"НЕТ" электролитическим конденсаторамв Hi-End Audio. Электролитические конденсаторы большой емкостиКонденсатор вместо аккумулятора / Статьи и обзоры / Элек.ру18 февраля 2014 г. в 15:22, 41433 Для накопления электроэнергии люди сначала использовали конденсаторы. Потом, когда электротехника вышла за пределы лабораторных опытов, изобрели аккумуляторы, ставшие основным средством для запасания электрической энергии. Но в начале XXI века снова предлагается использовать конденсаторы для питания электрооборудования. Насколько это возможно и уйдут ли аккумуляторы окончательно в прошлое? Причина, по которой конденсаторы были вытеснены аккумуляторами, была связана со значительно большими значениями электроэнергии, которые они способны накапливать. Другой причиной является то, что при разряде напряжение на выходе аккумулятора меняется очень слабо, так что стабилизатор напряжения или не требуется или же может иметь очень простую конструкцию. Главное различие между конденсаторами и аккумуляторами заключается в том, что конденсаторы непосредственно хранят электрический заряд, а аккумуляторы превращают электрическую энергию в химическую, запасают ее, а потом обратно преобразуют химическую энерию в электрическую. При преобразованиях энергии часть ее теряется. Поэтому даже у лучших аккумуляторов КПД составляет не более 90%, в то время, как у конденсаторов он может достигать 99%. Интенсивность химических реакций зависит от температуры, поэтому на морозе аккумуляторы работают заметно хуже, чем при комнатной температуре. Кроме этого, химические реакции в аккумуляторах не полностью обратимы. Отсюда малое количество циклов заряда-разряда (порядка единиц тысяч, чаще всего ресурс аккумулятора составляет около 1000 циклов заряда-разряда), а также «эффект памяти». Напомним, что «эффект памяти» заключается в том, что аккумулятор нужно всегда разряжать до определенной величины накопленной энергии, тогда его емкость будет максимальной. Если же после разрядки в нем остается больше энергии, то емкость аккумулятора будет постепенно уменьшаться. «Эффект памяти» свойственнен практически всем серийно выпускаемым типам аккумуляторов, кроме, кислотных (включая их разновидности — гелевые и AGM). Хотя принято считать, что литий-ионным и литий-полимерным аккумуляторам он не свойственнен, на самом деле и у них он есть, просто проявляется в меньшей степени, чем в других типах. Что же касается кислотных аккумуляторов, то в них проявляется эффект сульфатации пластин, вызывающий необратимую порчу источника питания. Одной из причин является длительное нахождение аккумулятора в состоянии заряда менее, чем на 50%. Применительно к альтернативной энергетике «эффект памяти» и сульфатация пластин являются серьезными проблемами. Дело в том, что поступление энергии от таких источников, как солнечные батареи и ветряки, сложно спрогнозировать. В результате заряд и разряд аккумуляторов происходят хаотично, в неоптимальном режиме. Для современного ритма жизни оказывается абсолютно неприемлемо, что аккумуляторы приходится заряжать несколько часов. Например, как вы себе представляете поездку на электромобиле на дальние расстояния, если разрядившийся аккумулятор задержит вас на несколько часов в пункте зарядки? Скорость зарядки аккумулятора ограничена скоростью протекающих в нем химических процессов. Можно сократить время зарядки до 1 часа, но никак не до нескольких минут. В то же время, скорость зарядки конденсатора ограничена только максимальным током, который дает зарядное устройство. Перечисленные недостатки аккумуляторов сделали актуальным использование вместо них конденсаторов. Использование двойного электрического слояНа протяжении многих десятилетий самой большой емкостью обладали электролитические конденсаторы. В них одной из обкладок являлась металлическая фольга, другой — электролит, а изоляцией между обкладками — окись металла, которой покрыта фольга. У электролитических конденсаторов емкость может достигать сотых долей фарады, что недостаточно для того, чтобы полноценно заменить аккумулятор. Сравнение конструкций разных типов конденстаторов (Источник: Википедия) Большую емкость, измеряемую тысячами фарад, позволяют получить конденсаторы, основанные на так называемом двойном электрическом слое. Принцип их работы следующий. Двойной электрический слой возникает при определенных условиях на границе веществ в твердой и жидкой фазах. Образуются два слоя ионов с зарядами противоположного знака, но одинаковой величины. Если очень упростить ситуацию, то образуется конденсатор, «обкладками» которого являются указанные слои ионов, расстояние между которыми равно нескольким атомам. Суперконденсаторы различной емкости производства Maxwell Конденсаторы, основанные на данном эффекте, иногда называют ионисторами. На самом деле, этот термин не только к конденсаторам, в которых накапливается