утечки.

Эквивалентное последовательное сопротивление —

R

Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС, англ. ESR) обусловлено главным образом электрическим сопротивлением материала обкладок и выводов конденсатора и контакта(-ов) между ними, а также потерями в диэлектрике. Обычно ЭПС возрастает с увеличением частоты тока, протекающего через конденсатор.

В большинстве случаев этим параметром можно пренебречь, но иногда (напр., в случае использования электролитических конденсаторов в фильтрах импульсных блоков питания) достаточно малое его значение может быть жизненно важным для надёжности устройства (см., напр., Capacitor plague(англ.)).

Эквивалентная последовательная индуктивность —

L

Эквивалентная последовательная индуктивность обусловлена, в основном, собственной индуктивностью обкладок и выводов конденсатора. На низких частотах (до единиц килогерц) обычно не учитывается в силу своей незначительности.

Тангенс угла потерь

Тангенс угла потерь — отношение мнимой и вещественной части комплексной диэлектрической проницаемости.

Потери энергии в конденсаторе определяются потерями в диэлектрике и обкладках. При протекании переменного тока через конденсатор векторы напряжения и тока сдвинуты на угол , где — угол диэлектрических потерь. При отсутствии потерь . Тангенс угла потерь определяется отношением активной мощности P_а к реактивной P_р при синусоидальном напряжении определённой частоты. Величина, обратная , называется добротностью конденсатора. Термины добротности и тангенса угла потерь применяются также для катушек индуктивности и трансформаторов.

Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ)

ТКЕ — относительное изменению емкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия (Кельвина). Таким образом значение ёмкости от температуры представляется линейной формулой:

,

где ΔT — увеличение температуры в °C или °К относительно нормальных условий, при которых специфицировано значение ёмкости. TKE применяется для характеристики конденсаторов со значительной линейной зависимостью ёмкости от температуры. Однако ТКЕ определяется не для всех типов конденсаторов. Конденсаторы, имеющие нелинейную зависимость емкости от температуры, и конденсаторы с большими уходами емкости от воздействия температуры окружающей среды в обозначении имеют указание на относительное изменение емкости в рабочем диапазоне температур.

Диэлектрическое поглощение

Если заряженный конденсатор быстро разрядить до нулевого напряжения путём подключения низкоомной нагрузки, а затем снять нагрузку и наблюдать за напряжением на выводах конденсатора, то мы увидим, что напряжение медленно повышается. Это явление получило название диэлектрическое поглощение или адсорбция электрического заряда. Конденсатор ведёт себя так, словно параллельно ему подключено множество последовательных RC-цепочек с различной постоянной времени. Интенсивность проявления этого эффекта зависит в основном от свойств диэлектрика конденсатора. Подобный эффект можно наблюдать и на большинстве электролитических конденсаторов, но в них он является следствием химических реакций между электролитом и обкладками. Наименьшим диэлектрическим поглощением обладают конденсаторы с органическими диэлектриками: тефлон (фторопласт), полистирол, полиэтилентерефталат, поликарбонат.

Классификация конденсаторов

Основная классификация конденсаторов проводится по типу диэлектрика в конденсаторе. Тип диэлектрика определяет основные электрические параметры конденсаторов: сопротивление изоляции, стабильность ёмкости, величину потерь и др.

По виду диэлектрика различают:

• Конденсаторы вакуумные (обкладки без диэлектрика находятся в вакууме).
• Конденсаторы с газообразным диэлектриком.
• Конденсаторы с жидким диэлектриком.
• Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком: стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклоплёночные), слюдяные, керамические, тонкослойные из неорганических плёнок.
• Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, плёночные, комбинированные — бумажноплёночные, тонкослойные из органических синтетических плёнок.
• Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. Такие конденсаторы отличаются от всех прочих типов прежде всего своей огромной удельной ёмкостью. В качестве диэлектрика используется оксидный слой на металлическом аноде. Вторая обкладка (катод) — это или электролит (в электролитических конденсаторах) или слой полупроводника (в оксидно-полупроводниковых), нанесённый непосредственно на оксидный слой. Анод изготовляется, в зависимости от типа конденсатора, из алюминиевой, ниобиевой или танталовой фольги или спеченного порошка.

Кроме того, конденсаторы различаются по возможности изменения своей ёмкости:

• Постоянные конденсаторы — основной класс конденсаторов, не меняющие своей ёмкости (кроме как в течение срока службы).
• Переменные конденсаторы — конденсаторы, которые допускают изменение ёмкости в процессе функционирования аппаратуры. Управление ёмкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды, варикапы) и температурой (термо­конденсаторы). Применяются, например, в радиоприемниках для перестройки частоты резонансного контура.
• Подстроечные конденсаторы — конденсаторы, ёмкость которых изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных ёмкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где требуется незначительное изменение ёмкости.

В зависимости от назначения можно условно разделить конденсаторы на конденсаторы общего и специального назначения. Конденсаторы общего назначения используются практически в большинстве видов и классов аппаратуры. Традиционно к ним относят наиболее распространённые низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования. Все остальные конденсаторы являются специальными. К ним относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляюшие, дозиметрические, пусковые и другие конденсаторы.

Применение конденсаторов

Конденсаторы находят применение практически во всех областях электротехники.

• Так как конденсатор способен длительное время сохранять заряд, то его можно использовать в качестве элемента памяти или устройства хранения электрической энергии.

• Измерительный преобразователь (ИП) малых перемещений: малое изменение расстояния между обкладками очень заметно сказывается на ёмкости конденсатора.
• ИП влажности воздуха (изменение состава диэлектрика приводит к изменению емкости)
• ИП влажности древесины

• В схемах РЗиА конденсаторы используются для реализации логики работы некоторых защит. В частности, в схеме работы АПВ использование конденсатора позволяет обеспечить требуемую кратность срабатывания защиты.

Внешние ссылки

Смотри также

Ссылки

1. ↑ Частота в радианах в секунду.
2. ↑ ГОСТ 2.728-74 (2002)

Для чего нужен накопитель для автозвука – АвтоТоп

Автозвук – это искусство. И как в любом искусстве, здесь есть свои секреты. Один из секретов качественного глубокого баса кроется в установке нехитрого устройства – автомобильного конденсатора.

Зачем нужен конденсатор в автомобиле? По сути, автомобильный конденсатор – это большая батарейка, способная длительно сохранять заряд мощности и быстро отдавать его в нужный момент. Конденсатор ставят для того, чтобы помочь усилителю быстро отдать мощность на пиках низких частот (для сабвуфера). Без конденсатора, во-первых, бас будет не таким четким и быстрым, как хотелось бы. Во-вторых, возможна просадка в питании электросети машины (усилитель в эти моменты начинает потреблять больше тока, а аккумулятор не может так быстро этот ток отдавать). А самое опасное, такое падение и скачки напряжения могут привести в конечном итоге к повреждению сабвуфера.

Как конденсатор влияет на качество звука? Когда мощности усилителя на пиковых моментах хватает, благодаря конденсатору, бас становится четким, хорошо очерченным, неразмытым, неискаженным – и Ваша любимая музыка звучит именно так, как Вам нравится.

Как выбрать автомобильный конденсатор? Пользуйтесь простым правилом «киловатт=фарад». На 1 кВт мощности системы понадобится конденсатор емкостью 1 Фарад. То есть, если мощность Вашей аудиосистемы, к примеру, 2 киловатта, Вам понадобится конденсатор емкостью 2 Фарада. Емкость может быть немного больше мощности системы. Самые популярные модели – конденсаторы на 1 Ф.

Еще один важный параметр – скорость зарядки и отдачи заряда. Чем качественней конденсатор, тем лучше он справится с поставленной задачей.

Некоторые модели оборудованы цифровым вольтметром для контроля напряжения.

Наличие у конденсатора схемы управления зарядом будет безопасней для автомобильной проводки. Конденсаторы с такой схемой постепенной зарядки стоят дороже, но они того стоят. Если конденсатор не оборудован такой функцией, его рекомендуется перед установкой зарядить.

Как установить автомобильный конденсатор? Самая большая нагрузка в аудиосистеме приходится на сабвуферный усилитель (так как самый мощный динамик системы – сабвуфер). Конденсатор следует установить как можно ближе к сабвуферному усилителю (рекомендуемое расстояние – не больше 60 см). Подключают конденсатор параллельно с питанием этого усилителя. Если Вы ставите несколько усилителей, особенно если их мощность велика, Вам тем более понадобится конденсатор.

На схеме наглядно показано где находится конденсатор в электрической цепи, и как его правильно подключить.

PS: Как видите, все просто. Однако конденсатор – это не панацея. Стоит позаботиться также о хорошей проводке, качественных компонентах и грамотной установке аудиосистемы – и Ваша музыка заиграет на все 100%!

У некоторых автолюбителей желание иметь в машине хороший звук превращается в погоню за рекордами. Существуют даже сообщества, участники которых нацелены на построение систем с огромной мощностью. Здесь считается уровнем начинающего акустика в киловатт. Не редкость — система с мощностью в 5 и более тысяч Ватт. На такое потребление не рассчитана ни одна бортовая система автомобиля. Поэтому нужен конденсатор для сабвуфера, который в моменты пикового отбора мощности способен компенсировать просадку напряжения в сети.

Зачем нужен конденсатор для сабвуфера

Чтобы понять, зачем машина оснащается емким конденсатором, стоит вспомнить закон Ома для полной цепи. Именно он поможет понять, что происходит, когда сабвуфер резко выходит на максимальную громкость.

1. У каждого аккумулятора есть параметр электродвижущей силы, который зависит от емкости устройства, его внутреннего сопротивления и других характеристик.
2. До момента, когда усилитель и вся звуковая установка в целом не превышают по потреблению возможности аккумулятора, проводка работает в нормальном режиме.
3. В периоды, когда сабвуфер резко наращивает громкость и потребление мощности — аккумулятор физически не способен удовлетворить потребности. Его электродвижущей силы недостаточно для поддержки стабильного напряжения.

В результате интенсивного отбора мощности для звука происходит следующее: растут рабочие токи, аккумулятор не может обеспечить потребности и напряжение бортовой сети резко падает. Как следствие, наблюдается просадка саба (динамики захлебываются), становится нештатным функционирование усилителя.

Именно для стабилизации работы бортовой сети нужны электролитические конденсаторы, которые отдают мощность в момент пиковой нагрузки. Стоит понимать, что среднестатистическая колонка в машине, как и вся аудиосистема в целом, не всегда работают даже на номинальной мощности. В эти периоды низкого потребления и токов машина своим генератором заряжает не только аккумулятор, но и установленный накопитель.

В периоды роста потребления конденсатор разряжается. Это позволяет получить действительно лучший звук без падений мощности и отказа набора фронта громкости звучания.

На что обращать внимание при покупке?

Главное, что следует учитывать автовладельцу, желающему купить электролитический конденсатор для сабвуфера — соотношение его емкости и мощности системы. Правило достаточно простое. Минимальный предел составляет от 650 до 850 мкФ на киловатт. Для упрощения расчетов рекомендуется принимать 1Ф на 1 кВт мощности звуковой системы.

Идеально, если в автомобиль производится установка конденсатора с емкостью, превышающей номинальные показатели. Другие черты хорошего элемента выглядят следующим образом:

• комплект поставки должен включать все, что нужно для того, чтобы установить электролитический конденсатор в машину. Это и провода, которым подключается усилитель, и специальные защищенные кронштейны, исключающие повреждение оболочки элемента и появление других нештатных ситуаций;
• импульсное напряжение конденсатора должно составлять 24 В. Это достаточный запас (соответствующий параметр работы бортовой сети составляет от 12 до 18 В), чтобы во время зарядки накопитель не перегревался;
• для резкой отдачи большой мощности, формирования больших токов, конденсатор обязан иметь мощные разъемы с толстыми подводами и большой площадью. Ответственные компании предлагают изделия с позолоченными контактами;
• огромным подспорьем, в том числе для удобства контроля состояния накопителя во время эксплуатации, выступают индикаторы заряда. Это может быть простейшая схема с рядом светодиодов или цифровое табло;
• если нужен накопитель, который можно просто подключать и рассчитывать на долговременную стабильную работу — рекомендуется покупать изделия, оснащенные системой контроля заряда и состояния. Такие модели обязательно комплектуются индикатором.

Последнее, но одно из главных, замечание: экономить на покупке электролитического конденсатора для сабвуфера не стоит. На специализированных форумах можно найти множество примеров, видео и фото разборки дешевых изделий. Они явно и точно показывают несоответствие реальных характеристик заявленным, а также описывают опасность использования подобного типа накопителей.

Перед покупкой электролитического конденсатора стоит обязательно поискать отзывы на специализированных ресурсах. Или — полистать рейтинги и ознакомиться с характеристиками подходящих изделий на сайте их производителей. Сегодня на массовом рынке предлагаются как электролитические конденсаторы, так и достаточно чувствительные к колебаниям температуры ионисторы.

Установка конденсатора в бортовую сеть, кроме сугубо утилитарных результатов в виде стабильной работы акустической системы, имеет еще несколько достоинств. В частности, сглаживаются броски тока при работе системы зажигания. Также, улучшается режим эксплуатации бортового генератора, так как он начинает меньше испытывать броски потребления. И самое главное: установленный конденсатор отлично помогает работе стартера зимой, отдавая мощность в общую сеть.

