Долговечность керамических, танталовых и электролитических конденсаторов

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.

Основные параметры для расчетов

Необходимо рассчитать допустимые режимы работы. Для этого учитывается следующий набор характеристик:

1. Емкость. При использовании тантала достигаются ее высокие значения за счет площади структуры и ее пористости.
2. Номинальное напряжение. Танталовые электролитические конденсаторы рекомендуется использовать при значениях ниже заявленного номинального – 75В.
3. Импеданс – полное сопротивление. Уменьшается с ростом рабочей частоты.
4. Последовательное сопротивление – ESR.
5. Максимальный уровень перегрева. Он же – рассеиваемая мощность.

Точные значения параметров можно найти в технической документации, поставляемой с устройством.

Емкость конденсатора

Электрические заряды

Как вы знаете, существует два типа зарядов: положительный заряд и отрицательный заряд. Ну и все как обычно, одноименные заряды отталкивается, а разноименные  – притягиваются. Физика седьмой класс).

Давайте еще раз рассмотрим простую модель конденсатора.

Если мы соединим наш конденсатор с каким-нибудь источником питания постоянного тока, то мы его зарядим. В этот момент положительные заряды, которые идут от плюса источника питания, осядут на одной пластине, а отрицательные заряды с минуса источника питания – на другой.

Самое интересное то, что количество положительных зарядов будет равняться количеству отрицательных зарядов.

Даже если мы отсоединим источник питания постоянного тока, то у нас конденсатор так и останется заряженным.

Почему так происходит?

Во-первых, заряду некуда течь. Хотя с течением времени он все равно будет разряжаться. Это  зависит от материала диэлектрика.

Во-вторых, происходит взаимодействие зарядов. Положительные заряды притягиваются к отрицательным, но они не могут соединиться с друг другом, так как им мешает диэлектрик, который, как вы знаете, не пропускает электрический ток. В это время между обкладками конденсатора возникает электрическое поле, которое как раз и запасает энергию конденсатора.

Когда конденсатор заряжается, электрическое поле между обкладками становится сильнее. Соответственно, когда конденсатор разряжается, электрическое поле слабеет. Но как много заряда мы можем “впихнуть” в конденсатор? Вот здесь и применяется такое понятие, как емкость конденсатора.

Что такое емкость

Емкость конденсатора – это его способность накапливать заряд на своих пластинах в виде электрического поля.

Но ведь емкость может быть не только у конденсатора. Например, емкость бутылки 1 литр, или емкость бензобака – 100 литров и так далее. Мы ведь не можем впихнуть в бутылку емкость в 1 литр больше, чем рассчитана эта бутылка, так ведь? Иначе остатки жидкости просто не влезут в бутылку и будут выливаться из нее. Точно такие же дела и обстоят с конденсатором. Мы не сможем впихнуть в него заряда больше, если он не рассчитан на это. Поэтому, емкость конденсатора выражается формулой:

где

С – это емкость, Фарад

Q – количество заряда на одной из обкладок конденсатора, Кулоны

U – напряжение между пластинами, Вольты

Получается, 1 Фарад – это когда на обкладках конденсатора хранится заряд в 1 Кулон и напряжение между пластинами 1 Вольт. Емкость может принимать только положительные значения.

Значение в 1 Фарад – это слишком много. На практике в основном пользуются значениями микрофарады, нанофарады и пикофарады. Хочу вам напомнить, что приставка “микро” – это 10-6 , “нано” – это 10-9 , пико – это 10-12 .

Танталовые конденсаторы

Конденсатор из тантала или оксида тантала на самом деле представляет собой тип электролитического конденсатора. Они доступны в небольших упаковках SMD (для поверхностного монтажа) и поляризованы как конденсаторы из оксида алюминия. Однако конденсаторы из оксида тантала имеют гораздо более высокое значение емкости для своего размера. Они дороже, чем оксид алюминия, но они более надежны, более стабильны и работают лучше на определенных частотах. Танталовые конденсаторы часто используются в качестве «развязывающих» или «обходных» конденсаторов, которые уменьшают электронный «шум» в цифровых цепях.

Полярность конденсатора

Полярность: некоторые конденсаторы изготавливаются таким образом, что они могут выдерживать приложенное напряжение только одной полярности, но не другой. Это связано с их конструкцией: диэлектрик представляет собой микроскопически тонкий слой изоляции, нанесенный во время изготовления на одну из пластин с помощью постоянного напряжения. Они называются электролитическими конденсаторами, и их полярность четко обозначена.