электрический заряд, но и к другим устройствам для накопления электроэнергии — с частичным преобразованием электрической энергии в химическую наряду с сохранением электрического заряда (гибридный ионистор), а также для аккумуляторов, основанных на двойном электрическом слое (так называемые псевдоконденсаторы). Поэтому более подходящим является термин «суперконденсаторы». Иногда вместо него используется тождественный ему термин «ультраконденсатор». Техническая реализацияСуперконденсатор представляет собой две обкладки из активированного угля, залитые электролитом. Между ними расположена мембрана, которая пропускает электролит, но препятствует физическому перемещению частиц активированного угля между обкладками. Следует отметить, что суперконденсаторы сами по себе не имеют полярности. Этим они принципиально отличаются от электролитических конденсаторов, для которых, как правило, свойственна полярность, несоблюдение которой приводит к выходу конденсатора из строя. Тем не менее, на суперконденсаторах также наносится полярности. Связано это с тем, что суперконденсаторы сходят с заводского конвейера уже заряженными, маркировка и означает полярность этого заряда. Параметры суперконденсаторовМаксимальная емкость отдельного суперконденсатора, достигнутая на момент написания статьи, составляет 12000 Ф. У массово выпускаемых супероконденсаторов она не превышает 3000 Ф. Максимально допустимое напряжение между обкладками не превышает 10 В. Для серийно выпускаемых суперконденсаторов этот показатель, как правило, лежит в пределах 2,3 – 2,7 В. Низкое рабочее напряжение требует использование преобразователя напряжения с функцией стабилизатора. Дело в том, что при разряде напряжение на обкладках конденсатора изменяется в широких пределах. Построение преобразователя напряжения для подключения нагрузки и зарядного устройства являются нетривиальной задачей. Предположим, что вам нужно питать нагрузку с мощностью 60 Вт. Для упрощения рассмотрения вопроса пренебрежем потерями в преобразователе напряжения и стабилизаторе. В том случае, если вы работаете с обычным аккумулятором с напряжением 12 В, то управляющая электроника должна выдерживать ток в 5 А. Такие электронные приборы широко распространены и стоят недорого. Но совсем другая ситуация складывается при использовании суперконденсатора, напряжение на котором составляет 2,5 В. Тогда ток, протекающий через электронные компоненты преобразователя, может достигать 24 А, что требует новых подходов к схмотехнике и современной элементной базы. Именно сложностью с построением преобразователя и стабилизатора можно объяснить тот факт, что суперконденсаторы, серийный выпуск которых был начат еще в 70-х годах XX века, только сейчас стали широко использоваться в самых разных областях. Принципиальная схема источника бесперебойного питания напряжением на суперконденсаторах, основные узлы реализованы на одной микосхеме производства LinearTechnology Суперконденсаторы могут соединяться в батареи с использованием последовательного или параллельного соединения. В первом случае повышается максимально допустимое напряжение. Во втором случае — емкость. Повышение максимально допустимого напряжения таким способом является одним из способов решения проблемы, но заплатить за нее придется снижением емкости. Размеры суперконденсаторов, естественно, зависят от их емкости. Типичный суперконденсатор емкостью 3000 Ф представляет собой цилиндр диаметром около 5 см и длиной 14 см. При емкости 10 Ф суперконденсатор имеет размеры, сопоставимые с человеческим ногтем. Хорошие суперконденсаторы способны выдержать сотни тысяч циклов заряда-разряда, превосходя по этому параметру аккумуляторы примерно в 100 раз. Но, как и у электролитических конденсаторов, для суперконденсаторов стоит проблема старения из-за постепенной утечки электролита. Пока сколь-нибудь полной статистики выхода из строя суперконденсаторов по данной причине не накоплено, но по косвенным данным, срок службы суперконденсаторов можно приблизительно оценить величиной 15 лет. Накапливаемая энергияКоличество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в джоулях: E = CU2/2,где C — емкость, выраженная в фарадах, U — напряжение на обкладках, выраженное в вольтах. Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в кВтч, равно: W = CU2/7200000 Отсюда, конденсатор емкостью 3000 Ф с напряжением между обкладками 2,5 В способен запасти в себе только 0,0026 кВтч. Как это можно соотнести, например, с литий-ионным аккумулятором? Если принять его выходное напряжение не зависящим от степени разряда и равным 3,6 В, то количество энергии 0,0026 кВтч будет запасено в литий-ионном аккумуляторе емкостью 0,72 Ач. Увы, весьма скромный результат. Применение суперконденсаторовСистемы аварийного освещения являются тем местом, где использование суперконденсаторов вместо аккумуляторов дает ощутимый выигрыш. В самом деле, именно для этого применения характерна неравномерность разрядки. Кроме этого, желательно, чтобы зарядка аварийного светильника происходила быстро, и чтобы используемый в нем резервный источник питания имел большую надежность. Источник резервного питания на основе суперконденсатора можно встроить непосредственно в светодиодную лампу T8. Такие лампы уже выпускаются рядом китайских фирм. Грунтовый светодиодный светильник с питанием от солнечных батарей, накопление энергии в котором осуществляется в суперконденсаторе Как уже отмечалось, развитие суперконденсаторов во многом связано с интересом к альтернативным источникам энергии. Но практическое применение пока ограничено светодиодными светильниками, получающими энергию от солнца. Активно развивается такое направление как использование суперконденсаторов для запуска электрооборудования. Суперконденсаторы способны дать большое количество энергии в короткий интервал времени. Запитывая электрооборудование в момент пуска от суперконденсатора, можно уменьшить пиковые нагрузки на электросеть и в конечном счете уменьшить запас на пусковые токи, добившись огромной экономии средств. Соединив несколько суперконденсаторов в батарею, мы можем достичь емкости, сопоставимой с аккумуляторами, используемыми в электромобилях. Но весить эта батарея будет в несколько раз больше аккумулятора, что для транспортных средств неприемлемо. Решить проблему можно, используя суперконденсаторы на основе графена, но они пока существуют только в качестве опытных образцов. Тем не менее, перспективный вариант знаменитого «Ё-мобиля», работающий только от электричества, в качестве источника питания будет использовать суперконденсаторы нового поколения, разработка которых ведется российскими учеными. Суперконденсаторы также дадут выигрыш при замене аккумуляторов в обычных машинах, работающих на бензине или дизельном топливе — их использование в таких транспортных средствах уже является реальностью. Пока же самым удачным из реализованных проектов внедрения суперконденсаторов можно считать новые троллейбусы российского производства, вышедшие недавно на улицы Москвы. При прекращении подачи напряжения в контактную сеть или же при «слетании» токосъемников троллейбус может проехать на небольшой (порядка 15 км/ч) скорости несколько сотен метров в место, где он не будет мешать движению на дороге. Источником энергии при таких маневрах для него является батарея суперконденсаторов. В общем, пока суперконденсаторы могут вытеснить аккумуляторы только в отдельных «нишах». Но технологии бурно развиваются, что позволяет ожидать, что уже в ближайшем будущем область применения суперконденсаторов значительно расширится. Алексей Васильевwww.elec.ru Алюминиевые электролитические конденсаторы » Портал инженераСовременные электролитические конденсаторы, более правильно называть Алюминиевые электролитические конденсаторы, используются в огромных количествах в современной электронике. Они экономически эффективны и могут обеспечить большую емкость на единицу объема, в сравнении с другими типами конденсаторов. Это позволяет их использоваться в цепях, где участвуют большие токи или низкие частоты. Алюминиевые электролитические конденсаторы, как правило, используется в таких областях как аудио усилители всех типов (от Hi-Fi до мобильных телефонов) и в цепях питания.Как и в ситуации с любым другим типом конденсаторов, надо понять их преимущества и ограничения, что позволит вам использовать их наиболее эффективно.
Развитие электролитических конденсаторов Электролитический конденсатор использовался на протяжении многих лет. Его история можно проследить от тех самых дней когда были сделаны первые голосовые трансляции. В то время, беспроводные ламповые приборы были очень дорогими, к тому-же эти устройства должны были работать от батарей. Однако с дальнейшим развитием вакуумных ламп, стало возможным использовать сеть переменного тока. Это было прекрасное время, для питания ламп от сети переменного тока, требовалось выпрямление и фильтрация анодного напряжения питания, для предотвращения сетевого шума, который пролазил из питания в аудиосигнал. Для того, чтобы иметь возможность использовать конденсатор в радиоприемнике он должен быть не слишком большим, и Юлий Лиленфилд, который активно участвовал в разработке беспроводных приборов для домашнего использования, смог сделать электролитический конденсатор, позволяющий иметь достаточно высокую емкость, при разумном размере, который в дальнейшем и использоваться в радиоприборах. Символы, обозначающие электролитические конденсаторы Электролитический конденсатор является формой поляризованного конденсатора. Символ электролитического канала имеет полярность, и это важно, для того чтобы обеспечить правильную установку конденсатора и избежать подключения в обратной полярности.
