Параметры электролитических конденсаторов

Параметры электролитических конденсаторов

Основы конструкции алюминиевых электролитических конденсаторов

Алюминиевые электролитические конденсаторы занимают особое положение среди остальных типов конденсаторов благодаря принципу их работы, основанному на электрохимических процессах. Электролитические конденсаторы нашли широкое применение благодаря следующим преимуществам: высокая удельная емкость (емкость на единицу объема), позволяющая изготавливать конденсаторы емкостью до 1 Ф, высокий максимально допустимый пульсирующий ток, высокая надежность, оптимальное отношение цена/производительность. Как и остальные конденсаторы, электролитические конденсаторы состоят из двух проводящих электричество обкладок, разделенных слоем диэлектрика. Один из электродов, называемый анодом, сделан из алюминиевой фольги с увеличенной эффективной площадью поверхности и покрыт диэлектрическим слоем оксида алюминия. В отличие от других конденсаторов в электролитических конденсаторах вторым электродом, называемым катодом, служит проводящая жидкость, называемая электролитом. Вторая алюминиевая фольга, называемая катодной фольгой, служит контактной поверхностью для проходящего через электролит тока.

Рис. 1. Внутреннее строение алюминиевого электролитического конденсатора


С целью увеличения емкости анодная фольга подвергается процессу травления. Получающиеся при этом микроуглубления увеличивают эффективную площадь поверхности до 200 раз. Меняя параметры процесса травления, добиваются нужной структуры и степени травления в соответствии с требованиями. Полученная таким образом фольга позволяет изготавливать очень компактные электролитические конденсаторы и широко применяется в настоящее время. Хотя электрические характеристики электролитических конденсаторов с гладкой фольгой (без травления) несколько лучше, они имеют значительно большие размеры и используются только для специальных целей. Для получения диэлектрического слоя анод подвергается процессу окисления (формирования слоя оксида алюминия на фольге). Толщина слоя пропорциональна формирующему напряжению с коэффициентом 1.2 нм/В. Даже для высоковольтных конденсаторов толщина слоя составляет менее 1 мкм, что позволяет получить очень маленькое межэлектродное расстояние. Это одна из причин высокой удельной емкости электролитических конденсаторов (например, минимальная толщина бумажного диэлектрика равна 6…8 мкм). Стенки полученных при травлении микроуглублений будут покрываться слоем оксида, толщина которого будет определяться величиной формирующего напряжения. Таким образом, требуемые размеры микроуглублений, а значит, и параметры химического травления будут зависеть от диапазона рабочих напряжений конденсатора. При увеличении напряжения на конденсаторе сопротивление оксидного слоя уменьшается, что приводит к быстрому росту тока.
Так как в электролитических конденсаторах в качестве катода используется жидкость, они также называются «жидкостными» или «нетвердотельными» конденсаторами. Преимущество жидкости состоит в том, что она заполняет собой микроуглубления травления, оптимально вписываясь в структуру анода. Две алюминиевые фольги отделены друг от друга слоем бумаги. Бумажная прослойка выполняет в конденсаторе несколько функций. Она является носителем электролита, которым предварительно пропитывается. Кроме того, она механически разделяет анод и катод, защищая их от короткого замыкания и обеспечивая необходимую диэлектрическую изоляцию между фольгой анода и катода.

Рис. 2. Строение намотки алюминиевого электролитического конденсатора


Электролитический конденсатор, имеющий описанное выше строение, будет работать правильно только при подключении анода, имеющего сформированную фольгу, к положительному полюсу, а катода — к отрицательному полюсу. Противоположная полярность вызовет электролитический процесс, который приведет к формированию диэлектрического слоя на фольге катода. При этом может произойти разрушение конденсатора, вызванное сильным разогревом и выделением большого количества газа. Кроме того, емкость катода, которая включена последовательно с емкостью анода, с ростом оксидного слоя на катоде будет резко падать, что приведет к значительному уменьшению емкости конденсатора. В связи с этим электролитический конденсатор описанной конструкции может работать только с постоянным напряжением. На постоянное напряжение может накладываться переменное пульсирующее напряжение, но при этом на аноде всегда должен быть плюс. Такие конденсаторы называются полярными, и именно они используются в большинстве применений. Хотя полярные конденсаторы не допускают переполюсовки, обратная полярность до 1.5 В допустима на короткие промежутки времени, так как формирование оксидного слоя на катоде при этом напряжении только начинается. (Это связано с тем, что фольга катода покрыта воздушно оксидным слоем, который соответствует анодированному диэлектрическому слою и имеет напряжение пробоя приблизительно 1.5 В.)

 
Электрические параметры

Номинальное напряжение VR
Номинальное напряжение VR — постоянное напряжение, на которое рассчитан конденсатор и которое указано на его корпусе. Электролитические конденсаторы с номинальным напряжением менее 100 В относятся к низковольтным, более 100 В — к высоковольтным.

