Конденсатор. Емкость конденсатора. Заряд конденсатора.

Основы

Емкость конденсатора. Заряд конденсатора.

Конденсатор — это электронное устройство, обладающее электрической емкостью, то есть способностью накапливать электрический заряд (заряжаться).

обозначение конденсатора на схемах

Самый простой конденсатор состоит из двух металлических пластин (обкладок), разделенных тонким слоем диэлектрика (изолятора), в качестве которого может служить воздух, фарфор, слюда, керамика, бумага или другой материал, обладающий достаточно большим сопротивлением.

Единицей электрической емкости конденсатора является фарада (Ф) — дань памяти великому английскому ученому Майклу Фарадею.

В радиоэлектронике используются конденсаторы, емкость которых составляет дробные единицы фарад: пикофарады (пФ), нанофарады (нФ), микрофарады (мкФ).

1 Ф (фарада) = 1000000 мкФ (микрофарад)
1 мкФ (микрофарада) = 1000 нФ (нанофарад) = 1000000 пФ (пикофарад)

1 нФ (нанофарад) = 1000 пФ (пикофарад)

керамические конденсаторы

Конденсаторы, как и резисторы, существуют постоянные и переменные. В зависимости от материала диэлектриков современные конденсаторы бывают: бумажные, керамические, слюдяные, электролитические и другие.

Наибольшее распространение имеют керамические конденсаторы. Емкость керамических конденсаторов составляет единицы — тысячи пикофарад.

обозначение электролитического конденсатора на схемах

Самой большой емкостью обладают электролитические конденсаторы, у которых в качестве изолятора используется тончайший слой окисла, получаемый электролитическим способом. Емкость электролитических конденсаторов может достигать тысяч микрофарад. Электролитические конденсаторы, как правило, полярные, т. е. имеют положительный и отрицательный полюса. Нарушение правильной полярности при включении электролитического конденсатора в цепь недопустимо, так как может вывести его из строя.

электролитические конденсаторы

На корпусе конденсаторов наряду со значением их емкости и величиной ее возможного отклонения от номинала обычно указывается значение рабочего электрического напряжения. На конденсаторах, в основном, указано номинальное рабочее напряжение при постоянном токе. Включение конденсатора в цепь, напряжение в которой превосходит его рабочее напряжение, не допускается, так как происходит разрушение изолятора, вследствие чего конденсатор выходит из строя.

Конденсаторы, емкость которых можно менять в заданных интервалах, называются конденсаторами переменной емкости и подстроечными.

Для конденсаторов постоянной емкости на схеме рядом с условным графическим обозначением указывают значение емкости. При емкости менее 0,01 мкФ (10000 пФ) ставят число пикофарад без обозначения размерности, например, 15, 220, 9100. Для емкости 0,01 мкФ и более ставят число микрофарад.

У электролитических конденсаторов возле одной из обкладок ставят плюс. Такой же знак обычно стоит и на корпусе конденсатора около соответствующего вывода. Также чаще всего указывают номинальное напряжение.

Для конденсаторов переменной емкости и подстроечных указывают пределы изменения емкости при крайних положениях ротора, например, 6…30, 10…180, 6…470.

Маркировка конденсаторов

При обозначении номинала на зарубежных керамических конденсаторах часто используется специальная кодировка, при которой последняя цифра в числе обозначает количество нулей (емкость в пикофарадах). Например:

Маркировка конденсатора	Номинал
471	470 пФ
103	10 000 пФ (0.01 мкФ)
104	100 000 пФ (0.1 мкФ)
154	150 000 пФ (0.15 мкФ)
334	330 000 пФ (0.33 мкФ)

Заряд конденсатора

Рассмотрим процесс накопления конденсатором электрической энергии. Подсоединим обкладки конденсатора к полюсам источника тока. В момент замыкания цепи на обкладках конденсатора начнет накапливаться заряд. Как только напряжение на конденсаторе уравнивается с напряжением источника, процесс заряда конденсатора закончится и ток в цепи станет равным нулю. Таким образом, по окончании заряда цепь постоянного тока окажется разомкнутой. Если теперь несколько увеличить напряжение источника, то конденсатор накопит еще некоторый заряд. Чем больше емкость конденсатора, тем больший заряд будет на его обкладках при заданном значении напряжения между обкладками.