Символы, используемые для полярных электролитических конденсаторов Существует множество схематических символов, используемых для электролитических конденсаторов. Первый '1' является той версией, которая, как правило, используется в европейских схемах, в то время как '2' используется во многих американских схемах и '3' можно увидеть на некоторых старых схемах. Некоторые схемы, не печатают знак "+" рядом с символом пластин, где уже очевидно, какая пластина имеет какую полярность. Технология производства электролитического конденсатора Как указывает название, в электролитическом конденсаторе используется электролит (ионная проводящая жидкость) в качестве одной из его пластин для достижения большей емкости на единицу объема, чем другие виды конденсаторов. Увеличить емкость конденсаторов можно несколькими способами: увеличением диэлектрической проницаемости; увеличением площади поверхности электрода; и уменьшением расстояния между электродами. Электролитические конденсаторы используют высокую диэлектрическую проницаемость слоя оксида алюминия на пластине конденсатора, которая в среднем от 7 до 8. Это больше, чем другие диэлектрики, таких как майлар, который имеет диэлектрическую постоянную 3, а слюда около 6 - 8. В дополнение к этому, эффективная площадь поверхности электрода конденсатора увеличивается с коэффициентом шероховатости вплоть до 120 единиц для алюминиевой фольги высокой чистоты. Это один из ключей к производству конденсаторов с очень высокой емкостью. Конструкция электролитических конденсаторов Пластины электролитического конденсатора изготовлены из проводящего слоя алюминиевой фольги. Эта пластина изготавливается очень тонкой и гибкой, такие электроды легко упаковывать в малый объем в конце производственного процесса.
Оба электрода из фольги немного отличаются. Их покрывают изолирующим оксидным слоем, а между ними прокладывают изолирующий бумажный слой смоченный в электролите. Фольга, которая изолирована более толстым оксидным слоем и является анодом по отношению к жидкому электролиту. Толщина оксидной пленки анода тонкая выбирается из соображений требований к рабочему напряжению. Фольга, которая идет в качестве катода, хотя и имеет естественный оксидный слой, но он значительно тоньше.
Структура электролитического конденсатора Для того, чтобы упаковать обе обкладки из фольги с пропитанной электролитом бумагой их скатывают вместе, чтобы сформировать цилиндр, и помещают в алюминиевый стаканчик. Таким образом, электролитический конденсатор является компактным и надежным при этом он защищен алюминиевым стаканчиком. Есть две геометрические формы, которые используются для подключения выводов. Одной из них является использование осевых выводов, по одному с каждой плоской поверхностью цилиндра. Другой альтернативой является использование двух выводов, оба из которых находятся на той же грани цилиндра. Описание осевых и радиальных выводов будут даны в ссылках на компоненты.
Для изготовления электролитического конденсатора необходимо использовать фольгу для анода высокой чистоты. Типично толщиной 50 и 100 мкм. Катод тоже делают из чистого алюминия, но требования к нему не такие жесткие, как для анода. Толщина используемой фольга от 20 до 50 мкм. Чтобы увеличить площадь поверхности анода и катода, и соответственно, чтобы увеличить емкость, увеличивают шероховатость поверхности посредством травления. Есть два основных спосба, и оба они связаны с использованием соляной кислоты. Свойства электролитических конденсаторов Электролитические конденсаторы имеют ряд параметров, которые не менее важны чем емкость и емкостное сопротивление. При проектировании схем с использованием электролитических конденсаторов необходимо обращать внимание на эти параметры, некоторых конструкций могут быть очень критичны к ним.
Полярность В отличие от многих других типов конденсаторов, электролитические конденсаторы полярные и должны быть подключены соответствующим образом. Сами конденсаторы маркируются, чтобы полярность можно было легко различить. В дополнение к этому помеченный вывод является общим.