Как установить конденсатор?

Сложнее всего устанавливать простой конденсатор, не оснащенный системой контроля заряда. Пустой накопитель, подключаемый в сеть, в некоторых случаях может сжечь подключенный усилитель. Происходит следующее:

• пустой конденсатор с очень малым внутренним сопротивлением замыкает цепь;
• проходящие токи резко возрастают до максимума, зависящего от технических характеристик накопителя;
• токи в цепи падают по мере роста заряда накопителя.

Первичный скачок тока настолько высок, что подвергать усилитель и другие компоненты акустики такому испытанию явно не рекомендуется. Поэтому конденсатор без системы контроля заряда перед включением в бортовую систему заряжают. Для этого собирают простую схему.

Минусовая клемма конденсатора присоединяется к массе, корпусу автомобиля. К плюсовой припаивают стандартную лампу накаливания для машины, второй ее контакт соединяют с плюсовой клеммой аккумулятора. Минусовой отвод автомобильной батареи также коммутируют на массу, корпус.

При включении схемы происходит следующее: нить лампы рывком разогревается до максимума. По мере накопления заряда, светимость падает. Когда лампа гаснет полностью — это означает, что напряжение на конденсаторе сравнялось с аккумулятором, нет разницы потенциалов. Заряд накопителя полный, его аккуратно отсоединяют, не допуская замыкания контактов. Работать нужно в резиновых перчатках.

С накопителями, которые оснащены системой контроля заряда — можно не колдовать. Они включаются в общую цепь без предосторожностей. Встроенная электроника блокирует первичный скачок тока. Такое удобство накопителя компенсируется некоторым недостатком. Конденсатор может выдать ток, ограниченный параметром электронного блока контроля заряда. Это нужно учитывать при покупке устройства.

Топ 5 устройств 2019 года

На основании отзывов потребителей выбраны 5 лучших конденсаторов для сабвуфера, показывающих хорошие результаты и длительный срок службы. Среди них изделия известных брендов, пригодные для использования как начинающими, так и опытными инженерами автомобильных звуковых систем.

Что такое автомобильный конденсатор и зачем он нужен?

Под автомобильным конденсатором сегодня принято понимать электролитический конденсатор, подключенный к автомобильному усилителю звука (или непосредственно к магнитоле) параллельно питающим проводам. Но зачем он нужен?

2. Поддержка питания магнитолы при пиковых нагрузках, например, при проигрывании басов. Здесь возможны два варианта:
2.1. На аудиосистему приходит недостаточно мощности. Причины могут быть разные: севшая батарея, слабый генератор, провода питания недостаточной толщины и пр.

2.2. Мощности достаточно, но аккумулятор не успевает «отдать» требуемый ток. Как известно, при появлении потребителя, ток разряда АКБ устанавливается не мгновенно; и время его установки зависит от характеристик аккумулятора – в первую очередь от внутреннего сопротивления (если точнее, то от реактивной составляющей внутреннего сопротивления). И если внутреннее сопротивление АКБ велико, то при резком возрастании нагрузки требуемый ток она даст с некоторой задержкой, небольшой, но искажения звука в этот момент уже могут быть заметны.

Характеристики автомобильных конденсаторов.

ESR (Equivalent Series Resistance – Эквивалентное Последовательное Сопротивление) – параметр, определяющий максимальный ток разряда. Устанавливаемые в автомобильную аудиосистему конденсаторы должны иметь ESR не более 10 мОм. В принципе, под это требование подойдет любой электролитический конденсатор, но это не значит, что этот параметр можно игнорировать – по нему можно однозначно выяснить, ионистор перед вами или конденсатор. Особенно важно обратить внимание на ESR при выборе компактного конденсатора очень высокой (в десятки и сотни Фарад) емкости. И следует отнестись к нему с большим подозрением, если для него производителем ESR не указан.

Нелишне будет выяснить, есть ли у конденсатора зарядное устройство (зарядная схема), ограничивающая зарядный ток. Из-за низкого внутреннего сопротивления конденсатор во время зарядки берет ток, практический равный току короткого замыкания – это может повредить контакты цепи питания и расположенные «по дороге» электронные компоненты. Если зарядной схемы у конденсатора нет, первую его зарядку следует производить через нагрузку – например, через 12-вольтовую лампочку, подключив её последовательно к конденсатору.

Электролитический конденсатор

| Типы | Направляющая конденсатора

Что такое электролитические конденсаторы?

Электролитический конденсатор — это тип конденсатора, в котором используется электролит для достижения большей емкости, чем у конденсаторов других типов. Электролит — это жидкость или гель, содержащий высокую концентрацию ионов. Почти все электролитические конденсаторы поляризованы, а это означает, что напряжение на положительной клемме всегда должно быть больше, чем напряжение на отрицательной клемме.Преимущество большой емкости электролитических конденсаторов имеет также несколько недостатков. Среди этих недостатков — большие токи утечки, допуски по величине, эквивалентное последовательное сопротивление и ограниченный срок службы. Электролитические конденсаторы могут быть либо с жидким электролитом, либо с твердым полимером. Обычно они изготавливаются из тантала или алюминия, хотя могут использоваться и другие материалы. Суперконденсаторы — это особый подтип электролитических конденсаторов, также называемых двухслойными электролитическими конденсаторами, с емкостью в сотни и тысячи фарад.Эта статья будет основана на алюминиевых электролитических конденсаторах. Они имеют типичную емкость от 1 мкФ до 47 мФ и рабочее напряжение до нескольких сотен вольт постоянного тока. Алюминиевые электролитические конденсаторы используются во многих областях, таких как источники питания, материнские платы компьютеров и многие бытовые приборы. Поскольку они поляризованы, их можно использовать только в цепях постоянного тока.

Определение электролитического конденсатора

Электролитический конденсатор — это поляризованный конденсатор, в котором используется электролит для достижения большей емкости, чем у конденсаторов других типов.

Считывание значения емкости

В случае сквозных конденсаторов значение емкости, а также максимальное номинальное напряжение указаны на корпусе. Конденсатор, на котором напечатано «4,7 мкФ 25 В», имеет номинальное значение емкости 4,7 мкФ и максимальное номинальное напряжение 25 В, которое никогда не должно превышаться.

В случае электролитических конденсаторов SMD (поверхностного монтажа) существует два основных типа маркировки. В первой четко указано значение в микрофарадах и рабочее напряжение.Например, при таком подходе конденсатор 4,7 мкФ с рабочим напряжением 25 В будет иметь маркировку «4,7 25V. В другой системе маркировки за буквой следуют три цифры. Буква представляет номинальное напряжение в соответствии с таблицей ниже. Первые два числа представляют значение в пикофарадах, а третье число — количество нулей, добавляемых к первым двум. Например, конденсатор 4,7 мкФ с номинальным напряжением 25 В будет иметь маркировку E476. Это соответствует 47000000 пФ = 47000 нФ = 47 мкФ.

Письмо	Напряжение
e	2,5
г	4
Дж	6,3
А	10
К	16
Д	20
E	25
В	35
H	50

Характеристики

Дрейф емкости

Емкость электролитических конденсаторов с течением времени отклоняется от номинального значения, и они имеют большие допуски, обычно 20%.Это означает, что ожидается, что алюминиевый электролитический конденсатор с номинальной емкостью 47 мкФ будет иметь измеренное значение от 37,6 мкФ до 56,4 мкФ. Танталовые электролитические конденсаторы могут изготавливаться с более жесткими допусками, но их максимальное рабочее напряжение ниже, поэтому они не всегда могут использоваться в качестве прямой замены.

Полярность и безопасность

Из-за конструкции электролитических конденсаторов и характеристик используемого электролита электролитические конденсаторы должны иметь прямое смещение.Это означает, что положительный вывод всегда должен иметь более высокое напряжение, чем отрицательный вывод. Если конденсатор становится смещенным в обратном направлении (если полярность напряжения на выводах меняется на обратную), изолирующий оксид алюминия, который действует как диэлектрик, может быть поврежден и начать действовать как короткое замыкание между двумя выводами конденсатора. Это может вызвать перегрев конденсатора из-за протекающего через него большого тока. Когда конденсатор перегревается, электролит нагревается и протекает или даже испаряется, что приводит к взрыву корпуса.Этот процесс происходит при обратном напряжении около 1 В и выше. Для обеспечения безопасности и предотвращения взрыва корпуса из-за высокого давления, возникающего в условиях перегрева, в корпусе установлен предохранительный клапан. Обычно это делается путем нанесения царапины на верхней поверхности конденсатора, которая открывается контролируемым образом при перегреве конденсатора. Поскольку электролиты могут быть токсичными или едкими, могут потребоваться дополнительные меры безопасности при очистке и замене перегретого электролитического конденсатора.

Существует специальный тип электролитических конденсаторов для переменного тока, которые выдерживают обратную поляризацию. Этот тип называется неполяризованным или NP-типом.

Устройство и свойства электролитических конденсаторов

Алюминиевые электролитические конденсаторы состоят из двух алюминиевых фольг и бумажной прокладки, пропитанной электролитом. Одна из двух алюминиевых фольг покрыта оксидным слоем, и эта фольга действует как анод, а непокрытая фольга действует как катод.Во время нормальной работы анод должен находиться под положительным напряжением по отношению к катоду, поэтому катод чаще всего маркируется знаком минус вдоль корпуса конденсатора. Анод, бумага, пропитанная электролитом, и катод уложены друг на друга. Пакет сворачивается, помещается в цилиндрический корпус и соединяется со схемой с помощью штифтов. Есть две общие геометрии: осевая и радиальная. Осевые конденсаторы имеют по одному выводу на каждом конце цилиндра, в то время как в радиальной геометрии оба вывода расположены на одном конце цилиндра.

Электролитические конденсаторы имеют большую емкость, чем большинство других типов конденсаторов, обычно от 1 мкФ до 47 мФ. Существует особый тип электролитического конденсатора, называемый двухслойным конденсатором или суперконденсатором, емкость которого может достигать тысяч фарад. Емкость алюминиевого электролитического конденсатора определяется несколькими факторами, такими как площадь пластины и толщина электролита. Это означает, что конденсатор большой емкости является громоздким и большим по размеру.

Стоит отметить, что электролитические конденсаторы, изготовленные по старой технологии, не имели очень длительного срока хранения, обычно всего несколько месяцев. Если его не использовать, оксидный слой разрушается, и его необходимо восстанавливать в процессе, называемом риформингом конденсатора. Это можно сделать, подключив конденсатор к источнику напряжения через резистор и медленно увеличивая напряжение, пока оксидный слой не будет полностью восстановлен. Современные электролитические конденсаторы имеют срок хранения 2 года и более.Если конденсатор остается неполяризованным в течение длительного времени, его необходимо преобразовать перед использованием.

Применения для электролитических конденсаторов

Есть много приложений, в которых не требуются жесткие допуски и поляризация переменного тока, но требуются большие значения емкости. Они обычно используются в качестве фильтрующих устройств в различных источниках питания для уменьшения пульсаций напряжения. При использовании в импульсных источниках питания они часто являются критическим компонентом, ограничивающим срок службы источника питания, поэтому в этом приложении используются высококачественные конденсаторы.

Их также можно использовать при сглаживании входа и выхода в качестве фильтра нижних частот, если сигнал является сигналом постоянного тока со слабой составляющей переменного тока. Однако электролитические конденсаторы плохо работают с сигналами большой амплитуды и высокой частотой из-за мощности, рассеиваемой на паразитном внутреннем сопротивлении, называемом эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR). В таких приложениях необходимо использовать конденсаторы с низким ESR, чтобы уменьшить потери и избежать перегрева.

Практический пример — использование электролитических конденсаторов в качестве фильтров в усилителях звука, основная цель которых — уменьшить гудение в сети.Сетевой гул — это электрический шум 50 или 60 Гц, вызванный сетью, который будет слышен при усилении.

Электролитический конденсатор — Алюминиевый электролитический »Примечания по электронике

Электролитический конденсатор используется там, где требуются высокие уровни емкости, но для обеспечения долгой надежной службы он должен использоваться правильно и в пределах своих технических характеристик.

---

Capacitor Tutorial:
Использование конденсатора Типы конденсаторов Электролитический конденсатор Керамический конденсатор Танталовый конденсатор Пленочные конденсаторы Серебряный слюдяной конденсатор Супер конденсатор Конденсатор SMD Технические характеристики и параметры Как купить конденсаторы — подсказки и подсказки Коды и маркировка конденсаторов Таблица преобразования

---

Электролитический конденсатор — один из основных компонентов конденсаторной промышленности, который используется в огромных количествах как в качестве выводного устройства, так и для поверхностного монтажа.

Электролитический конденсатор является наиболее популярным типом выводных конденсаторов для значений более 1 мкФ, имея один из самых высоких уровней емкости для данного объема.

Алюминиевые электролитические конденсаторы используются в течение многих лет — таким образом, они стали постоянным компонентом во многих конструкциях.