Рисунок 1 – Полярность конденсатора

Изменение полярности напряжения на электролитическом конденсаторе может привести к разрушению этого сверхтонкого диэлектрического слоя, что приведет к разрушению устройства. Однако толщина этого диэлектрика позволяет получать чрезвычайно высокие значения емкости при относительно небольшом размере корпуса. По той же причине электролитические конденсаторы имеют тенденцию иметь низкое номинальное напряжение по сравнению с другими типами конструкций конденсаторов.

Приборы без функции измерения емкости

Tакие модели используют в режиме омметра. Порядок действий: черный щуп включают в гнездо «СОМ» (отрицательный потенциал), красный — в «V/Ω» (положительный потенциал); переключатель устанавливают в сектор «Ω» на позицию 2 МОм; соблюдая полярность, касаются щупами выводов. B режиме омметра мультиметр подает на щупы напряжение. Оно заряжает конденсатор и сопротивление последнего, постепенно нарастает от мизерного до величины свыше 2 МОм или бесконечности (обозначается единицей на дисплее). Рост сопротивления объективнее всего отражает аналоговый (стрелочный) тестер. О неисправности свидетельствует такое поведение прибора, когда сопротивление: сразу стало бесконечным: оборван вывод; остановилось на отметке ниже 2 МОм: конденсатор пробит.

Приборы без функции измерения емкости.

По времени, за которое сопротивление возрастает от минимума до максимума, путем сравнения с заведомо исправными конденсаторами, можно приблизительно определить емкость исследуемого. Данный метод не подходит для проверки конденсаторов с малой емкостью — 20 мкФ и ниже. Они быстро заряжаются и даже у исправного элемента сопротивление практически сразу становится бесконечным. Для проверки на обратимый пробой конденсатор подключают к лабораторному источнику постоянного тока с регулятором напряжения, последовательно с ним — мультиметр в режиме амперметра. Напряжение плавно увеличивают до максимально допустимого. Если в течение этого процесса тестер отобразит отличную от нуля силу тока, значит имеет место обратимый пробой.

Тест электролитических конденсаторов

Конденсаторы построены в порядке убывания качества звука. Все протестированные электролитические конденсаторы здорово уступают среднему по стоимости и качеству звука плёночному конденсатору Sоlеn.

• Blаск Gаtе n – самый сбалансированный по звуку конденсатор среди всех тестируемых. Давно снят с производства – есть современные анти звуковые подделки.
• Еvох Rifа – звук напоминает бумажный конденсатор – глубокие низкие частоты и красивая середина, немного не хватает верхних частот – это легко выправляется шунтированием “быстрой плёночной” ёмкостью 0.15- 0.01мкф. Выпускается в ограниченном количестве и применяется в военной – бортовой / силовой электронике, в авто / судо / космос / самолётостроении. Конденсатор низкоимпедансный, высокотемпературный – 150гр/ц и обладает повышенной надёжностью.
• Blаск Wаtеr FК – правильно сбалансирован по всему частотному диапазону, но проиграл “ЕVОХ RIFА РЕG 124” по качеству воспроизведения низких и средних частот. Давно снят с производства – есть современные анти звуковые подделки.
• Sаnyо Оsсоn – самый непонятный электролитический конденсатор, в разных схемах разный звуковой подчерк. По сравнению с другими звук трудно объяснимый – можно сказать “сладкий”. В начале подкупает, а потом чувствуешь искусственность, ненатуральность. Лучшее применение – шунтирование катодного резистора. В полупроводниковой схеме хорошо показал себя в обратной связи.
• Еlnа Саrifunе – провал на средних частотах, излишний акцент на высоких. Применяется в современных дорогостоящих High Еnd Аudiо изделиях. Выдаёт звук на уровне “РАNАSОNIС FМ” и здорово уступает всем другим протестированным конденсаторам.

Надпись “Аudiо” на современных электролитических конденсаторах констатирует – это обыкновенный, серийный, низкоимпедансный, электролитический конденсатор повышенной стоимости (только за надпись “Аudiо”).