Это необходимо, чтобы гарантировать, что любые электролитические конденсаторы подключались в схему с соблюдением полярности. Обратное смещение вызывает электрохимическое восстановление оксидного слоя диэлектрика и он превращается в проводник. Если это происходит, то неизбежно ведет к короткому замыканию, а чрезмерный ток обычно приводит к перегреву конденсатора. В этом случае может подтекать электролит, а в некоторых случаях конденсатор может даже взорваться. Такие случаи не редкость, и необходимо принимать меры предосторожности для обеспечения правильной установки, особенно в цепях, которые работают с высокими токами. Емкости электролитических конденсаторов и их ожидаемый срок службы В первую очередь необходимо позаботиться, чтобы не превышать номинальное рабочее напряжение электролитического конденсатора. При несоблюдении этого правила, конденсатор будет иметь значительно меньший срок службы, чем заявлен производителем. Кроме того, в цепях питания возможны значительные перегрузки по току. Соответственно, для электролитических конденсаторов, предназначенных для работы в таких схемах нужно учитывать максимальный ток конденсатора, который также нельзя превышать. Если не учесть этого, то электронный компонент может перегреться и разрушиться. Также стоит отметить, что эти радиоэлементы имеют ограниченный срок службы. Причем время работы всего может быть всего 1000 часов при максимальном значении напряжения, но срок службы может быть значительно продлен, если компонент работает при напряжении, значительно ниже максимально допустимого напряжения. SMD электролитические конденсаторы Электролитические конденсаторы, которые в настоящее время все чаще используются в SMD исполнении. Высокая емкость в сочетании с их низкой стоимостью делают их особенно популярными во многих областях. Изначально они были не очень популярны ввиду того, что они плохо переносили пайку. Современная улучшенная конструкция конденсаторов наряду с новыми методами пайки, отказ от волновой пайки, позволяет электролитическим конденсаторам найти широкое применение в поверхностном монтаже. Часто электролитические SMD конденсаторы маркируют парой значений: емкость и рабочим напряжением. Есть два основных способа маркировки. Первый это обозначение значение ёмкости в мкФ, а другой состоит в использовании специального кода. Использование первого метода маркировки «33 6В» будет указывать что конденсатор имеет 33 мкФ и рабочее напряжение 6 вольт. Второй способ маркировки имеет вид буквенного кода с последующим тремя цифрами. Буква указывает на рабочее напряжение, которое можно определить по приведенной ниже таблице и три цифры, которые указывают емкость в пикофарадах. Как и во многих других системах маркировки первые две цифры определяют значение, а третья множитель. В этом случае маркировка «G106» будет указывать на рабочее напряжение 4 вольта и емкость в 10*106 пФ или просто 10 мкФ.
Маркировка электролитических конденсаторов Существует множество различных маркировок, которые используются для маркировки электролитических конденсаторов, среди которых емкость, рабочее напряжение и другие параметры. Основные значения если есть место записываются прямо на поверхности, но такие моменты как точность, а иногда и рабочее напряжение также могут быть закодированы. Система кодирования или маркировки зависит от типа конденсатора, производителя, емкости, размера компонента, и т.д. Но об этом будет в другой статье. Восстановление алюминиевых электролитических конденсаторов после длительного хранения Это может быть необходимо, чтобы восстановить электролитические конденсаторы, которые не использовались в течение шести и более месяцев. Электролитическое действие имеет тенденцию к растворения оксидного слоя на аноде, и перед использовании лучше предварительно восстановить этот слой. При истончении оксидного слоя разумно не применять полное напряжение, т.к. в первое время наблюдаются повышенные токи утечки, которые могут привести к выделению большого количества тепла, а это может в некоторых случаях привести к его взрыву. Восстановить конденсатор можно временно подключив конденсатор к рабочему напряжению через резистор около 1,5 кОм, или немного меньшему для более низковольтных конденсаторов. (Нужно убедиться, что резистор имеет достаточную мощность, чтобы справиться с током заряда конденсатора). Восстановление длится в течение часа или более, пока ток утечки не падает до приемлемой величины, а напряжение на конденсаторе достигает приложенного значения, т.е. ток через резистор не течет. Это напряжение поддерживают еще примерно в течение часа. Затем конденсатор медленно разряжают через нагрузочный резистор для того, чтобы запасенная энергия не повредила цепь в которую его будут устанавливать.