Выбор алюминиевых электролитических конденсаторов с выводами

Электролитические конденсаторы широко используются в качестве компонентов с выводами, которые часто встречаются в приложениях от источников питания до аудиосистемы, где могут использоваться устройства с выводами.Первоначально алюминиевые электролитические конденсаторы не были популярны в формате технологии поверхностного монтажа из-за высокого уровня тепла, возникающего во время пайки, и они могли быть повреждены. В настоящее время широко используются электролитические конденсаторы для поверхностного монтажа, которые обеспечивают высокий уровень надежности.

Конденсатор электролитический ранней разработки

Электролитический конденсатор используется много лет. Его раннее развитие и историю можно проследить до самых первых дней радио, примерно в то время, когда делались первые развлекательные передачи.В то время клапанные беспроводные устройства были очень дорогими, и им приходилось работать от батареек. Однако с развитием клапана с косвенным нагревом или вакуумной трубки стало возможным использовать питание от сети переменного тока.

Хотя для нагревателей было нормально работать от источника переменного тока, анодное питание необходимо было выпрямить и сгладить, чтобы предотвратить появление сетевого гула в звуке. Чтобы иметь возможность использовать конденсатор не слишком большого размера, Джулиус Лилиенфилд, который активно участвовал в разработке беспроводных устройств для домашнего использования, смог разработать электролитический конденсатор, позволяющий использовать компонент с достаточно высокой емкостью, но разумного размера в беспроводные наборы дня.

Обозначения электролитических конденсаторов

Электролитический конденсатор представляет собой форму поляризованного конденсатора. Символ электролитической цепи указывает полярность, поскольку это важно для обеспечения того, чтобы конденсатор правильно вставлен в цепь и не имел обратного смещения.

Варианты обозначений схем, используемых для электролитических конденсаторов

Существует множество схематических обозначений, используемых для электролитических конденсаторов. Первая «1» — это версия, которая, как правило, используется в европейских принципиальных схемах, в то время как «2» используется во многих схемах США, а «3» можно увидеть на некоторых старых схемах.На некоторых схемах не печатается знак «+» рядом с символом, когда уже очевидно, какая пластина какая.

Технология электролитических конденсаторов

Как видно из названия, в электролитическом конденсаторе в качестве одной из пластин используется электролит (ионно-проводящая жидкость) для достижения большей емкости на единицу объема, чем в других типах.

Конденсаторы могут увеличивать емкость несколькими способами: увеличивая диэлектрическую проницаемость; увеличение площади поверхности электрода; и уменьшив расстояние между электродами.В электролитических конденсаторах используется высокая диэлектрическая проницаемость слоя оксида алюминия на пластине конденсатора, которая в среднем составляет от 7 до 8. Это больше, чем у других диэлектриков, таких как майлар с диэлектрической проницаемостью 3 и слюдой около 6-8.

В дополнение к этому, эффективная площадь поверхности конденсаторов увеличивается до 120 раз за счет придания шероховатости поверхности алюминиевой фольги высокой чистоты. Это один из ключей к созданию очень высоких уровней емкости.

Конструкция электролитического конденсатора

Конденсатор этого типа состоит из двух тонких пленок алюминиевой фольги, один из которых покрыт оксидным слоем в качестве изолятора. Использование алюминиевой фольги приводит к тому, что конденсатор часто называют алюминиевым электролитическим конденсатором.

Между ними помещается пропитанный электролитом бумажный лист, затем две пластины наматываются друг на друга и затем помещаются в емкость.

Внутренняя структура электролитического конденсатора

При производстве алюминиевого электролитического конденсатора одним из первых этапов является травление фольги, чтобы сделать ее более шероховатой, чтобы увеличить площадь поверхности и, следовательно, уровень емкости, который может быть получен в данной области.

Следующий процесс — формирование анода. Это влечет за собой химическое наращивание тонкого слоя оксида алюминия Al ₂ O ₃ на анодной фольге, что делает ее отличной от катода.

Сам конденсаторный элемент намотан на намоточном станке. Четыре отдельных слоя: сформированная анодная фольга; бумажный разделитель, катодная фольга; и бумажный разделитель все вносятся и наматываются вместе. Разделители бумаги предотвращают соприкосновение и короткое замыкание двух электродов.

Конструкция электролитического конденсатора

Когда узел намотан, он заклеивается лентой для предотвращения раскручивания.

После намотки конденсатора он пропитывается электролитом. Это можно сделать погружением в воду и под давлением.

Электролит, используемый в алюминиевых электролитических конденсаторах, представляет собой состав, разработанный для обеспечения требуемых свойств для конденсатора — номинального напряжения, диапазона рабочих температур и т.п. В основном он состоит из растворителя и соли (необходимой для обеспечения электропроводности). Обычные растворители включают этиленгликоль, а обычная соль включает борат аммония и другие соли аммония.

После этого конденсатор помещают в емкость, которая герметично закрывается для предотвращения испарения электролита.

Свойства электролитического конденсатора

Алюминиевые электролитические конденсаторы обеспечивают гораздо более высокий уровень емкости для данного объема, чем большинство керамических конденсаторов. Это означает, что дорогие электролитические конденсаторы могут быть относительно небольшими. Во многих случаях это значительное преимущество.

Конденсаторы электролитические поляризованные, т.е.е. они могут быть размещены в цепи только в одном направлении. Если они подключены неправильно, они могут быть повреждены, а в некоторых крайних случаях могут взорваться. Также следует соблюдать осторожность, чтобы не превышать номинальное рабочее напряжение. Обычно они должны эксплуатироваться значительно ниже этого значения.

Электролитический конденсатор имеет большой допуск. Обычно значение компонента может быть указано с допуском -50% + 100%. Несмотря на это, они широко используются в аудиоприложениях в качестве конденсаторов связи и в приложениях сглаживания для источников питания.Они плохо работают на высоких частотах и ​​обычно не используются для частот выше 50–100 кГц.

Электрические параметры электролитического конденсатора

При использовании электролитических конденсаторов существует ряд важных параметров, помимо базовой емкости и емкостного реактивного сопротивления. При проектировании схем с использованием электролитических конденсаторов необходимо учитывать эти дополнительные параметры для некоторых конструкций и учитывать их при использовании электролитических конденсаторов.

• Допуск: Электролитические конденсаторы имеют очень широкий допуск. Часто конденсаторы могут быть указаны как -20% и + 80%. Обычно это не проблема в таких приложениях, как развязка или сглаживание источника питания и т. Д. Однако их не следует использовать в схемах, где важно точное значение.
• ESR Эквивалентное последовательное сопротивление: Электролитические конденсаторы часто используются в цепях с относительно высокими уровнями тока.Также при некоторых обстоятельствах и ток, исходящий от них, должен иметь низкий импеданс источника, например, когда конденсатор используется в цепи источника питания в качестве накопительного конденсатора. В этих условиях необходимо проконсультироваться с техническими данными производителя, чтобы выяснить, будет ли выбранный электролитический конденсатор соответствовать требованиям схемы. Если ESR высокое, то он не сможет обеспечить необходимое количество тока в цепи без падения напряжения в результате ESR, которое будет рассматриваться как сопротивление источника.
• Частотная характеристика: Одна из проблем электролитических конденсаторов заключается в том, что они имеют ограниченную частотную характеристику. Было обнаружено, что их СОЭ возрастает с увеличением частоты, и это обычно ограничивает их использование частотами ниже примерно 100 кГц. Это особенно верно для больших конденсаторов, и даже на меньшие электролитические конденсаторы не следует полагаться на высоких частотах. Чтобы получить точные сведения, необходимо ознакомиться с данными производителя для данной детали.
• Утечка: Хотя электролитические конденсаторы имеют гораздо более высокие уровни емкости для данного объема, чем большинство других конденсаторных технологий, они также могут иметь более высокий уровень утечки. Это не проблема для большинства приложений, например, когда они используются в источниках питания. Однако в некоторых случаях они не подходят. Например, их не следует использовать во входной цепи операционного усилителя. Здесь даже небольшая утечка может вызвать проблемы из-за высокого входного импеданса операционного усилителя.Также стоит отметить, что в обратном направлении уровень утечки значительно выше.
• Ток пульсации: При использовании электролитических конденсаторов в сильноточных устройствах, таких как накопительный конденсатор источника питания, необходимо учитывать ток пульсаций, который может возникнуть. Конденсаторы имеют максимальный ток пульсаций, который они могут обеспечить. Выше этого они могут стать слишком горячими, что сократит их жизнь. В крайних случаях это может привести к выходу конденсатора из строя.Соответственно, необходимо рассчитать ожидаемый пульсирующий ток и убедиться, что он находится в пределах максимальных значений, установленных производителем.

Маркировка электролитического конденсатора

Для версий электролитических конденсаторов с выводами обычно есть место для размещения различных параметров на емкости. Маркировка обычно содержит информацию об их емкости, рабочем напряжении, диапазоне температур и, возможно, других параметрах.

Маркировка на алюминиевом электролитическом конденсаторе

Некоторые большие конденсаторы, предназначенные для сглаживания в источниках питания, также могут содержать дополнительную информацию.Одним из особенно важных параметров является пульсирующий ток. Если от конденсатора ожидается слишком большой ток, он может чрезмерно нагреться и выйти из строя.

Электролитический конденсатор с выводами с маркировкой

Место для конденсаторов SMD ограничено, поэтому детали ограничены и могут содержать только основную информацию.

Конденсаторы электролитические SMD

Электролитические конденсаторы в настоящее время все чаще используются в конструкциях, которые производятся с использованием технологии поверхностного монтажа, SMT.Их очень высокая емкость в сочетании с низкой стоимостью делает их особенно полезными во многих областях. Первоначально они не использовались в особо больших количествах, поскольку не выдерживали некоторых процессов пайки. Теперь улучшенная конструкция конденсатора вместе с использованием методов оплавления вместо пайки волной припоя позволяет более широко использовать электролитические конденсаторы в формате для поверхностного монтажа.

Часто устройства для поверхностного монтажа, SMD версии электролитических конденсаторов маркируются значением и рабочим напряжением.Используются два основных метода. Один — включить их значение в микрофарадах (мкФ), а другой — использовать код. При использовании первого метода маркировка 33 6V будет указывать на конденсатор емкостью 33 мкФ с рабочим напряжением 6 вольт. В альтернативной кодовой системе используется буква, за которой следуют три цифры. Буква указывает рабочее напряжение, как определено в таблице ниже, а три цифры указывают емкость в пикофарадах. Как и во многих других системах маркировки, первые две цифры обозначают значащие цифры, а третья — множитель.6 пикофарад. Это составляет 10 мкФ.

Коды напряжения электролитического конденсатора SMD
Письмо	Напряжение
e	2,5
г	4
Дж	6,3
А	10
К	16
Д	20
E	25
В	35
H	50

Срок службы алюминиевого электролитического конденсатора

Алюминиевые электролитические конденсаторы со временем разрушаются.Многие электролиты имеют вентиляционное отверстие для выхода избыточных газов. Эта утечка может привести к высыханию электролита и снижению производительности конденсатора.

Также, если алюминиевые электролитические конденсаторы оставить на несколько лет, оксидный слой на аноде может рассеяться. Когда это происходит, конденсатор необходимо переполяризовать. Это можно сделать, подав на конденсатор напряжение с ограничением по току. Первоначально ток утечки через конденсатор будет относительно высоким, а затем он будет падать по мере образования оксидного слоя.

Также разумно принять меры для продления срока службы конденсатора. Есть четыре золотых наконечника, которые увеличивают срок службы алюминиевого электролитического конденсатора:

• Работа в пределах допустимого напряжения: Всегда разумно запускать любой компонент с хорошим запасом ниже максимальных номиналов. Многие компании заявляют в своих правилах проектирования, что для электролитических конденсаторов они должны работать не более чем на 50% от своих максимальных номиналов, чтобы обеспечить оптимальную надежность.Если максимальные пределы превышены, то уровни тока утечки возрастут, и существует возможность локального пробоя, ведущего к взрывному отказу компонента.
• Соблюдайте его номинальный ток: Во многих случаях требуется электролитический конденсатор для обеспечения высокого уровня пульсаций тока. Этого следовало ожидать в таких приложениях, как использование в качестве сглаживающего конденсатора в источнике питания. Ii является обязательным условием, чтобы конденсатор мог выдерживать требуемый от него ток.Убедитесь, что конденсатор работает в пределах допустимого тока и не нагревается во время работы.
• Никогда не смещайте конденсатор в обратном направлении: При работе с обратным смещением уровни утечки будут намного выше, чем в прямом направлении. Опять же, это может привести к катастрофической поломке и поломке.
• Сохраняйте низкие температуры: Тепло сокращает срок службы любого алюминиевого электролитического конденсатора. Хорошее практическое правило состоит в том, что каждые 10 ° C свыше 85 ° C сокращают ожидаемый срок службы компонента вдвое.

Несмотря на то, что у алюминиевых электролитических конденсаторов есть ожидаемый срок службы, он может быть увеличен до максимума, если следовать этим правилам и эксплуатироваться в пределах своих номиналов.