Если цепь конденсатора и источника постоянного тока разорвать, то конденсатор остается заряженным. Заряженный конденсатор может быть использован в качестве источника энергии, которая накоплена в нем в виде энергии электрического поля зарядов на обкладках. Именно таким образом используют конденсатор в солнечных двигателях BEAM-роботов. Источником электроэнергии при этом является солнечная батарея.

Посмотрим, что произойдет, если теперь подключить заряженный конденсатор, например, к светодиоду (с учетом полярностей). В получившейся цепи снова потечет ток (ток разряда конденсатора). Этот ток имеет направление, противоположное току заряда, то есть вытекает из положительно заряженной обкладки конденсатора как из положительного полюса источника. По мере разряда напряжение на конденсаторе уменьшится, и ток в цепи начнет убывать. В момент окончания разряда энергия конденсатора окажется полностью израсходованной, и ток в цепи исчезнет.

основные параметры прибора, как работает и от чего зависит большая ёмкость

В конструкциях подавляющего количества электроприборов присутствует электролитический конденсатор. Телевизоры, радио, аудиотехника, стиральные машины, кондиционеры, компьютеры, принтеры — вот далеко не полный перечень приборов, оснащённых таким конденсатором. Достаточно широкое применение прибор нашёл не только в бытовых устройствах, используемых в повседневной жизни, но также в промышленной, военной и строительной сфере.

• Особенности конструкции
• Стадии производства
• Основные характеристики
• Разновидности конденсаторов

Особенности конструкции

Широкий спектр применения электролитических конденсаторов обусловлен их высокими функциональными свойствами и простотой конструкции. При относительно небольших размерах они обладают достаточно большой ёмкостью.

Система стандартного конденсатора из алюминия состоит из:

1. Двух бумажных лент. Для их изготовления используется особая конденсаторная бумага, пропитанная составом, проводящим электрический ток.
2. Двух алюминиевых полосок. Фольга для их производства обрабатывается специальным образом.

Все полоски скручены в единый рулон. Роль активного элемента выполняют выводы, соединённые с электродами и оснащённые уплотнителем. Вся конструкция заключена в имеющий форму цилиндра алюминиевый корпус. На основе этой системы производится несколько видов моделей:

• с выводами, расположенными в одном направлении;
• с повышенной механической прочностью крепления;
• для поверхностного монтажа.

Стадии производства

Все электролитические конденсаторы большой ёмкости изготавливаются в соответствии с выверенной технологией. Производственный процесс состоит из нескольких важных этапов:

1. Травление фольги. Таким термином принято обозначать процедуру увеличения эффективной площади поверхности. Увеличение площади становится возможным за счёт электрохимической коррозии либо химической эрозии. Пульсирующий ток в совокупности с определённой температурой и составом электролита меняет форму, размер фольги и число микроскопических каналов на её поверхности.
2. Образование оксидного слоя. Анодная фольга, прошедшая процедуру травления, подвергается окислению, т. е. на неё воздействуют раствором солей аммония, фосфорной или борной кислотой (в случае с высоковольтными конденсаторами). В некоторых случаях на катодной фольге тоже наращивают слой оксида алюминия Al2O3.
3. Нарезка. Из бумаги и прошедшей необходимую обработку фольги вырезают полоски заданной длины и ширины.
4. Присоединение выводов. С электродами их соединяют с помощью холодной или точечной сварки.
5. Пропитывание. Производится с целью заполнения электролитом пор конденсаторной бумаги. Перед этим электролитический конденсатор под давлением освобождается от влаги. В порах должен находиться определённый объём электролита. Его избыток удаляют, поместив элементы в центрифугу. Во избежание потери электролита внутрь устройства устанавливают резиновые уплотнители.