Рабочее напряжение Vop
Непрерывная работа конденсаторов возможна при значениях полного напряжения (с учетом наложенного пульсирующего напряжения) от 0 В вплоть до номинального значения во всем диапазоне рабочих температур. Допускаются короткие импульсы обратного напряжения до –1.5 В.

Импульсное напряжение VS
Импульсное напряжение — максимальное кратковременное напряжение (до 5 раз по 1 мин. в течение часа), которое может выдержать конденсатор.

Наложенное переменное напряжение
Чтобы наложенное на постоянный уровень переменное напряжение, называемое пульсирующим напряжением, не нарушало нормальную работу конденсатора, необходимо, чтобы: сумма постоянного и наложенного переменного напряжения не превышала номинального значения, пульсации тока не превышали номинального значения, полярность напряжения не изменялась.

Обратное напряжение
Так как электролитические конденсаторы являются полярными приборами, нужно следить за соблюдением полярности. При необходимости для предотвращения изменения полярности параллельно конденсатору подключается диод. Прямое падение напряжения на диоде составляет приблизительно 0.8 В, что допустимо. Также допускается обратное напряжение до 1.5 В продолжительностью менее 1 с, если режим работы не является непрерывным.

Емкость по переменному и постоянному току
Для определения емкости конденсатора можно использовать как переменное напряжение, так и постоянное. В первом случае измеряется комплексное сопротивление конденсатора переменному току, во втором — измеряется заряд на конденсаторе при определенном постоянном напряжении. Емкость, измеренная по постоянному току, оказывается в 1.1…1.5 раза больше емкости по переменному току, причем максимальное расхождение наблюдается для низковольтных конденсаторов. Если конденсаторы используются для сглаживания пульсаций или связи по переменному току, то обычно определяют емкость по переменному току.

Рис. 3. Упрощенная эквивалентная схема электролитического конденсатора


Для этого измеряется емкостная составляющая эквивалентной последовательной схемы (последовательная емкость CS) при напряжении до 0.5 В. Если конденсатор применяется в таймерах или схемах разряда, то важнее знать емкость по постоянному току. Если известна емкость по переменному току, то для определения емкости по постоянному току используются коэффициенты пересчета. Если же все таки требуется измерить точную емкость по постоянному току, то используется метод однократного заряда и разряда конденсатора.

Номинальная емкость CR
Номинальная емкость CR — это емкость по переменному току, на которую спроектирован конденсатор и которая указана на его корпусе. Значения емкости определяются в соответствии со стандартами. Значения номиналов берутся из стандартных рядов E3 или E6.


Допуск емкости
Допуск емкости — это диапазон, в пределах которого фактическая величина емкости конкретного конденсатора может отклоняться от своего номинального значения. Для указания допуска на самом конденсаторе используются условные обозначения.

Зависимость емкости от температуры
При снижении температуры увеличивается емкость электролита, что приводит к уменьшению емкости.

Зависимость емкости от частоты
Значение емкости по переменному току зависит не только от температуры, но и от частоты измерения. Для частот, на которых емкостная составляющая эквивалентной схемы является доминирующей, значение емкости может быть получено, используя зависимость полного сопротивления конденсатора от частоты:

Тангенс угла потерь tg G
Тангенс угла потерь tg G — это отношение эквивалентного последовательного сопротивления к реактивной емкостной составляющей в эквивалентной последовательной схеме, которое можно рассматривать также как отношение мощности потерь к реактивной мощности для синусоидальных напряжений. Для проведения измерений используется та же модель, что и для определения последовательной емкости CS (см. Рис. 3).

Зависимость тангенса угла потерь от частоты и температуры
Так как тангенс угла потерь зависит от емкости, значит, он зависит и от частоты, и от температуры.

Собственная индуктивность ESL
Собственная индуктивность конденсатора включает в себя индуктивность выводов и индуктивность внутренней конструкции конденсатора. Она представлена индуктивной составляющей в эквивалентной последовательной схеме на Рис. 3.

Эквивалентное последовательное сопротивление ESR
Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) представлено резистивным компонентом на эквивалентной последовательной схеме. Значение ESR зависит от частоты и температуры и связано с тангенсом угла потерь следующим уравнением:

При вычислении ESR необходимо учитывать допуски на номинальную емкость конденсатора.