Риформинг алюминиевых электролитических конденсаторов

Может потребоваться переформировать электролитические конденсаторы, которые не использовались в течение шести или более месяцев. Электролитическое действие приводит к удалению оксидного слоя с анода, и его необходимо повторно формировать. В этих обстоятельствах нецелесообразно прикладывать полное напряжение, поскольку ток утечки будет высоким и может привести к рассеиванию большого количества тепла в конденсаторе, что в некоторых случаях может привести к его разрушению.

Для преобразования конденсатора нормальный метод заключается в подаче рабочего напряжения на конденсатор через резистор около 1,5 кОм или, возможно, меньше для конденсаторов с более низким напряжением. (Обратите внимание, убедитесь, что он имеет достаточную номинальную мощность для работы с рассматриваемым конденсатором). Его следует применять в течение часа или более, пока ток утечки не упадет до приемлемого значения, а напряжение непосредственно на конденсаторе не достигнет приложенного значения, то есть фактически через резистор не будет протекать ток.Затем это напряжение следует продолжать прикладывать еще в течение часа. Затем конденсатор можно медленно разрядить через подходящий резистор, чтобы оставшийся заряд не вызвал повреждений. После преобразования будьте осторожны при использовании конденсатора, чтобы убедиться, что он полностью преобразован и может правильно работать.

Обзор электролитических конденсаторов

Алюминиевый электролитический конденсатор Сводка
Параметр	Детали
Типичные диапазоны емкости	от 1 мкФ до 47 000 мкФ
Номинальное напряжение	Примерно с 2.5В и выше — некоторые специализированные могут иметь напряжение от 350В и выше.
Преимущества	Высокая емкость на единицу объема по сравнению с большинством других типов, относительно дешевый по сравнению с другими типами аналогичного значения.
Недостатки	Высокие токи утечки, большие допуски по значениям, плохое эквивалентное последовательное сопротивление; ограниченный срок службы.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы ВЧ разъемы Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

Характеристики, типы и функции электролитических конденсаторов

Внутри электролитического конденсатора находится материал электролита, который накапливает электрический заряд. Он имеет положительную и отрицательную полярность, аналогичную батарее, и не может быть поменять местами. Положительный электрод представляет собой металлическую подложку с оксидной пленкой. Отрицательный электрод соединен с электролитом (твердым и нетвердым) через металлическую пластину электрода.

Неполярные (биполярные) электролитические конденсаторы имеют структуру двойной оксидной пленки, которая аналогична двум полярным электролитическим конденсаторам, которые образуются путем соединения двух отрицательных электродов.Их два электрода представляют собой две металлические пластины (оба с оксидной пленкой). Это электролит в середине двух наборов оксидных пленок. Поляризованные электролитические конденсаторы обычно выполняют фильтрацию мощности, развязку, связь сигналов и настройку постоянной времени, а также блокировку постоянного тока в силовых цепях или промежуточных и низкочастотных цепях. Неполярные электролитические конденсаторы обычно используются в схемах делителя звуковой частоты, схемах коррекции TVS и схемах стартера для однофазных двигателей.

Каталог

I Характеристики

1. Рабочее напряжение

Рисунок 1. электролитический конденсатор

Рабочее напряжение электролитических конденсаторов составляет 4 В, 6,3 В, 10 В, 16 В, 25 В, 35 В, 50 В, 63 В, 80 В, 100 В, 160 В, 200 В, 300 В, 400 В, 450 В, 500 В, а рабочая температура составляет — 55 ° ~ + 155 ° C (4 ~ 500 В). Он отличается большой емкостью, большим объемом и полярностью. Обычно он используется для фильтрации и выпрямления в цепях постоянного тока. В настоящее время наиболее часто используемые электролитические конденсаторы — это алюминиевые электролитические конденсаторы и танталовые электролитические конденсаторы.

2. Номинальная емкость и допустимое отклонение

Номинальная емкость — это емкость, указанная на конденсаторе. Базовая единица измерения конденсаторов — фарад (Ф), но эта единица слишком велика и редко используется для маркировки полей.

Связь между другими блоками следующая:

1F = 1000 мФ

1 мФ = 1000 мкФ

1 мкФ = 1000 нФ

1 нФ = 1000 пФ

Отклонение между фактической емкостью конденсатора и номинальной емкостью называется допуском. , а точность находится в пределах допустимого диапазона отклонений.

Соответствие между уровнем точности и допустимым допуском: 00 (01) — ± 1%, 0 (02) — ± 2%, Ⅰ- ± 5%, Ⅱ- ± 10%, Ⅲ- ± 20%, Ⅳ — (+ 20% -10%), Ⅴ — (+ 50% -20%), Ⅵ — (+ 50% -30%)

Конденсаторы общего назначения обычно Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ класса , электролитические конденсаторы Ⅳ, Ⅴ , Ⅵ марка , подобранная по назначению.

3. Номинальное напряжение

Максимальное эффективное значение максимального напряжения постоянного тока , которое может непрерывно прикладываться к конденсатору при минимальной температуре окружающей среды и номинальной температуре окружающей среды, обычно указывается непосредственно на корпусе конденсатора.Если рабочее напряжение превышает выдерживаемое напряжение конденсатора, конденсатор выйдет из строя, что приведет к необратимым повреждениям, которые невозможно отремонтировать.

4. Сопротивление изоляции

К конденсатору добавляется постоянное напряжение и генерируется ток утечки. Соотношение между ними называется , сопротивление изоляции .

Когда емкость мала, она в основном зависит от состояния поверхности конденсатора. Когда емкость> 0.1 мкФ, это в основном зависит от характеристик диэлектрика. Чем больше сопротивление изоляции, тем лучше.

Постоянная времени конденсатора: для правильной оценки изоляции конденсаторов большой емкости вводится постоянная времени, которая равна произведению сопротивления изоляции конденсатора на емкость.

5. Потери

Под действием электрического поля энергия , потребляемая конденсатором из-за нагрева за единицу времени, называется потерей .Для всех типов конденсаторов указаны допустимые потери в определенном диапазоне частот. Потери конденсаторов в основном вызваны диэлектрическими потерями, потерей проводимости и сопротивлением всех металлических частей конденсатора.

Под действием постоянного электрического поля потери в конденсаторе проявляются в виде потерь от утечки, которые обычно невелики. Под действием переменного электрического поля потери конденсатора связаны не только с проводимостью утечки, но и с периодическим процессом установления поляризации.

II Алюминиевые электролитические конденсаторы

1. Структурные характеристики алюминиевых электролитических конденсаторов:

Алюминиевый корпус и пластиковая крышка герметизированы, образуя электролитический конденсатор. По сравнению с другими типами конденсаторов, алюминиевые электролитические конденсаторы имеют следующие очевидные характеристики по структуре:

(1) Рабочей средой алюминиевых электролитических конденсаторов является создание тонкого слоя оксида алюминия (Al2O3) на поверхности алюминиевой фольги. путем анодирования.Этот оксидный диэлектрический слой и анод конденсатора объединены в целостную систему. Они взаимозависимы и не могут быть независимыми друг от друга; конденсаторы и диэлектрики того, что мы обычно называем конденсаторами, не зависят друг от друга.

(2) Анод алюминиевого электролитического конденсатора представляет собой алюминиевую фольгу , которая создает диэлектрический слой Al2O3 на поверхности. Катод — это не отрицательная фольга, о которой мы обычно думаем, а электролитический раствор конденсатора.

(3) Отрицательная фольга играет роль электрического извлечения в электролитическом конденсаторе, потому что электролит, используемый в качестве катода электролитического конденсатора, не может быть напрямую подключен к внешней цепи, и электрический путь должен быть сформирован через другой металлический электрод. и другие части схемы.

(4) Анодная алюминиевая фольга и катодная алюминиевая фольга алюминиевых электролитических конденсаторов обычно представляют собой корродированную алюминиевую фольгу , и фактическая площадь поверхности намного больше, чем их кажущаяся площадь поверхности.Это одна из причин, по которой алюминиевые электролитические конденсаторы обычно имеют большую емкость. Из-за использования алюминиевой фольги с многочисленными микротравленными отверстиями обычно требуется жидкий электролит, чтобы более эффективно использовать фактическую площадь электрода.

(5) Так как диэлектрическая оксидная пленка алюминиевого электролитического конденсатора получается путем анодирования и ее толщина пропорциональна напряжению, приложенному при анодировании, в принципе, толщина диэлектрического слоя алюминиевого электролитического конденсатора может быть искусственно изменена. и точно контролируется.

Рисунок 2. внутренняя структура алюминиевого электролитического конденсатора

Как показано на рисунке, положительный электрод и отрицательный электрод намотаны согласно их центральным осям, образуя сердечник алюминиевого электролитического конденсатора. Сердечник помещен в алюминиевый корпус для упаковки алюминиевого электролитического конденсатора. Чтобы раствор электролита не протекал и не высыхал, горловина алюминиевого корпуса корпуса электролитического конденсатора закрыта резиновой заглушкой.Чтобы получить большую емкость и небольшой объем, поверхность положительной алюминиевой фольги химически травится, чтобы образовалась неровная поверхность, что увеличивает площадь поверхности электрода, тем самым увеличивая емкость.

Причина, по которой алюминиевые электролитические конденсаторы имеют полярность , заключается в том, что пленка оксида алюминия на пластине положительного электрода имеет однонаправленную проводимость. Только когда положительный электрод конденсатора подключен к положительному электроду источника питания, а отрицательный электрод подключен к отрицательному электроду источника питания, пленка оксида алюминия может служить изолирующей средой.Если полярность алюминиевого электролитического конденсатора меняется на обратную, пленка оксида алюминия становится проводником, и электролитический конденсатор не только не работает, но и вызывает прохождение большого тока, вызывая повреждение конденсатора. Чтобы предотвратить случайный взрыв алюминиевых электролитических конденсаторов во время использования, механические канавки канавочного типа обычно вдавливаются на торце алюминиевого корпуса. Как только внутреннее давление электролитического конденсатора станет слишком высоким, канавки слабых звеньев потрескаются и сбросят давление.Взрывобезопасный.

Хотя алюминиевые электролитические конденсаторы имеют полярность, если в конструкции и технологии используется новый метод, можно также изготавливать неполярные электролитические конденсаторы.

2. Преимущества алюминиевых электролитических конденсаторов

По сравнению с другими типами конденсаторов преимущества алюминиевых электролитических конденсаторов проявляются в следующих аспектах:

(1) Емкость на единицу объема особенно велика. Чем ниже рабочее напряжение, тем заметнее эта особенность.Поэтому он особенно подходит для миниатюризации и большой емкости конденсаторов. Например, удельная емкость низковольтного алюминиевого электролитического конденсатора большой емкости CD26 составляет около 300 мкФ / см3, а удельная емкость других низковольтных керамических конденсаторов микросхемы, которые также характеризуются миниатюризацией, обычно не превышает 2 мкФ / см3.

(2) Алюминиевые электролитические конденсаторы обладают характеристиками «самовосстановления» в процессе работы. Так называемая характеристика «самовосстановления» означает, что дефекты или дефекты диэлектрической оксидной пленки могут быть устранены в любой момент во время рабочего процесса конденсатора, восстанавливая изоляционную способность, которой он должен обладать, и избегая лавинообразного пробоя диэлектрика.

(3) Диэлектрическая оксидная пленка алюминиевых электролитических конденсаторов выдерживает очень высокую напряженность электрического поля. Во время работы алюминиевых электролитических конденсаторов напряженность электрического поля диэлектрической оксидной пленки составляет около 600 кВ / мм, что более чем в 30 раз больше, чем у бумажных диэлектрических конденсаторов.

(4) Может быть получена высокая электростатическая емкость. Низковольтные алюминиевые электролитические конденсаторы могут легко получить электростатические емкости в тысячи или даже десятки тысяч микрофарад.Как правило, электролитические конденсаторы можно использовать только в качестве конденсаторов для фильтрации мощности, байпаса переменного тока и других целей.

3. Недостатки алюминиевых электролитических конденсаторов

(1) Плохая изоляция. Можно сказать, что алюминиевые электролитические конденсаторы имеют худшие изоляционные характеристики среди всех типов конденсаторов. Для алюминиевых электролитических конденсаторов ток утечки обычно используется для характеристики их изоляционных свойств. Ток утечки алюминиевых электролитических конденсаторов высокого напряжения и большой емкости может достигать менее 1 мА.

(2) Коэффициент потерь велик. DF низковольтного алюминиевого электролитического конденсатора обычно превышает 10%.

(3) Плохие температурные и частотные характеристики алюминиевых электролитических конденсаторов.

(4) Алюминиевые электролитические конденсаторы имеют полярность. При использовании в электронных схемах анод алюминиевого электролитического конденсатора должен быть подключен к точке с высоким потенциалом в цепи, а катод — к точке с низким потенциалом, чтобы нормально выполнять свою электрическую функцию.Если соединение поменять местами, ток утечки конденсатора резко возрастет, а сердечник будет сильно нагреваться, что приведет к выходу конденсатора из строя, а также может взорваться и повредить другие компоненты на печатной плате.

(5) Существует определенный верхний предел рабочего напряжения. Согласно специальному методу создания диэлектрической оксидной пленки алюминиевого электролитического конденсатора ее максимальное рабочее напряжение обычно составляет 500 В, а потенциал ее развития очень ограничен.Для других нехимических конденсаторов, если толщина диэлектрика должным образом увеличена, теоретическое рабочее напряжение может достигать любого верхнего предела.