Заключительная стадия производства представляет собой сборку всех деталей в единый прибор, покрытый защитным корпусом из алюминия и изолирующей оболочкой. Ещё одним обязательным этапом является проверка на наличие повреждений оксидного слоя и его восстановление.

Основные характеристики

Устройство конденсатора легче всего представить в виде упрощённого описания. На нём можно увидеть основные параметры электролитических конденсаторов:

1. Ёмкость. Этот показатель находится в прямой зависимости от температуры. Падение температуры (до нулевого значения и ниже) приводит к тому, что вязкость электролитного состава (как и сопротивление в микроскопических порах фольги) увеличивается, приводя к уменьшению объёма. Увеличение температуры выше 20 градусов, наоборот, ведёт к расширению деталей и общей ёмкости прибора. Также величина этого показателя зависит от частоты. Частота и амплитуда переменного напряжения, поданного на прибор, помогают определить его ёмкость.
2. Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Его размер и взаимосвязь с другими величинами определяется по формуле ESR=(tan δ)/(2*π*f* ESС). Угол δ образуется между вектором напряжения конкретного конденсатора и вектором напряжения на идеальной ёмкости. Tan δ представляет собой частное от деления активной мощности на реактивную мощность (при синусоидальной форме напряжения).
3. Полное сопротивление (импеданс) получается в результате суммарного действия ёмкости оксидного слоя, активного сопротивления бумажного сепаратора и электролита, ёмкости пропитанного электролитом сепаратора, индуктивности обмоток и выводов конденсатора.

Еще одна важная характеристика — это показатель тока, пропущенного через диэлектрический слой оксида на положительном электроде. Если конденсатор долгое время не получал напряжения, величина тока утечки будет высокой. Это свидетельствует о разрушении слоя оксида алюминия.

Разновидности конденсаторов

Неотъемлемой составляющей прибора и залогом его эффективной работы является наличие электролита между пластинами. В зависимости от того, какой состав выполняет эту функцию, конденсаторы бывают:

• сухие;
• жидкостные;
• оксидно-металлические;
• оксидно-полупроводниковые.

Отличительная особенность оксидно-полупроводниковых устройств заключается в том, что роль катода в них выполняет полупроводник, нанесённый непосредственно на оксид алюминия. Анод может быть изготовлен как из алюминия, так и из тантала, ниобия или спечённого порошка.

Наличие катода и анода свидетельствует о том, что электролитический конденсатор относится к разряду полярных приборов. Его работа возможна при прохождении тока только в одну сторону. Для работы в электрических цепях с синусоидным током были разработаны неполярные электролиты. В ходе их производства используются дополнительные элементы, значительно увеличивающие размеры и цену готовых устройств.

Отдельной разновидностью устройства, обеспечивающего протекание электрохимических процессов, считается ионистор. Его принцип действия основывается на соприкосновении электролита с обкладкой, в результате чего образуется двойной электрический слой. Подобная конструкция позволяет использовать ионистор не только по его прямому назначению, но и как химический источник электроэнергии.

Набранная за короткое время ёмкость ионистора может сохраняться долго. При напряжении около десяти вольт ёмкость может доходить до нескольких фарад. При оптимально подобранном сочетании напряжения и температурного режима его рабочий ресурс может достичь 40 тысяч часов. Однако колебание заданных изначально характеристик спровоцирует снижение срока службы в несколько десятков раз (до 500 часов).

Область использования ионисторов широка. Их задействуют для резервирования разных источников питания. Они успешно применяются в солнечных батареях, радиоаппаратуре для автомобилей и «умных домах».

Как измерять электролитические конденсаторы

257 Опубликовано Derrick 7 мая 2022 г.