Всем пользователям хорошо знакомы с “глюки” мониторов, компьютеров, телеприёмников и.т.д. – это наглядная и негативная работа электролитических конденсаторов (любых производителей). Самые нелепые неполадки радиоаппаратуры происходящие в электронной природе провоцируют исключительно электролиты. Если схема тупо “глючит” – меняйте “кондёры” и проблема будет решена на 100%. Малейшее вздутие верхней части корпуса говорит – конденсатор пробит и никаким заряд/разрядом его не восстановить.

Производство электролитических конденсаторов

Металлы, оксиды которых характеризуются выпрямляющими свойствами, называли вентильными по аналогии с полупроводниковыми диодами. Несложно догадаться, что окисление приводит к образованию материала с проводимостью n-типа. Это считается основным условием существования вентильного металла. Из перечисленных выше ярко выраженными позитивными свойствами обладают лишь два:

1. Алюминий.
2. Тантал.

Производство электролитических конденсаторов.

Алюминиевые конденсаторы применяется намного чаще, благодаря относительной дешевизне и распространённости в Земной коре. Тантал используют в крайних случаях. Наращивание оксидной плёнки происходит двумя путями:

• Первой методикой становится поддержание постоянного тока. В процессе роста толщины окисла сопротивление растёт. Следовательно, в цепь последовательно с конденсатором на время формовки включается реостат. Процесс контролируется по падению напряжения на переходе Шоттки, при необходимости шунт подстраивается так, чтобы параметры оставались постоянными. Скорость формовки на начальном этапе постоянна, потом происходит точка перегиба со снижением параметра, через определённый интервал дальнейший рост оксидной плёнки идёт столь медленно, что технологический цикл считается завершённым. При первом перегибе анод часто начинает искрить. Соответственно, и присутствующее напряжение называется аналогично. На второй точке искрение резко усиливается, дальнейший процесс формовки нецелесообразен. А второй перегиб называют максимальным напряжением.
• Вторая методика формовки оксидного слоя сводится к поддержанию на аноде постоянного напряжения. В этом случае ток убывает по экспоненте. Напряжение выбирают ниже напряжения искрения. Процесс идёт до остаточного прямого тока, ниже которого уровень уже не опускается. Потом формовка оканчивается.

Большую роль в процессе формовки играет правильный подбор электролита. В промышленности это сводится к изучению взаимодействия агрессивных сред с алюминием:

1. Представители первой группы электролитов, сюда относится борная, лимонная кислота и бура, почти не растворяют алюминий и оксид. Массово используются при производстве электролитических конденсаторов. Длительная формовка приводит к падению напряжения до 1500 В, определяющего толщину слоя диэлектрика.
2. Хромовая, серная, янтарная и щавелевая кислоты хорошо растворяют оксид алюминия, но не затрагивают металл. Отличительной особенностью формовки становится сравнительно толстый слой диэлектрика. Причём при дальнейшем наращивании не происходит значительного снижения тока или повышения напряжения. Такой процесс применяется для формирования электрических конденсаторов с относительно низкими рабочими характеристиками (до 60 В). К окиси алюминия в пористых структурах примешиваются гидраты и соли используемой кислоты. Указанные процессы способны использоваться в защитных целях. Тогда формовка идёт по предыдущей схеме (первая группа), а довершается по описанной. Защитный слой гидроксидов предохраняет окисел от разрушения в процессе эксплуатации.
3. Третья группа электролитов включает преимущественно соляную кислоту. Эти вещества в процессе формовки не применяются, хорошо растворяют алюминий и его соли. Зато охотно используются для очистки поверхностей.

Для тантала и ниобия все электролиты подпадают под классификацию первой группы. Величина ёмкости конденсатора определяется преимущественно напряжением, при котором окончена формовка. Аналогичным образом используют многоатомные спирты, глицерин и этиленгликоль, соли.

Не все процессы идут по схеме, описанной выше. К примеру, при формовке алюминия в растворе серной кислоты по методу постоянного тока на графике выделяют участки:

1. Несколько секунд наблюдается быстрый рост напряжения.
2. Потом с прежней скоростью наблюдается спад до уровня порядка 70% от достигнутого пика.
3. За третью стадию нарастает толстый пористый слой оксида, напряжение растёт крайне медленно.
4. На четвёртом участке напряжение резко растёт до наступления искрового пробоя. Формовка заканчивается.

Немало зависит от технологии. На толщину слоя, а следовательно, рабочее напряжение и долговечность конденсатора, влияют концентрация электролита, температура, прочие параметры.