(6) Рабочие характеристики алюминиевых электролитических конденсаторов могут ухудшиться. При использовании алюминиевых электролитических конденсаторов, которые хранились в течение длительного времени, номинальное рабочее напряжение не должно применяться внезапно, а должно постепенно повышаться до номинального напряжения.

(7) Поскольку в традиционном алюминиевом электролитическом конденсаторе в качестве катода используется раствор электролита, при формировании кристалла возникает большое препятствие.Процесс формирования микросхем отстает от керамических конденсаторов и металлизированных пленочных конденсаторов.

III Использование электролитических конденсаторов

1. Блокировка постоянного тока : Предотвращение прохождения постоянного тока и прохождения переменного тока стрелкой.

2. Байпас (развязка) : Обеспечивает путь с низким сопротивлением для некоторых параллельно включенных компонентов в цепи переменного тока.

3. Соединение : как соединение между двумя цепями, позволяющее сигналам переменного тока проходить и передавать их на схему следующего уровня

4. Фильтрация : Это очень важно для DIY. Этой функцией обладают конденсаторы видеокарты.

5. Температурная компенсация n: Чтобы компенсировать влияние неадекватной температурной адаптации других компонентов, выполняется компенсация для повышения стабильности цепи.

6. Время : Конденсатор и резистор используются вместе для определения постоянной времени цепи. Постоянная времени t = RC.

7. Tuning : Системная настройка частотно-зависимых цепей, таких как мобильные телефоны, радио и телевизоры.

8. Выпрямление : переключающий элемент с полузамкнутым проводом включается или выключается в заданное время.

9. Накопитель энергии : Накапливает электрическую энергию для высвобождения при необходимости, например, вспышку камеры, нагревательное оборудование и т. Д.

IV Типы электролитических конденсаторов

Согласно анализу и статистике, типы корпусов электролитических конденсаторов в основном делятся на следующие 10 категорий:

1. Разделены на три категории в соответствии со структурой : конденсаторы постоянной емкости, конденсаторы переменной емкости и подстроечные конденсаторы.

2. Классифицируется по электролиту : конденсаторы с органическим диэлектриком, конденсаторы с неорганическим диэлектриком, электролитические конденсаторы, конденсаторы электрического нагрева и конденсаторы с воздушным диэлектриком.

3. Согласно цели — это высокочастотный байпас, низкочастотный байпас, фильтрация, настройка, высокочастотная связь, низкочастотная связь, малые конденсаторы.

4. Согласно производственным материалам его можно разделить на керамические конденсаторы, полиэфирные конденсаторы, электролитические конденсаторы, танталовые конденсаторы и современные полипропиленовые конденсаторы.

5. Высокочастотный байпас : керамические конденсаторы, слюдяные конденсаторы, стеклянные пленочные конденсаторы, полиэфирные конденсаторы, конденсаторы стеклянной глазури.

6. Низкочастотный байпас : бумажные диэлектрические конденсаторы, керамические конденсаторы, алюминиевые электролитические конденсаторы, полиэфирные конденсаторы.

7. фильтрующий : алюминиевые электролитические конденсаторы, бумажные конденсаторы, композитные бумажные конденсаторы, жидкие танталовые конденсаторы.

8. Tuning : керамические конденсаторы, слюдяные конденсаторы, стеклопленочные конденсаторы, полистирольные конденсаторы.

9. Низкая связь : бумажные диэлектрические конденсаторы, керамические конденсаторы, алюминиевые электролитические конденсаторы, полиэфирные конденсаторы, твердотельные танталовые конденсаторы.

10. Малогабаритные конденсаторы : конденсаторы из металлизированной бумаги, керамические конденсаторы, алюминиевые электролитические конденсаторы, конденсаторы из полистирола, твердотельные танталовые конденсаторы, конденсаторы из стеклянной глазури, конденсаторы из металлизированного полиэстера, полипропиленовые конденсаторы, слюдяные конденсаторы.

В Дискриминация полярности электролитических конденсаторов

Рисунок 3.мультиметр

Если вы не знаете полярность электролитических конденсаторов, электрический барьер мультиметра можно использовать для измерения полярности электролитических конденсаторов. При измерении лучше всего использовать шестерню R * 100 или R * 1K.

Мы знаем, что только когда положительный конец электролитического конденсатора подключен к положительному источнику питания (черный измерительный провод, когда электрически заблокирован), а отрицательный конец подключен к отрицательному источнику питания (красный измерительный провод при электрическом блокировании), ток утечки электролитического конденсатора небольшой (большое сопротивление утечки).Напротив, ток утечки электролитического конденсатора увеличивается (уменьшается сопротивление утечки).

При измерении сначала предположите, что определенный «+» полюс подключен к черному щупу мультиметра, а другой электрод подключен к красному щупу мультиметра. Обратите внимание на шкалу остановки нижней стрелки (значение левой стрелки большое), а затем конденсатор был разряжен (оба контакта соприкасались), два измерительных провода были перевернуты, и измерение было повторено.В двух измерениях, когда в последний раз стрелка счетчика оставалась слева (большое значение сопротивления), черный измерительный провод был подключен к положительному электроду электролитического конденсатора.

Рекомендуемый артикул:

Обзор суперконденсаторов

Основные сведения о типах конденсаторов

Что такое электролитические конденсаторы? Материалы и применение

Конденсаторы бывают разных форм и размеров, но почти все они работают одинаково.

Эти компоненты, разделенные диэлектрическим материалом, действуют как пара поверхностей, которые притягивают и отталкивают электрические заряды. В простейшем случае они представляют собой пару плоских проводящих поверхностей, разделенных воздухом или пластиком. Мы выражаем основное уравнение эффективности конденсатора следующим образом:

C = ε A / d

В этом уравнении емкость ( C ) = диэлектрическая проницаемость ( ε ), умноженная на площадь поверхности ( A ), деленная на расстояние между параллельными пластинами ( d ).

Что такое электролитический конденсатор?

Чем больше площадь поверхности и короче расстояние между анодом и катодом, тем больше будет емкость компонента. В то время как традиционная конструкция конденсаторов значительно улучшилась за последнее столетие, в электролитических конденсаторах идея тонкого диэлектрика и большого объема поверхности доведена до крайности. Вместо того, чтобы пытаться сформировать тонкий диэлектрический барьер с помощью механических средств, этот тип компонента образует диэлектрик непосредственно на аноде за счет окисления, также известного как ржавчина.

Тщательный контроль процесса окисления приводит к получению чрезвычайно тонкого диэлектрика, что позволяет использовать низкое значение для «d» в основном уравнении конденсатора. Окисление позволяет иметь очень большую площадь поверхности «А» по ​​сравнению с объемом компонента. Чтобы контактировать с этой неоднородной поверхностью, сконструируйте катод, используя либо раствор электролита, либо процесс, посредством которого обычно твердый материал может заполнять эти крошечные поверхности. Электролитические конденсаторы поляризованы, а это означает, что подключение выводов с ориентацией напряжения, противоположной предполагаемой, может быстро разрушить их емкостные свойства.

Алюминиевые электролитические конденсаторы

Электролитические конденсаторы обычно изготавливаются из одного из трех различных материалов: алюминия, тантала и ниобия. Алюминий является одним из трех металлов, используемых производителями для электролитических конденсаторов по нескольким причинам:

-Алюминий действует как так называемый «вентильный» металл, где положительное напряжение в электролитической ванне позволяет ему образовывать тонкий оксидный слой, который действует как диэлектрик.

-Алюминиевый анод изготовлен из чистой алюминиевой фольги, которая может образовывать множество емкостных слоев.Наряду с этим наслоением вы можете протравить алюминий, образуя шероховатую поверхность для образования оксида, увеличивая эффективную площадь поверхности до 200 раз по сравнению с плоской поверхностью.

-Алюминиевые конденсаторы могут также действовать как твердый компонент, используя диоксид марганца или полимер для образования твердого катода вместо жидкого электролитического раствора.

Конденсаторы электролитические танталовые

Устройства поверхностного монтажа (SMD) для использования в вычислительных приложениях составляют большинство производимых сегодня танталовых конденсаторов.К преимуществам танталовых конденсаторов для производителей относятся:

-Тантал проявляет многие из тех же свойств, что и алюминий, наиболее важно то, что вы можете окислить его, чтобы сформировать тонкий диэлектрический слой.

— В отличие от алюминия, танталовый конденсатор не создается путем травления слоев анодов и их скатывания с катодными слоями. Вместо этого вы прижимаете танталовый порошок к токопроводящей проволоке и спекаете его. Оксид образуется на поверхности и внутри полостей внутри этого комбинированного материала.Как и процесс травления алюминия, это позволяет получить очень большую площадь поверхности и, следовательно, большую емкость по сравнению с его объемом.

-Тантал имеет значительно более высокую диэлектрическую проницаемость, чем алюминий, и немного более низкое напряжение пробоя.

-Танталовые конденсаторы используются в приложениях, требующих исключительно высокого качества, например, в военных, медицинских и космических компонентах.

К сожалению, тантал — относительно редкий материал, а это означает, что эти компоненты обычно дороже, чем изготовленные из алюминия.

Конденсаторы электролитические ниобиевые

Ниобий имеет несколько общих свойств с танталом и чаще встречается в природе. Хотя это может показаться отличной заменой дорогим танталовым конденсаторам, только Советский Союз проводил серьезные исследования технологий производства конденсаторов на основе ниобия до 1990-х годов. Мы заметили увеличение количества ниобиевых конденсаторов, потому что:

— Скачок цен на тантал в начале 2000-х годов помог стимулировать использование ниобия на Западе.

— Как и танталовые конденсаторы, ниобиевые аноды включают массу материала, образованного вокруг проводника. Этот пористый материал подвергается окислению с образованием диэлектрика. Добавьте раствор электролита или твердый материал, который будет действовать как катод, и в результате получится готовый конденсатор.

-Диэлектрики на основе ниобия обладают более высокой относительной диэлектрической проницаемостью, чем танталовые компоненты, но требуют увеличенной толщины диэлектрика для данного номинального напряжения.

Электролитические конденсаторы — это только один из используемых сегодня конденсаторов.Чтобы получить представление о конденсаторах в целом, обязательно ознакомьтесь с этой статьей, посвященной основам работы с конденсаторами. Если вы хотите на практике продемонстрировать, как работает емкость, ознакомьтесь с нашими инструкциями по созданию собственного переменного конденсатора.