Как измерять электролитические конденсаторы

Электролитические конденсаторы широко используются в электрооборудовании и имеют высокую частоту отказов. Повреждения электролитических конденсаторов имеют следующие проявления: во-первых, полностью теряется емкость или емкость становится меньше; второй — небольшая или серьезная утечка; в-третьих, потеря емкости или уменьшение емкости и утечка. Методы поиска поврежденных электролитических конденсаторов:

• Как работать

1. Посмотрите: некоторые конденсаторы потекут при повреждении, а на поверхности печатной платы под конденсатором и даже на поверхности конденсатора будет слой масляных пятен. Этот конденсатор нельзя использовать повторно; некоторые конденсаторы вздуваются после повреждения, и этот конденсатор не может продолжать работу. использовать;

2. Прикосновение: некоторые электролитические конденсаторы с серьезной утечкой нагреваются после запуска и даже становятся горячими при касании пальцами, такие конденсаторы необходимо заменить;

3. Внутри электролитического конденсатора есть электролит. Запекание в течение длительного времени приведет к высыханию электролита и уменьшению емкости. Поэтому необходимо сосредоточиться на проверке конденсаторов возле радиатора и мощных компонентов. Чем они ближе, тем выше вероятность повреждения. больший.

• Метод обнаружения электролитического конденсатора

1. Поскольку емкость электролитических конденсаторов намного больше емкости обычных конденсаторов постоянной емкости, при измерении следует выбирать соответствующие диапазоны для различных емкостей. Согласно опыту, емкость в диапазоне от 470 нФ до 10 мкФ может быть измерена блоком R×1k; емкость 10 мкФ-300 мкФ может быть измерена блоком R×100; емкость выше 300 мкФ может быть измерена путем измерения R×1k 1 или R×10.

2. При обнаружении электролитических конденсаторов сначала разрядите конденсаторы, особенно для электролитических конденсаторов большой емкости, вы можете напрямую замкнуть два контакта для разрядки.

3. Затем красный щуп мультиметра подключается к отрицательному электроду, а черный щуп – к положительному электроду. В момент первого касания стрелку мультиметра отклоняют вправо большим отклонением (у того же электроблока чем больше емкость, тем больше размах), а затем плавно поворачивают влево, пока не остановятся на определенном позиция. Значение сопротивления в это время представляет собой прямое сопротивление утечки электролитического конденсатора, которое немного больше, чем обратное сопротивление утечки.

4. Реальный опыт использования показывает, что сопротивление утечки электролитических конденсаторов обычно должно быть выше нескольких сотен кОм, в противном случае они не будут нормально работать. В тесте, если нет заряда в прямом и обратном направлениях, то есть стрелка не двигается, это означает, что емкость исчезла или внутренняя цепь разомкнута; Больше нельзя использовать.

Энергоемкие электролитические крышки обеспечивают надежность

Инженеры-конструкторы оборудования всегда ищут возможности снизить стоимость, размер и вес компонентов, а также достичь или превзойти целевые показатели эффективности и надежности компонентов и систем. Одним из наиболее распространенных и важных компонентов для оптимизации являются конденсаторы, устанавливаемые на печатной плате, из-за их большого размера и широкого использования. Надежность также должна учитываться при выборе конденсатора из-за его подверженности утечке и снижению емкости с течением времени при воздействии экстремальных температур. Это ухудшение может привести к периодическим сбоям в работе цепи, что снижает эффективность и надежность системы.

В то время как поставщики конденсаторов продолжают совершенствовать конструкции для повышения плотности энергии, надежности и веса, оптимальная часть для приложения может быть недоступна из-за длительного времени выполнения заказа, вызванного проблемами с цепочкой поставок.

В этой статье обсуждается роль фильтров и накопительных конденсаторов. На нем показано, как один конденсатор может заменить другие типы конденсаторов, такие как массив конденсаторов для поверхностного монтажа, что приводит к уменьшению количества компонентов платы и межсоединений схемы, повышая общую надежность схемы. Попутно он представляет высоконадежные алюминиевые электролитические конденсаторы от Cornell Dubilier Electronics , которые имеют двойное преимущество тонкого профиля и очень высокой плотности энергии. Поскольку конденсаторы производятся в США и могут быть быстро доставлены на производственные предприятия в Северной Америке, конденсаторы также могут обеспечить сокращение сроков поставки.