Долговечность танталовых конденсаторов

Танталовые конденсаторы имеют более длительный срок хранения. Электрические параметры этих конденсаторов существенно не меняются при долгом хранении. В отличие от алюминиевых электролитических конденсаторов, танталовые обладают более высокой стабильностью и их емкость не ухудшается со временем. 

Многочисленные исследования показали что такие конденсаторы можно хранить в течение длительного периода времени с небольшими изменениями электрических характеристик или вообще без них. Тем не менее имеется небольшое изменение тока утечки, когда танталовый конденсатор хранится в неблагоприятных условиях.

Хранение танталовых конденсаторов при высоких температурах может вызвать значительное изменение этого тока, но нормальный ток утечки восстанавливается когда напряжение подается на компонент в течение короткого времени. Небольшие изменения или отсутствие изменений тока утечки замечены, когда эти конденсаторы хранятся при низких температурах. При хранении танталовых конденсаторов рекомендуется следовать инструкциям производителя. 

Эквивалентная схема конденсатора

Эквивалентная схема: поскольку пластины в конденсаторе имеют некоторое сопротивление, и поскольку ни один диэлектрик не является идеальным изолятором, не существует такой вещи, как «идеальный» конденсатор. В реальной жизни конденсатор имеет как последовательное сопротивление, так и параллельное сопротивление (сопротивление утечки), взаимодействующие с его чисто емкостными характеристиками:

Рисунок 2 – Эквивалентная схема конденсатора

К счастью, относительно легко изготовить конденсаторы с очень маленьким последовательным сопротивлением и очень высоким сопротивлением утечки!

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

Оксидные конденсаторы

Как известно, высокие удельные характеристики оксидных конденсаторов достигаются благодаря высокоразвитой поверхности исходного электрода из вентильного металла, на котором после формовки образуется необходимый слой соответствующего оксида. В алюминиевых конденсаторах высокоразвитая поверхность электрода образуется относительно просто в результате травления поверхности специальной алюминиевой фольги. В отличие от алюминия, повышенная химическая стойкость тантала вызывает технологические трудности, когда его подвергают травлению, чтобы получить развитую поверхность фольгового электрода. Кроме того, технология травления танталовой фольги экологически далеко не безопасна.

Поэтому в традиционном базовом конструктивно-технологическом решении наиболее массовых типов танталовых конденсаторов высокоразвитая поверхность электрода реализована в виде внутренней поверхности спрессованного из специальных танталовых порошков объемно-пористого тела, в центре которого расположен проволочный анодный вывод конденсатора. До недавнего времени совершенствование конденсаторов этого вида в части улучшения их массогабаритных характеристик основывалось на применении все более мелкодисперсных танталовых порошков, имеющих все более развитую поверхность и, соответственно, все более высокий исходный удельный заряд. Если в конце прошлого века наиболее распространенными были порошки с удельным зарядом порядка нескольких тысяч микрокулон на грамм, то в современных танталовых порошках удельный заряд уже превышает 100 тыс. мкКл/г.

В результате удельные заряды танталовых конденсаторов выросли более чем на порядок. Однако анализ тенденций и направлений в сфере применения танталовых конденсаторов показывает, что указанный путь развития конденсаторов недостаточно эффективен и не может полностью удовлетворить современные требования разработчиков радиоэлектронной аппаратуры. Так, в последние годы существенно расширился диапазон рабочих частот преобразователей в источниках вторичного электропитания аппаратуры (ИВЭП) – традиционной области применения танталовых конденсаторов.

Танталовые конденсаторы теперь должны работать и в импульсных режимах, в частности как высокоэффективные накопители энергии для питания приемно-передающих модулей активных фазированных антенных решеток (АФАР). Повысились требования к быстродействию вычислительных блоков аппаратуры, где танталовые низковольтные конденсаторы используются в качестве резервных источников питания. Если ранее традиционная область рабочих частот танталовых конденсаторов реально ограничивалась единицами и десятками килогерц, то сегодня спектр рабочих частот этих конденсаторов расширился до порядков сотен килогерц – единиц мегагерц.

Таким образом, возникла объективная предпосылка для повышения частотной стабильности параметров, и в первую очередь – емкости конденсаторов. Однако практикуемый способ повышения удельного заряда конденсаторов за счет использования высокозарядных порошков (в рамках традиционного конструктивно-технологического решения с центральным анодным выводом) дает, к сожалению, совершенно обратный результат.