Энциклопедия электрохимии — Электролитические конденсаторы

Вернуться к: Домашняя страница энциклопедии — Содержание — Именной указатель — Предметный указатель — Поиск — Словарь — Домашняя страница ESTIR — Домашняя страница ECS КОНДЕНСАТОРЫ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЕ Сэм Парлер Cornell Dubilier Electronics, Inc. 140 Technology Place Liberty, SC 29657, USA Эл. Почта: [email protected] (март 2005 г.) Рис. «на аноде и катоде наводят заряды» Q «на диэлектрике. Конденсаторы не только заряжают, но и накапливают энергию. Эти заряды обычно хранятся на проводящих пластинах: положительно заряженной пластине, называемой анодом, и отрицательно заряженной пластине, называемой катодом (рис. 1).Чтобы заряды были разделены, среда между анодом и катодом, называемая диэлектриком , должна быть непроводящей — это электрический изолятор. Анод и катод сконфигурированы таким образом, что между ними происходит очень небольшое движение, когда они заряжаются, и сила, действующая на диэлектрик, увеличивается. По мере увеличения накопленного заряда электрическое поле на диэлектрике увеличивается. В этой ситуации возникает напряжение, которое увеличивается пропорционально заряду. Отношение величины заряда на каждой пластине к электрическому потенциалу (напряжению) между пластинами называется емкостью.Энергия, запасенная в конденсаторе, — это энергия, необходимая для перемещения накопленного заряда через потенциал конденсатора. Емкость устройства в основном зависит от геометрии пластины и природы диэлектрика. Он прямо пропорционален «диэлектрической проницаемости» (таблица I) и обратно пропорционален толщине диэлектрика. См. Приложение для более подробной информации. По мере увеличения заряда и напряжения на данном конденсаторе в какой-то момент диэлектрик больше не сможет изолировать заряды друг от друга.Затем диэлектрик демонстрирует пробой диэлектрика или высокую проводимость в некоторых областях, что приводит к снижению накопленной энергии и заряда, генерируя внутреннее тепло. Это явление, нежелательное для большинства конденсаторных применений, возникает при напряжении пробоя конденсатора. В таких ситуациях может произойти повреждение или разрушение конденсатора. Обычно характеристики пробоя диэлектриков выражаются как максимальная напряженность поля, которая в основном представляет собой отношение приложенного напряжения к толщине диэлектрика. Массовая плотность энергии конденсатора — это отношение количества энергии, которое конденсатор может хранить при рабочем напряжении, к массе конденсатора, включая корпус.Рабочее напряжение конденсатора определяется как максимальное номинальное напряжение для данного приложения. Рабочее напряжение обычно меньше напряжения пробоя. Исключение из этого правила может иметь место, если переходное пиковое напряжение может превышать установившееся напряжение пробоя. Объемная плотность энергии конденсатора определяется как отношение запасенной энергии к объему конденсатора, включая корпус. Первый конденсатор был изобретен в 1745 году Питером ван Мушенбруком, физиком и математиком из Лейдена, Нидерланды (и назывался Leyden jar ).Это была простая стеклянная банка, покрытая изнутри и снаружи металлической фольгой. Уильям Дубилье изобрел слюдяной конденсатор примерно в 1910 году. Конденсаторы электролитические Электролитические конденсаторы — это конденсаторы, в которых одна или обе «пластины» представляют собой неметаллическое проводящее вещество, электролит. Электролиты имеют более низкую проводимость, чем металлы, поэтому используются в конденсаторах только тогда, когда металлическая пластина нецелесообразна, например, когда поверхность диэлектрика хрупкая или шероховатая по форме или когда требуется ионный ток для поддержания диэлектрической целостности.Диэлектрический материал электролитических конденсаторов производится из самого анодного металла в процессе так называемого формования (или процесса анодирования . Во время этого процесса ток течет от анодного металла, который должен быть вентильным металлом, таким как алюминий, ниобий, тантал, титан или кремний — через токопроводящую ванну со специальным формирующим электролитом к ванне катода. Протекание тока заставляет изолирующий оксид металла вырастать из и в поверхность анода. Толщина, структура и состав анода. изоляционный слой определяет его электрическую прочность.Приложенный потенциал между анодным металлом и катодом ванны должен быть выше напряжения пробоя оксида, прежде чем будет протекать значительный ток. По мере протекания тока прочность пробоя (сформированное напряжение) и толщина оксида увеличиваются. См. Рисунок 2 для сравнения электростатических (классических) и электролитических конденсаторов. «Электролитические конденсаторы» сильно отличаются от «электрохимических конденсаторов » (также называемых ультраконденсаторами), работа которых основана на емкости двойного электрического слоя, и не следует путать их с ними. Рис. 2. Сравнение электростатических и электролитических конденсаторов. Реакцию электролиза исследовал Майкл Фарадей в 1700-х годах. Было обнаружено, что существует взаимосвязь между потоком заряда через систему и количеством продукта (в данном случае оксида металла). Фарадей отметил взаимосвязь между грамм-эквивалентами продукта и переносом заряда для всех идеальных (стехиометрических) реакций электролиза в том, что теперь известно как закон Фарадея.Отклонения от этого соотношения существуют для процесса образования оксидов на анодных металлах, поскольку некоторые оксиды могут быть выращены химическим и термическим способом для снижения потребности в электроэнергии в процессе формирования, что может стоить несколько долларов за килограмм произведенного анода. Также во время процесса образования могут иметь место некоторые нежелательные побочные реакции, которые не способствуют образованию оксидов. В процессе формирования хрупкий оксид металла нарастает на металлической фольге, которая обычно имеет шероховатую форму.Таким образом, анодный металл находится в тесном контакте с одной стороной оксидного диэлектрика. Электролит используется для обеспечения контакта между другой стороной оксида и катодной пластиной. Преимуществом электролитических конденсаторов является высокая емкость на единицу объема и на единицу стоимости. Высокая емкость возникает из-за высокой диэлектрической проницаемости, высокой напряженности поля пробоя, шероховатости поверхности и чрезвычайно малой однородной толщины анодно сформированного металлического оксида. Причина, по которой электролитические конденсаторы имеют такое равномерное диэлектрическое напряжение и могут работать при такой высокой напряженности поля, в пределах 80% от их пробивной силы, порядка 1000 вольт / мкм, объясняется двумя причинами.Во-первых, исходный процесс анодирования («формирование») выполняется при фиксированном напряжении, и диэлектрик повсюду растет до любой толщины, необходимой для поддержания этого напряжения. Во-вторых, как только фольга оказывается в конденсаторе, конденсатор «заполняет» электролит продолжает работу по восстановлению исходного электролита, восстанавливая и локально утолщая диэлектрик по мере необходимости. Этот процесс восстановления управляется постоянным током утечки конденсатора, который возникает всякий раз, когда на конденсатор подается постоянное напряжение, то есть всякий раз, когда он находится в работе.Фактически, электролитические конденсаторы часто служат дольше, когда они находятся в непрерывном, щадящем использовании, когда они только кратковременно заряжаются каждый год или десятилетие. Недостатком электролитических конденсаторов являются неидеальные характеристики потерь, которые возникают из-за свойств полупроводникового оксида, эффекты двойного слоя из области зарядового пространства электролита-оксида, резистивные потери из-за высокого удельного сопротивления электролита, спад частотной характеристики из-за шероховатости поверхностного оксида и конечный срок службы конденсатора из-за пробоя и деградации электролита.Некоторые из этих соображений будут рассмотрены ниже более подробно с точки зрения алюминиевого электролитического конденсатора. Кроме того, диэлектрик из анодного оксида полярен, как и электролитические конденсаторы (в отличие от классических электростатических конденсаторов), то есть конденсаторы должны быть подключены с соблюдением полярности, как указано на маркировке. Соединение с обратным напряжением легко вводит ионы водорода через оксид, вызывая высокую электропроводность, нагрев и восстановление анодной оксидной пленки.Неполярные (или биполярные) устройства могут быть изготовлены с использованием двух анодов вместо анода и катода, или можно соединить положительные или отрицательные стороны двух идентичных устройств вместе, тогда два других терминала будут образовывать неполярный устройство. В большинстве электролитических конденсаторов используются алюминиевые электроды, но также используются тантал и ниобий. Алюминиевый анод самый дешевый — 0,04 доллара за грамм. Таким образом, он используется в больших (даже больше одного литра!) И маленьких (крошечных поверхностных) конденсаторах.Танталовый анодный материал стоит более 2,00 долларов за грамм, но обеспечивает высокую стабильность, большую емкость (в четыре раза больше, чем у алюминия), более низкое сопротивление (до 90% ниже) на размер. Он доступен в виде небольших блоков (обычно менее 5 см 3 ) и для поверхностного монтажа. Анодный порошок ниобия стоит менее 1 доллара за грамм, намного дешевле и доступнее, чем тантал, но все же намного дороже, чем алюминий. Емкость намного больше, чем у алюминия, почти у тантала. Это гораздо более новая технология, чем тантал. H.O. Зигмунд изобрел электролитический конденсатор в 1921 году. Юлиус Лилиенфельд много сделал для развития электролитической теории в 1920-х и 1930-х годах. Cornell Dubilier в то время была крупнейшей в мире компанией по производству конденсаторов и много сделала для развития технологий травления и анодирования. Детали конструкции мокрого алюминиевого электролитического конденсатора Производственный процесс Рис. 3. Конструкция электролитического конденсатора. Алюминиевые электролитические конденсаторы состоят из анодной и катодной пластин, разделенных абсорбирующей прокладкой. Как показано на Рисунке 3, к анодной и катодной пластинам прикреплены металлические выступы, и сборка намотана в цилиндрическую секцию. Выступы приварены к алюминиевым клеммам, установленным в коллекторе (вверху). Узел секция-коллектор погружается в ванну с горячим конденсаторным электролитом (существенно отличающимся от электролита, образующегося в процессе образования). В так называемом процессе пропитки к электролиту и секциям прикладывается вакуум, в результате чего электролит втягивается в секции, тщательно смачивая секции.Секции помещаются в алюминиевые банки, а коллекторы привариваются к банкам. Конденсаторные блоки медленно доводятся до максимального номинального напряжения при максимальной номинальной температуре во время процесса старения . В процессе старения оксид растет на участках анодной фольги, которые имеют недостаточный оксидный барьер, например, на краях прорезей и местах, которые были потрескались во время операции наматывания. Проверки и испытания происходят на нескольких этапах производственного процесса. Анод Рис.4. Сканирующий электронный микроскоп, вид сбоку листа с туннелями из оксида после растворения окружающего алюминия (вверху) и более близкий вид некоторых туннелей из оксида (внизу). Анод может быть изготовлен из алюминия различной степени чистоты, но для высоковольтных алюминиевых электролитических конденсаторов с высокой плотностью энергии анод обычно состоит из алюминиевой фольги высокой кубичности с чистотой 99,99% и толщиной около 100 микрометров. Термин «высокая кубичность» относится к структуре зерен алюминия с прямоугольной ориентацией, которая намеренно создается в фольге.Анодная фольга обычно изготавливается в рулонах массой 270 кг и шириной 48 см. Первый производственный процесс, которому подвергается эта фольга, называется травлением, которое электрохимически делает поверхность фольги шероховатой, в результате чего полые туннели врастают в алюминий. Благодаря прямоугольной ориентации зерен алюминия протравленные туннели образуются вдоль параллельных путей, которые в основном перпендикулярны верхней поверхности алюминия. Процесс травления значительно увеличивает соотношение микроскопической и макроскопической площади поверхности, называемое «усилением фольги», которое может достигать шестидесяти для высоковольтной алюминиевой электролитической анодной фольги и даже выше для низковольтной фольги.Фольга получается после травления значительно легче, чем в процессе травления. Следующий процесс, который проходит рулон фольги, называется процессом формирования. Оксид алюминия выращивают на полых туннелях и в них, которые были вытравлены в алюминии во время процесса травления. На рис. 4 показан вид сбоку листа туннелей из оксида после растворения окружающего алюминия, полученный с помощью сканирующего электронного микроскопа, и более близкое изображение некоторых туннелей из оксида. Обратите внимание, что внутренний диаметр этого оксидного туннеля на 550 вольт составляет около четверти микрометра, а толщина стенки — чуть больше половины микрометра.Обычно отношение толщины оксида к напряжению образования оксида составляет около 1,0 нанометра на вольт. Это соотношение несколько меняется в зависимости от структуры оксида. В зависимости от состава пластового электролита, плотности тока и других производственных параметров структура оксида алюминия может быть аморфной, кристаллической, водной или некоторой комбинацией этих структур. Рис. 5. Поперечное сечение туннеля анода до (слева) и после (справа) процесса образования оксида. Для достижения хороших результатов процессы травления и формовки должны быть совместимы. На рис. 5 показано поперечное сечение туннеля в анодном алюминии до и после формовки. Обратите внимание, что взаимосвязь между диаметром протравленного туннеля и напряжением (толщиной) пласта очень важна. Поскольку оксид растет как внутрь, так и наружу в туннеле, если диаметр травления слишком мал, туннель может забиться или полностью заполниться оксидом алюминия во время процесса формирования, таким образом, мало влияя на емкость фольги, поскольку электролит не может контактировать с внутри туннеля.Если диаметр туннеля слишком велик, оптимальная емкость не может быть реализована из-за нерационального использования пространства. Комбинация процессов травления и формования определяет напряжение формирования «V f » и коэффициент усиления полученной фольги. Коэффициент усиления определяется как емкость на единицу макроскопической площади полученной фольги, деленная на емкость на единицу площади нетравленой фольги с тем же напряжением формирования. В алюминиевых электролитических конденсаторах с высокой плотностью энергии используется фольга с высоким коэффициентом усиления.Здесь можно отметить, что напряженность поля пробоя 1 В на 1,0 нм намного выше, чем для полимерных пленок. Значение «k» 8,5 для оксида алюминия также примерно в три раза больше, чем для большинства пленочных диэлектриков (см. Таблицу I). Однако оксид алюминия в несколько раз плотнее полимерных пленок. Катод Катодная алюминиевая фольга обычно тоньше анода и должна иметь гораздо более высокую емкость, чем анод, поскольку емкость катода появляется последовательно с емкостью анода, чтобы получить общую емкость (см. Приложение).Для данной емкости анода максимальная общая емкость возникает, когда емкость катода настолько велика, насколько это возможно. Высокая катодная емкость требует очень низкого напряжения формирования катода. Обычно катод вообще не формируется, но всегда есть тонкий слой (около 2-3 нм) закиси водорода на поверхности алюминия, если он не пассивирован, а двойной электрический слой также имеет большую емкость. Тонкий слой закиси водорода легко образуется на алюминии при контакте с атмосферным воздухом.Пассивация катодной фольги титаном была предпринята в последние годы, чтобы предложить катод с емкостью, приближающейся к 200 мкФ / см 2 . Такая высокая катодная емкость необходима только для низковольтных конденсаторов с анодами с высоким коэффициентом усиления. Обычно емкость катода в пятьдесят раз превышает емкость анода. В этом случае общая емкость всего на 2% меньше емкости анода. Для разрядного конденсатора заряд на анодной пластине должен нейтрализоваться противоположным зарядом на катодной пластине, что требует, чтобы катод был способен накапливать заряд, превышающий или равный заряду анода.Другими словами, произведение емкости и формирующего напряжения для катода должно быть больше, чем для анода. Это требование обычно выполняется автоматически, так как способность накапливания заряда сформированной фольги максимальна при низком напряжении формирования. Для катода используется тонкая фольга с протравленной поверхностью, которая дает частотную характеристику, как правило, лучше, чем у анода, и дает достаточно большую емкость, чтобы общая единичная емкость не уменьшалась. Поскольку допустимое напряжение катода обычно составляет всего около одного вольта, электролитический конденсатор ограничен в своем установившемся обратном напряжении примерно до одного вольт.Было обнаружено, что в некоторых случаях переходные обратные напряжения, превышающие 100 вольт, могут появляться на конденсаторе в течение примерно одной миллисекунды без каких-либо отрицательных эффектов в течение тысяч циклов; однако неясно, каков фактический катодный потенциал в этих случаях. Известно, что увеличенное обратное напряжение в течение коротких интервалов времени, равных одной секунде, может вызвать значительный нагрев электролита и оксида анода. Ток, потребляемый во время этих обратных напряжений, может легко достигать сотен ампер постоянного тока.