Полное сопротивление Z
Полное сопротивление конденсатора (импеданс) определяется следующими компонентами последовательной эквивалентной схемы, изображенной на Рис. 3:

1. емкостное реактивное сопротивление 1/ZS емкости CS,
2. диэлектрические потери и омическое сопротивление электролита и выводов (ESR),
3. индуктивное реактивное сопротивление ZSL обмотки и выводов конденсатора.
Индуктивное реактивное сопротивление ZSL зависит только от частоты, тогда как 1/ZCS и ESR зависят и от частоты, и от температуры. Полный импеданс конденсатора определяется характеристиками резистивных и реактивных компонентов. Емкостное реактивное сопротивление преобладает на низких частотах. С увеличением частоты емкостное реактивное сопротивление (XC = 1/ZS) уменьшается, пока не достигнет величины сопротивления электролита. На более высоких частотах при постоянной температуре преобладает сопротивление электролита. На резонансной частоте реактивное сопротивление обращается в нуль, так как емкостное и индуктивное реактивное сопротивление взаимно вычитаются. Выше резонансной частоты индуктивное сопротивление обмотки и выводов (XL = Z) начинает преобладать над емкостным, и полный импеданс начинает увеличиваться. С уменьшением температуры сопротивление электролита довольно быстро увеличивается.

Ток утечки Ileak
Ток утечки обусловлен специфическими свойствами слоя оксида алюминия, который служит диэлектриком в электролитических конденсаторах. Поэтому даже спустя длительное время после подачи на конденсатор постоянного напряжения небольшой ток утечки будет продолжать течь через конденсатор. Чем меньше этот ток, тем лучше спроектирован слой диэлектрика.

Зависимость тока утечки от времени и температуры
В первые минуты после подачи напряжения на конденсатор наблюдается начальный бросок тока утечки, особенно если перед этим конденсатор долгое время хранился без подачи на него напряжения. Если напряжение остается на конденсаторе продолжительное время, ток утечки уменьшается и достигает почти постоянного (установившегося) значения.

Рабочий ток утечки Ileak,op
Рабочий ток утечки — это установившееся значение тока утечки после долгой и непрерывной работы.

Зависимость тока утечки от времени хранения без напряжения
При длительном хранении электролитических конденсаторов без приложенного напряжения, особенно при высоких температурах, состояние окисного слоя может ухудшиться. Это связано с тем, что при наличии напряжения ток утечки переносит ионы кислорода к аноду, восстанавливая оксидный слой. Поэтому при подаче напряжения на конденсатор после длительного хранения в нем будет наблюдаться повышенный ток утечки. По мере восстановления оксидного слоя ток утечки будет приближаться к своему нормальному уровню. Электролитические конденсаторы можно хранить без напряжения до двух лет. При проектировании схем, включающих электролитические конденсаторы, необходимо учитывать, что в первые минуты после включения ток утечки конденсаторов может в 100 раз превышать номинальный. При использовании конденсаторов со сроком хранения больше двух лет очень важно знать, рассчитана ли схема на высокие начальные токи утечки. Если устройство, содержащее электролитические конденсаторы, хранилось более двух лет, его нужно включить в рабочее состояние на один час, после чего хранение может быть продолжено.

Электрическая прочность и сопротивление изоляции изолирующего покрытия
Большинство электролитических конденсаторов покрыто изолирующей пленкой. При обращении с конденсаторами необходимо соблюдать осторожность, чтобы не повредить изолирующую пленку, особенно при использовании кольцевых зажимов для установки. Изолирующая оболочка имеет сопротивление изоляции не менее 100 МОм. Для конденсаторов с верхней рабочей температурой +85 °C и +105 °C используется укороченная изолирующая пленка из поливинилхлорида, некоторые типы могут иметь герметичное покрытие из полиэстера. Конденсаторы с верхней рабочей температурой +125 °C имеют стандартное герметичное покрытие из полиэстера.

Пульсирующий ток
Под пульсирующим током понимается среднеквадратичное значение переменного тока, вызванного пульсирующим напряжением. Максимально допустимое значение пульсаций тока зависит от температуры окружающей среды, площади поверхности конденсатора, через которую рассеивается тепло, тангенса угла потерь tg G (или ESR) и частоты пульсирующего тока. Длительность срока службы конденсатора в сильной степени зависит от теплового режима его эксплуатации. Поэтому пульсации тока, сопровождаемые выделением тепла, существенно влияют на продолжительность срока службы. С учетом тепла, вызванного пульсациями тока, для некоторых применений может потребоваться конденсатор с более высоким номинальным напряжением или номинальной емкостью, чем требуют электрические параметры устройства.

Зависимость пульсирующего тока от частоты
Величина пульсирующего тока зависит от тангенса угла потерь, связанного с эквивалентным последовательным сопротивлением. В свою очередь тангенс угла потерь зависит от частоты приложенного напряжения. В результате пульсирующий ток также зависит от частоты. Обычно в технических описаниях приводятся значения максимально допустимого тока пульсаций для частоты 100 или 120 Гц, в некоторых случаях — для частоты 10 или 20 кГц. Кроме того, приводится график нормированных зависимостей для пересчета на другие рабочие частоты.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

© 2022 | RRET |
Яндекс.Метрика