Электролитический конденсатор

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

Электролитический конденсатор

Общие сведения

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

• конденсатор постоянной ёмкости;
• конденсатор переменной емкости.

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

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

Устройство ёмкостного двухполюсника постоянной и переменной ёмкости

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

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

Графическое обозначение на схемах

История происхождения электролитических конденсаторов

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

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

Устройство электролитической ёмкости и внешний вид

Функции электролитических конденсаторов

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

Электрические характеристики электролитических конденсаторов

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

К главным параметрам электролитической детали относятся следующие характеристики:

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

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

Виды

«Электролиты» подразделяются на следующие типы элементов:

• алюминиевые;
• танталовые;
• ниобиевые.

Каждый из видов рассчитан на определённые условия работы.

Алюминиевые электролитические конденсаторы (ЭК)

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

Танталовые конденсаторы

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

Танталовый ЭК

Ниобиевые конденсаторы

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

Ниобиевый ЭК

Конструкция электролитического конденсатора

Алюминиевые ЭК представляют собой конструкцию, состоящую из следующих элементов:

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

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

ЭК для установки на плате при помощи гайки

Особенности применения

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

Надежность электролитических конденсаторов

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

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

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

Требования монтажа электролитических конденсаторов в оборудование

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

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

Двухполюсник необходимо располагать как можно дальше от нагревающихся приборов.

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

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

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

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

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

Условия работы

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

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

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

Рекомендации при проектировании оборудования

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

Примерная схема включения в цепь переменного тока

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

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

Схема для запуска двигателя, где Сп – электролит

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

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

Советы перед сборкой оборудования

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

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

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

Полярность, обозначенная на плате

Условия хранения электролитических конденсаторов

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

• влажность;
• температура;
• химически активные среды.

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

Воздействие на окружающую среду

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

Утилизация электролитических конденсаторов

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

Результаты испытаний электролитических конденсаторов на срок службы

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

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

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

Меры предосторожности при использовании ЭК

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

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

Видео

Автор:

Гaличeв Илья Виктoрoвич