Электролитические конденсаторы могут быть сконструированы со сформированными катодами, чтобы обеспечить реверсирование напряжения без повреждений. Недостатками такой конструкции являются уменьшенная общая емкость, поскольку анод и катод включены последовательно; и уменьшенная плотность энергии из-за уменьшенной емкости и увеличения массы более тяжелого сформированного катода. Сепаратор Сепаратор или прокладка представляет собой абсорбирующий материал в форме рулона, который наматывают между анодом и катодом для предотвращения контакта фольги друг с другом.Прокладка обычно изготавливается из бумаги, которая может быть разных типов, плотностей и толщин, в зависимости от требований к напряжению и эффективному последовательному сопротивлению. Помимо разделения анода и катода, прокладка должна впитывать и удерживать электролит между пластинами. Сопротивление комбинации разделитель-электролит значительно больше, чем можно было бы объяснить ее геометрией и удельным сопротивлением абсорбированного электролита. Комбинация электролита и прокладки также влияет на емкость конденсатора. частотный отклик. Электролит Основное назначение электролита — служить «пластиной» на внешней поверхности оксида анода, а также соединяться с катодной пластиной. Электролит представляет собой жидкий органический растворитель с высоким удельным сопротивлением, высокой диэлектрической проницаемостью и высокой диэлектрической прочностью с одним или несколькими растворенными ионно-проводящими растворенными веществами. Второстепенное назначение электролита состоит в том, чтобы отремонтировать, залечить или изолировать участки дефектов в анодном оксиде алюминия во время приложения напряжения между анодом и катодом. Вкладки Выступы представляют собой алюминиевые полосы, которые контактируют между токопроводящими пластинами и соединительными клеммами в коллекторе. К каждой пластине может быть подключено несколько язычков. Каждый выступ либо сварен методом холодной сварки, либо приклеен по всей ширине анодной и катодной фольги. Пути вывода обычно проходят от секции конденсатора к выводам таким образом, чтобы поддерживать низкую индуктивность и предотвращать контакт выводов противоположной полярности друг с другом или корпусом во время движения и вибрации конденсаторного блока.Выступы приварены точечной сваркой к нижней стороне клемм в сборке коллектора. Материал вкладки не травится, а формируется под высоким напряжением перед сборкой в ​​конденсатор. Оптимальным размещением язычка вдоль фольги считается такое размещение, которое сводит к минимуму потери мощности из-за сопротивления металлической фольги. Этот оптимум приводит к равному расстоянию от каждого выступа до ближайшего к нему, а половина расстояния между язычками обеспечивается между крайними выступами и концами фольги. Для высоковольтных конденсаторов сопротивление выводов и сопротивление металлической фольги довольно мало по сравнению с сопротивлением оксида и электролита. Упаковка Рис. 6. Схема блока конденсаторов. Рис. 7. Некоторые электролитические конденсаторы. Корпус, в который помещается конденсаторная секция, изготовлен из алюминия из сплава 1100, чистота которого составляет около 99% (см. Рисунок 6). Для конденсаторов диаметром от 25 до 50 мм (от одного до двух дюймов) толщина стенки равна 0.022 дюйма. Прокладка из бутилкаучука помещается на верхнюю часть коллектора перед операцией прядения, при этом отверстие корпуса загибается и вдавливается в прокладку, образуя эффективное уплотнение системы. Корпус имеет тот же потенциал, что и электролит и катод во время работы конденсатора, поэтому при последовательном подключении электролитических конденсаторов необходимо соблюдать осторожность, чтобы изолировать корпуса друг от друга. Хотя корпус алюминиевого электролитического конденсатора находится под потенциалом катода, его нельзя использовать для отрицательного электрического соединения из-за высокого удельного сопротивления электролита и длинного эффективного пути от катода до емкости.Если бы у электролита было гораздо более низкое удельное сопротивление, можно было бы исключить катод и использовать вместо него баллончик. В конденсаторах предусмотрен предохранительный клапан, чтобы конденсатор мог контролируемым образом сбрасывать избыточное давление. Это явление называется сбросом и считается режимом отказа. Вентиляционное отверстие может быть установлено в виде резиновой заглушки в коллекторе или в виде штампованной прорези в стенке банки. Давление, при котором конденсатор вентилируется, предсказуемо и обычно рассчитано на давление около семи атмосфер или даже выше.Допустимое давление обычно выше для конденсаторов небольшой емкости. После вентиляции конденсатора электролит может испариться, пока емкость не уменьшится. Некоторые типичные электролитические конденсаторы показаны на Рисунке 7. Использование и применение электролитических конденсаторов Рис. 8. Ежемесячный мировой рынок конденсаторов. Есть много практических, повседневных применений алюминиевых электролитических конденсаторов.Наиболее важные приложения включают фильтрующие конденсаторы для выходов источника питания, схемы блокировки и обхода постоянного тока, пуск двигателя и другие неполяризованные конденсаторы, аудиоприложения, конденсаторы разряда энергии, конденсаторы фотовспышки и стробоскопа. Для каждого из них требуются совершенно разные характеристики, которые подробно описаны в Приложении. Общее использование конденсаторов во всем мире составляет примерно один триллион единиц в год. Общая рыночная стоимость составляет примерно 17 миллиардов долларов в год.На рисунке 8 показаны месячные колебания общего рынка конденсаторов за последние несколько лет. На Рисунке 9 представлены годовые рынки алюминиевых и танталовых электролитических конденсаторов, которые составляют более 10% от общего использования. Рис. 9. Мировой рынок электролитических конденсаторов: алюминий (слева), тантал (справа). Приложение Отношение величины заряда «Q» на каждой пластине к электрическому потенциалу или напряжению «V» между пластинами известно как емкость «C». [1] Емкость устройства в основном зависит от геометрии пластины и природы диэлектрика . Для двух параллельных поверхностей, каждая из которых имеет площадь «А», разделенную расстоянием «d» с диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью «k»: [2] где «E o » — диэлектрическая проницаемость вакуума (8,85 × 10 -12 Ф / метр). Относительная диэлектрическая проницаемость «k» материала описывает его поляризуемость. Как видно на рисунке 1, когда заряды + Q и -Q устанавливаются на анодной и катодной пластинах, соответственно, поверхностные заряды + Q ‘и -Q’ на диэлектрике индуцируются в соответствии со следующим соотношением, которое определяет «k» для материал: Q ‘= Q × (1-k). Катодная емкость «C c » включена последовательно с анодной емкостью «C a », чтобы получить общую емкость «C» в соответствии с соотношением: [3] Или переставив: [4] Следовательно, в последовательно соединенных конденсаторах преобладает конденсатор более низкого номинала. Использование и применение электролитического конденсатора Выходной фильтр блока питания Когда синусоидальное переменное напряжение выпрямляется, создается полусинусоидальная форма волны.Эта форма волны обычно преобразуется в постоянное значение постоянного тока с помощью конденсатора, который заряжается до пикового значения полусинусоидального напряжения, а затем подает ток на нагрузку при слегка понижающемся напряжении, пока следующий полусинусоидальный пик не восстановит максимум. напряжение на конденсатор. Небольшое изменение напряжения конденсатора известно как напряжение пульсации, а ток, идущий к конденсатору и от него, называется током пульсации. Чтобы поддерживать стабильный выход постоянного тока и минимизировать пульсации напряжения, емкость конденсатора выбирается достаточно большой по сравнению с сопротивлением нагрузки.Более стабильное напряжение требует более высокого значения емкости и более дорогостоящего конденсатора. Для приложений, в которых стабильность напряжения не очень важна, часто выбирают меньшую емкость. Затем следует учитывать ток пульсаций, поскольку слишком малая емкость может иметь большое эффективное последовательное сопротивление (ESR) и может иметь тенденцию к перегреву. Максимальные номинальные значения пульсирующего тока указываются производителями конденсаторов, и эти номиналы выводятся из максимально допустимой рабочей температуры конденсатора, а также размера, массы, материалов конструкции и ESR конденсатора.Номинальный ток пульсации в алюминиевых электролитических конденсаторах может достигать 50 ампер (среднеквадратичное значение). Блокировка и байпас постоянного тока Частотная характеристика конденсатора такова, что он выглядит как разомкнутая цепь для постоянного постоянного напряжения и виртуальное короткое замыкание на высокие частоты. Таким образом, конденсатор может использоваться для маршрутизации сигналов в соответствии с их частотным составом. Когда сигнал, содержащий как компоненты постоянного, так и переменного тока, отправляется на трансформатор для усиления части переменного тока, часто конденсатор используется последовательно с трансформатором для блокировки компонента постоянного тока, что может вызвать нагрев и искажение сигнала, если он достигнет трансформатора.Для такого применения необходимо проверить линейность частотной характеристики конденсатора, чтобы гарантировать высокую точность, а величина тока конденсатора должна быть ниже его номинального тока пульсаций. Пуск двигателя и прочее неполярное Пусковой момент двигателей переменного тока обеспечивается пусковым конденсатором двигателя, часто биполярным алюминиевым электролитическим конденсатором с низким ESR. Такой конденсатор предназначен для работы в сети переменного напряжения, сильноточной, непродолжительной работы. Конденсаторы для запуска двигателя имеют самый низкий коэффициент рассеяния среди алюминиевых электролитов, всего 2% при 120 Гц.Для достижения такого низкого ESR используется фольга с низким коэффициентом усиления. Корпуса часто изготавливаются из пластика, чтобы обеспечить электрическую изоляцию от потенциала электролита, который следует за приложенным напряжением. Плотность энергии довольно низкая, обычно 50 Дж / кг или меньше. Даже с такими низкими потерями конденсаторы для запуска двигателей быстро нагреваются в процессе их применения и рекомендуются только для малых рабочих циклов, таких как одна секунда включения, одна минута отключения. Аудиоприложения Неполярный алюминиевый электролитик номиналом 50 и 100 вольт часто используется в пассивных кроссоверах для коммерческих и бытовых громкоговорителей, где сигналы содержат компоненты среднего переменного напряжения (пиковое значение около 30 вольт) с небольшим содержанием постоянного напряжения или без него.Амплитудно-частотная характеристика и виброустойчивость этих конденсаторов — важнейшие критерии. Электролитические конденсаторы имеют положительный коэффициент емкости по напряжению, что приводит к некоторым гармоническим искажениям. Автомобильная аудиосистема (усиление шины): одно идеальное применение — это большие многокиловаттные приложения для повышения жесткости шины автомобильного аудиоусилителя, где шина 13 В постоянного тока может иметь пик в сотни ампер при каждом ударе бас-барабана или каждом ударе или ударе бас-гитары. Это может привести к падению напряжения автомобильного аккумулятора на несколько вольт, затемнению фар в ритме музыки и сокращению срока службы генератора переменного тока и аккумулятора, не говоря уже об ухудшении искажений звука и уровней выходного сигнала.Решение — использовать электролитические конденсаторы рядом с усилителями. Эти конденсаторы специального назначения имеют номиналы от 0,5 до 2,0 фарад при 15 В постоянного тока. Эти конденсаторы обычно имеют последовательное сопротивление около одного миллиом, поэтому они достаточно эффективны для повышения напряжения аккумуляторной батареи автомобиля при использовании на уровне около 1 фарада на киловатт. Конденсаторы будущего, вероятно, будут иметь номинал 0,2-0,5 Ф при 60 В постоянного тока для более высоких напряжений батареи. Приложения для разряда энергии Обычное применение разряда энергии для алюминиевых электролитических конденсаторов — это фотовспышка для фотографии, как профессиональной, так и потребительской.Эти конденсаторы теперь все больше и больше используются для разряда лазерных фонарей. Военные заинтересованы в алюминиевых электролитах для низковольтных импульсов лазерных радаров с диодной накачкой. В данной статье алюминиевые конденсаторы для электролитического разряда подразделяются на три режима напряжения: 1. Высокое напряжение — номинальное напряжение больше или равно 350 вольт. 2. Среднее напряжение — менее 350 вольт, но больше или равно 150 вольт. 3. Низкое напряжение — менее 150 вольт. Приложения Photoflash Конденсаторы фотовспышки, используемые во встроенных потребительских камерах, обычно находятся в диапазоне 100 мкФ 360 В и могут достигать нескольких сотен микрофарад в отдельных блоках на верхней панели камеры. Эти небольшие блоки часто состоят из двух пористых анодов, расположенных рядом. Типичная плотность энергии составляет 1,5 Дж / грамм или 2 Дж / см 3 . Профессиональные фотографы используют батареи электролитических конденсаторов в портативных, но крупных устройствах весом около 10 кг. Они содержат многие тысячи микрофарад, обычно в переключаемых банках с вентиляторным охлаждением.Обычно это конденсаторы с винтовыми зажимами, конструкция которых очень похожа на обычные фильтрующие конденсаторы. Конденсаторы Photoflash могут использоваться со средней частотой до восьми вспышек в минуту, в зависимости от размера, энергии и управления температурой. Четыре вспышки в минуту более типичны. Фотовспышка часто вызывает адиабатическое повышение внутренней температуры примерно на 0,05 o ° C (0,09 o F) за одну вспышку. Это приводит к выводу, что для значительного нагрева конденсатора необходимо несколько сотен вспышек.Следовательно, в первые полчаса можно было применять 10 вспышек в минуту без ограничений. Типичный срок службы конденсатора вспышки составляет от 50 000 до 200 000 вспышек. Имеются долговечные конструкции для одного миллиона и более вспышек. Приложения стробоскопа Конденсаторы стробоскопа используются с высокой частотой повторения. В случае низковольтных устройств частота повторения может быть очень высокой, достаточно высокой для использования в стробоскопах для вечеринок и в автомобильных тахометрах. Высоковольтные блоки обычно не могут работать в режиме полного заряда-разряда, превышающего частоту повторения около 2 или 3 Гц или частоту повторения.В высоковольтных алюминиевых электролитических строб-конденсаторах используется диэлектрическая структура из оксида алюминия , отличная от их аналогов с фотовспышкой и фильтром. Конденсаторы строба используют аморфный оксид алюминия, а не обычный кристаллический оксид алюминия. Это достигается в процессе формования при анодировании фольги. Используются различная предварительная обработка, температура процесса и плотность тока, а также различный химический состав электролита. К сожалению, полученный диэлектрик намного толще, чем его кристаллический аналог.По этой причине стробоскопическая фольга имеет большие туннели, а стробоскопические конденсаторы страдают от плотности энергии и стоимости примерно в четыре раза по сравнению с их кристаллическими собратьями. Но их частота повторения может дать улучшение в двадцать раз, а их продолжительность жизни может приблизиться к 1000 раз больше, чем количество устойчивых циклов заряда-разряда. Когда требуется только частичный разряд, такой как разряд от 400 В до 250 В, вместо полного разряда, могут быть разработаны гибридные конструкции конденсаторов, которые обеспечивают высокую частоту повторения, длительный срок службы, без потери стоимости и размера, требуемых аморфной фольгой. . При использовании конденсатора с нормальным разрядом конденсатор заряжается медленно, быстро разряжается и претерпевает определенное количество циклов разряда в единицу времени. Время, необходимое для зарядки конденсатора, называется временем зарядки. Время, в течение которого конденсатор разряжается, называется временем разряда. Цикл заряда-разряда известен как выстрел. Количество циклов заряда-разряда в секунду называется частотой повторения и выражается в герцах (Гц).Когда частота повторения очень мала или конденсатор срабатывает не часто, рабочее состояние известно как однократное. Когда конденсатор подвергается прерывистой работе с номинальной повторяемостью, коэффициент заполнения определяется как время включения, деленное на сумму времени включения и периода покоя. Срок службы конденсатора определяется как ожидаемое количество выстрелов, прежде чем произойдет определенное количество разрушения. Обычно предел — это повышение СОЭ. Статьи по теме Анодирование Конденсаторы электрохимические Дополнительная литература Библиография Многие соответствующие публикации перечислены на веб-сайте FaradNet. Перечни книг по электрохимии, обзорных глав, сборников трудов и полные тексты некоторых исторических публикаций также доступны в Информационном ресурсе по науке и технологиям по электрохимии (ESTIR). (http://knowledge.electrochem.org/estir/) Вернуться к: Верх — Домашняя страница энциклопедии — Содержание — Именной указатель — Предметный указатель — Поиск — Словарь — Домашняя страница ESTIR — Домашняя страница ECS