Надежность конденсаторов, устанавливаемых на плате

Срок службы электролитического конденсатора определяется скоростью электрохимического разрушения его внутренней структуры с течением времени. Поскольку это ухудшение предсказуемо при типичных условиях эксплуатации, производитель может легко рассчитать функциональный срок службы конденсатора. Надежность конденсатора — это мера того, насколько реальный срок службы конденсатора соответствует его ожидаемому сроку службы при изменении конструкции или воздействии экстремальных условий.

В то время как срок службы изнашивания больших и малых конденсаторов примерно одинаков, конденсаторы меньшего размера более надежны, так как между поверхностями анода и катода меньше площадь поверхности. Чем больше конденсатор, тем больше надежность является фактором его выбора, а также доступность. На момент написания этой статьи существуют проблемы с цепочками поставок электронных компонентов, в том числе задержки многих международных поставок. По этой причине доступность и время выполнения заказа стали критическими критериями при выборе электронных компонентов.

Конденсаторы не подлежат оптимизации размера, характерной для многих полупроводников, в том смысле, что размер конденсатора не может быть уменьшен за счет уменьшения геометрии процесса. Из-за физических особенностей конструкции конденсатора, чем больше номинал конденсатора в фарадах (F), тем больше площадь поверхности между анодом и катодом, следовательно, его больший физический размер. Конденсаторы с вертикальным монтажом, также называемые V-образными микросхемами, являются популярными вариантами упаковки для экономии места на плате, компромиссом является более высокий профиль платы и меньший зазор, который может повлиять на выбор упаковки соседних компонентов.

Монтажное положение большого алюминиевого электролитического конденсатора также может повлиять на надежность. Большие конденсаторы могут сильно нагреваться и при некоторых условиях требовать обдува или даже радиатора. Приложенное постоянное напряжение, пульсации тока и экстремальные температуры окружающей среды сокращают срок службы из-за параметрического дрейфа. Обычно эффективное последовательное сопротивление (ESR) конденсатора является первым параметром, который отклоняется от технических характеристик. По мере увеличения ESR конденсатор будет нагреваться все больше. В конечном итоге он выходит из строя, когда нагревается настолько, что его внутренняя структура разрушается и эффективно замыкает анод и катод. В очень редких случаях тепло высушивает конденсатор, и он становится разомкнутым.

Деградация конденсатора в системе может сначала проявляться в виде случайных отказов, которые быстро превращаются в отказ системы при коротком замыкании конденсатора. Эта проблема усугубляется для батарей конденсаторов, соединенных последовательно или параллельно; при выходе из строя одного конденсатора выходит из строя вся батарея. Батареи конденсаторов снижают надежность системы, поскольку частота отказов батареи равна частоте отказов одного конденсатора, умноженной на количество конденсаторов в батарее. По этой причине конденсаторные батареи не рекомендуются в конструкциях с высокой надежностью в пользу одного большого конденсатора.

Высоконадежные конденсаторы высокой плотности

Для высоконадежных приложений с ограниченным пространством Cornell Dubilier поставляет алюминиевые электролитические конденсаторы THA и THAS Thinpack. Разработанные для очень высокой плотности энергии в тонком низкопрофильном корпусе, конденсаторы имеют корпус, сваренный лазером, который закрывает электролитический конденсатор для предотвращения утечек. Эта лазерная сварка устраняет необходимость в больших торцевых прокладках, которые широко используются для герметизации концов большинства электролитических конденсаторов. Клапан в корпусе позволяет выпускать газ, сбрасывая внутреннее давление, что уменьшает набухание. Линия THA имеет толщину 8,2 миллиметра (мм), а линия THAS — 9 мм.миллиметров (мм) толщиной. Конструкция конденсаторов THA и THAS обеспечивает 5000 часов работы при 85°C и 105°C соответственно. Они имеют плотность энергии 0,9 Дж на кубический сантиметр (Дж/см ³ ).