Алюминиевый электролитический конденсатор — обзор

10.2.1.1 Входной каскад переменного тока понижающего преобразователя

Автономный драйвер светодиодов требует мостового выпрямителя и входного фильтра; конструкция входного фильтра имеет решающее значение для получения хороших электромагнитных помех.

Мы можем использовать алюминиевый электролитический конденсатор после мостового выпрямителя, чтобы предотвратить прерывание тока светодиода при переходе через ноль входного напряжения (скачки выпрямленной синусоиды или «гаверсинусной» формы волны). Как показывает практика, требуется 2 ~ 3 мкФ на ватт входной мощности. Часто используется электролитический конденсатор, который дополнительно поглощает скачки напряжения, которые могут присутствовать в линии переменного тока.Однако следует учитывать требования к коэффициенту мощности системы. Простое решение выпрямитель-конденсатор может быть неприемлемым для многих приложений.

Большая емкость входного конденсатора вызовет недопустимо сильные скачки тока при первом включении питания. Эти скачки тока могут повредить электролитический конденсатор, уменьшив его ожидаемый срок службы, а также повредить переключатель или электрические разъемы на линии переменного тока. Ограничители пускового тока часто подключаются последовательно к линии переменного тока, чтобы предотвратить скачок тока; см. раздел 10.2.6.

Катушка индуктивности, соединенная последовательно с шиной питания, после входного конденсатора, необходима для создания высокого импеданса для сигналов частоты переключения, как показано на рис. 10.3. Номинальный ток этой катушки индуктивности должен быть выше, чем ожидаемый уровень тока при нормальной работе, чтобы учесть скачки при включении. Величина индуктивности зависит от требуемого уровня затухания сигнала в сочетании с сопротивлением шунта входного конденсатора, чтобы соответствовать требуемым стандартам EMI.

Рисунок 10.3. Функции входного фильтра.

Импеданс катушки индуктивности определяется следующим образом: X _L = 2 · π · f _s L , поэтому, если нам нужен импеданс 200 Ом при 100 кГц, чтобы получить желаемое затухание, L = 0,318 мГн, можно использовать индуктивность фильтра 330 мкГн.

Конденсатор, подключенный между коммутирующей стороной катушки индуктивности фильтра и землей, хотя и небольшой емкости, необходим для обеспечения низкого сопротивления высокочастотным токам переключения преобразователя.Как показывает практика, выходная мощность светодиода должна составлять примерно 0,1–0,2 мкФ / Вт. Конденсатор емкостью 100 нФ можно использовать в цепи, которая управляет одним светодиодом мощностью 1 Вт.

Электролитические конденсаторы определяют срок службы источника питания

Здравоохранение Технология Полуфабрик Промышленные Продолжительность жизни Надежность Источники питания AC-DC

Срок службы производителя важен, как и конкретное приложение.

Обзор:

• Электролитические конденсаторы в источниках питания переменного и постоянного тока имеют ограниченный срок службы.
• Производители предоставляют оценку их вероятной долговечности, чтобы помочь покупателям выбрать наиболее подходящее решение.
• Другие переменные в различных приложениях также влияют на срок службы.
• Наш технический директор Гэри Бокок резюмирует расчеты производителя и рекомендует дополнительную проверку в процессе эксплуатации.

Электролитические конденсаторы являются важным компонентом источников питания переменного и постоянного тока. Они обеспечивают высокую емкость x напряжение (CV) и низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) в корпусах небольшого объема. Нет альтернативы, которая могла бы сделать работу рентабельно .

Определить срок службы блока питания

Срок службы этих электролитических конденсаторов становится все более важным параметром при проектировании источников питания. Требования к удельной мощности растут, и электролитические конденсаторы являются единственным изнашивающимся компонентом источника питания.Итак, тип используемого в конструкции электролитического конденсатора определяет срок службы блока питания. Он также определяет срок службы или интервал обслуживания конечного применения в обслуживаемом оборудовании.

Топология и применяемый пульсирующий ток, схема конструкции, расчетный срок службы конденсатора, номинальная температура конденсатора и эффект местного нагрева варьируются от одного продукта к другому. Они также могут изменяться в условиях низкого и высокого уровня входного сигнала.

Эффекты внешнего нагрева могут перевесить эффекты внутреннего нагрева, особенно в современных компактных конструкциях.Фактический срок службы также зависит от повышения температуры, которое может произойти при установке источника питания в приложении. Профиль миссии конечного оборудования — еще один фактор, определяющий среднюю рабочую температуру в течение срока службы оборудования и количество часов использования в день.

Разработчики электролитических конденсаторов учитывают все эти факторы при определении срока службы своей продукции. Давайте посмотрим, с какими расчетами они работают.

Расчетный срок службы при номинальной температуре

Производители электролитических конденсаторов указывают расчетный срок службы при максимальной номинальной температуре окружающей среды, обычно 105 ° C.Этот расчетный срок службы может варьироваться от 1000 часов до 10000 часов и более. Чем больше расчетный срок службы, тем дольше прослужит компонент при данном применении и температуре окружающей среды.

Производители предоставляют расчеты для определения срока службы в приложении. Они основаны на уравнении Аррениуса для температурной зависимости скорости реакции. Это определяет, что скорость реакции удваивается на каждые 10 ° C повышения температуры. Это означает, что срок службы удваивается на каждые 10 ° C снижения температуры, поэтому конденсатор, рассчитанный на 5000 часов при 105 ° C, будет иметь срок службы 10 000 часов при 95 ° C и 20 000 часов при 85 ° C.

Основное уравнение приведено ниже. Кривая отображает зависимость срока службы от температуры окружающей среды.

Применяемый пульсирующий ток и рабочая частота

Помимо температуры окружающей среды и эффектов местного нагрева, приложенные пульсирующие токи дополнительно нагревают сердечник конденсатора. Процессы переключения и выпрямления на входном и выходном каскадах источника питания генерируют токи пульсаций. Это вызывает рассеяние мощности внутри электролитического конденсатора.

Величина и частота этих токов пульсаций зависят от топологии, разработанной для активной коррекции коэффициента мощности (PFC), где она используется. Они также зависят от силового каскада главного преобразователя, оба они варьируются от конструкции к конструкции. Мощность, рассеиваемая внутри конденсатора, определяется среднеквадратичным током пульсаций и ESR конденсатора на приложенной частоте.

Повышение температуры сердечника компонента связано с рассеиваемой мощностью, коэффициентом излучения корпуса компонентов и коэффициентом разницы температур или крутизной от сердечника к корпусу.Эти значения определяются производителем компонентов.

Максимальный ток пульсаций, который может быть применен к конденсатору, обычно указывается при максимальной температуре окружающей среды и частоте 100/120 Гц. Коэффициенты умножения могут применяться в зависимости от температуры окружающей среды при фактическом использовании и частоты применяемого пульсирующего тока: ESR уменьшается с увеличением частоты.

Преимущества систем охлаждения

Источники питания закрытого типа с собственными охлаждающими вентиляторами менее восприимчивы к среде конечного приложения при правильном развертывании.Температура окружающей среды должна оставаться в пределах спецификации, и должен быть достаточный зазор для охлаждения.

В таблице ниже указан расчетный срок службы конденсаторов с расчетным сроком службы 2 000 и 5 000 часов при различных температурах. Он предполагает круглосуточную работу без выходных при переводе часов работы в годы эксплуатации. Оборудование с менее интенсивным профилем миссии — например, восемь-десять часов в день, работающее пять дней в неделю — будет иметь значительно более длительный срок службы.

Другие переменные могут влиять на долговечность силовых приложений

Производители блоков питания применяют правила снижения номинальных характеристик конструкции, чтобы обеспечить достаточный срок службы изделия.

Но эти правила не учитывают профиль миссии, окружающую среду, ориентацию установки, расположение, окружающее пространство, приложенную нагрузку и устройства охлаждения или вентиляции системы после того, как источник питания установлен в конечном оборудовании.

Срок службы конденсатора, особенно в среде с конвекцией или естественным охлаждением, следует дополнительно оценить в зависимости от конкретной установки.Измерять применяемые пульсирующие токи непрактично, но измерение эффективной рабочей температуры даст точные данные о сроке службы. Операторы могут измерить температуру корпуса и применить уравнение Аррениуса и профиль миссии к базовому сроку службы, указанному производителем компонента.

На приведенном ниже механическом чертеже показаны компоненты, а кривые показывают ожидаемый срок службы источника питания в зависимости от температуры двух конденсаторов (C6 и C23).

Во многих технических паспортах источников питания, таких как серии XP Power GCS, указаны ключевые компоненты, определяющие срок службы продукта. Сюда входят те, которые нуждаются в оконечном оборудовании для обеспечения внешнего охлаждения, и те, которые предназначены для систем с конвекционным охлаждением. Эта информация, наряду с данными об операционной среде приложения, помогает разработчикам системы более точно определять срок службы источника питания в конечном приложении.

РЕЗЮМЕ: для точного прогнозирования срока службы источника питания важно оценить его в вашем конкретном приложении, используя точки измерения и данные, предоставленные производителем, и применяя профиль миссии для конечного оборудования на основе средней температуры и использования в день .

Основное руководство по источникам питания — , независимо от того, разрабатываете ли вы источник питания переменного тока в постоянный или преобразователь постоянного тока в постоянный.