Для многих приложений фильтрации и управления двигателем разработчики могут использовать конденсатор серии THAS131M450AD0C THAS емкостью 130 микрофарад (мкФ) (рис. 1). Конденсатор имеет длину 66,5 мм и ширину всего 25,4 мм. Как уже упоминалось, конденсаторы серии THAS имеют толщину всего 9 мм, поэтому при установке они обеспечивают очень низкий профиль печатной платы. Эта серия рассчитана на напряжение 450 вольт и подходит для управления двигателями и компактных источников питания. Поскольку эта серия очень тонкая, она также подходит для ноутбуков или аналогичной низкопрофильной электроники, где запас для компонентов сильно ограничен. Конденсатор также может быть установлен вертикально на печатной плате для экономии места по сравнению с аналогичными конденсаторами.

Рис. 1. Конденсатор THAS131M450AD0C емкостью 130 мкФ рассчитан на 450 вольт и имеет толщину всего 9 мм, что делает его пригодным для управления двигателем и низкопрофильных печатных плат. (Источник изображения: Cornell Dubilier)

THAS131M450AD0C емкостью 130 мкФ может использоваться для замены батарей меньших конденсаторов для повышения надежности. ESR THAS131M450AD0C при 25°C составляет 1,12 Ом (Ом) при 120 Гц (Гц) и падает до 0,54 Ом при 20 кГц (кГц). Его низкое значение ESR делает его подходящим для импульсных источников питания, где необходимо свести к минимуму тепловыделение. Ток пульсаций при 85°C составляет 1,36 ампер (А), что также важно для источников питания.

Являясь частью семейства продуктов Cornell Dubilier THAS, конденсатор THAS131M450AD0C имеет гильзу из нержавеющей стали для повышения долговечности. Его клеммы имеют размер 20 AWG и подходят для большинства случаев монтажа печатных плат в сквозных отверстиях.

Для приложений, где напряжение должно сохраняться в течение короткого периода времени, разработчики могут обратиться к конденсатору THAS322M050AD0C серии THAS емкостью 3200 мкФ, 50 вольт. Он также имеет длину 66,5 мм при толщине 9 мм и имеет гильзу из нержавеющей стали. ESR на частоте 120 Гц составляет 0,05 Ом, а на частоте 20 кГц немного падает до 0,04 Ом. Он может выдерживать пульсирующий ток 3,48 А на частоте 20 кГц и 2,90 А при 20 Гц. Благодаря этому низкому ESR и высокой токовой способности его можно использовать в качестве 50-вольтового суперконденсатора для временного питания небольшой цепи, если основной источник питания недоступен.

Как и все конденсаторы Cornell Dubilier THAS, THAS322M050AD0C имеет вентиляционное отверстие в верхней части, четко показанное на рис. 2. Вентиляционное отверстие позволяет газу выходить из конденсатора в процессе нормальной работы, хотя выделение газа может усиливаться при высоких температурах. Выбрасываемый газ представляет собой смесь водорода и отработанных газов.

Рис. 2. Вентиляционное отверстие в верхней части конденсатора THAS322M050AD0C обеспечивает безопасный выход внутренних газов, которые накапливаются при нормальной работе. (Источник изображения: Cornell Dubilier)

Важное значение имеет вентиляция внутренних газов, особенно в конденсаторах высокой емкости. Водород и другие газы могут скапливаться внутри стального корпуса, повышая давление, что может привести к поломке. Если конденсатор имеет недостаточную вентиляцию, внутренние газы могут накапливаться до такой степени, что электролит может просочиться на печатную плату и вызвать короткое замыкание другой электроники, а в некоторых случаях конденсатор может даже взорваться. Обратите внимание, однако, что при размещении печатной платы важно убедиться, что вентиляционное отверстие конденсатора не имеет препятствий.

Для большей емкости заряда компания Cornell Dubilier разработала серию THA. Конденсаторы THA Thinpack имеют алюминиевые гильзы и при толщине 8,2 мм немного тоньше, чем конденсаторы серии THAS. Примером серии THA является THA442M035AC0C на 4400 мкФ, 50 вольт. Он имеет длину 53,8 мм и обеспечивает очень высокую плотность энергии по сравнению с аналогичными конденсаторами. Он имеет ESR 0,07 Ом при 120 Гц и 0,06 Ом при 20 кГц, что делает его подходящим для использования в качестве источника временного питания для небольшой электроники во время кратковременных перебоев в подаче питания.