Источник: https://ndft.com.ua Обсудить на форумеingeneryi.info Массив электролитических конденсаторов | MyElectrons.ru
Насколько массив электролитических конденсаторов целесообразней, чем один большой конденсатор? Первым толчком к изучению вопроса, как водится, послужила извечная лень:
На тот момент я всё-же раскошелился на огромные банки от Kemet, и лишь чуть позже мне попался сюжет от Дэйва, где он разъясняет популярно (на Английском), почему несколько электролитов в параллель может оказаться лучшим решением. Ниже перечислю основные моменты в моей собственной интерпретации. Паразитное сопротивление в разы ниже (Low ESR)В простейшем случае эквивалентную схему конденсатора представляют из последовательно включённых идеальных конденсатора, индуктивности и активного сопротивления. Эту аппроксимацию можно усложнять добавляя сопротивление утечки, потери в диэлектрике, эффекты памяти и т.д. Но для наших целей упрощённой модели достаточно. Очевидно, что соединяя параллельно сопротивления и индуктивности мы в результате получаем суммарные значения во столько раз меньше, сколько конденсаторов мы соединили в параллель. ESR большого элктролитического конденсатора высокого качества будет в районе одного-двух десятков миллиОм. ESR конденсаторов поменьше, но тоже приличного качества, обычно находится в пределах двух-трёх десятков миллиОм. Итого массив из десятка таких небольших конденсаторов по идее мог бы иметь ESR не более трёх-пяти миллиОм. К сожалению, в данном случае начинают влиять сопротивление и индуктивность соединителей (об этом ниже). Дабы не сесть в ту же лужу, что большинство, мы берём двустороннюю плату с двойной толщиной меди, и для соединения конденсаторов в массив используем сплошную проводящую поверхность, покрывающую всю площадь, занимаемую конденсаторами. Проводящая поверхность на одной стороне платы подключена к положительным выводам, на другой - к отрицательным. Рабочие токи в разы выше (High Ripple Current)Сравним 9.1А Ripple Current одного большого электролита, и 3.2А маленького (здесь и далее все примеры из конкретных спецификаций, большой конденсатор близкий по ёмкости к сумме маленьких, и на такое же рабочее напряжение). Маленьких много (в нашем случае девять штук), они равномерно "разбирают" каждый по приблизительно одинаковому "кусочку" общего тока. Итого на всех получаем 28А. Это вряд-ли когда нам понадобится в реальной жизни, но чем больше запас - тем надёжней аппарат. Улучшеный тепловой режимЧем меньше греется электролитический конденсатор - тем больше срок его безотказной работы. На низких частотах нагрев происходит в основном из-за выделения тепла от протекания тока через последовательное паразитное сопротивление. Как мы уже выяснили, суммарное ESR массива конденсаторов меньше, нежели одного большого. Отсюда автоматом получаем меньший нагрев. Теперь посмотрим, как охлаждается конденсатор. Основной вклад в охлаждение вносят излучение и обдув воздухом. У большого конденсатора поверхность существенно меньше (он ближе по форме к фигуре с минимальным отношением поверхности к объёму - шару), нежели у стайки маленьких. В итоге у массива больше площать поверхности - лучше отдача тепла как излучением, так и через конвекцию и/или обдув. Повышенная надёжностьВысыхание электролита, брак изготовителя, или нарушение контакта при монтаже - и один электролитический конденсатор уже в поле не воин. Если же не повезло одному из десятка, то отряд и не заметит потери бойца. Упомяну ещё один, скорее эмпирический, но всё же фактор риска для больших электролитов: весьма велик шанс отломать, или повредить и не заметить этого, крепёж / контакты - и провода толстые, и сам конденсатор велик и создаёт больше усилия при всевозможных ускорениях (вибрациях). Тогда как распайка небольших колбочек на печатную плату ни у кого не вызывает особых затруднений. Ниже стоимостьЕсли выбирать качественные компоненты, то сильно снизить стоимость не получается. И всё же выгода есть. Эффекта здесь два срабатывают:
К сожалению, печатная плата и необходимость сборки отъедают свою долю в финальном ценнике. Но не стоит забывать и про весомый вклад, если не в цену, то во время разработки (а моё время дорогого стоит), всех плясок с бубном вокруг монтажа больших электролитов. Удобство монтажаПризнаюсь как на духу (вы уже наверняка догадались 🙂 ), жуть как невзлюбил я монтировать большие электролиты с самого начала моей карьеры в электронике:
Печатную плату под массив можно изготовить произвольных размеров, с удобным размещением крепёжных отверстий. Так, к примеру, мой вариант согласуется по крепежу с фильтрами питания. К тому же несколько таких плат легко собрать в компактную этажерку. На той же плате предусмотрены как крепления провода под винт, так и колодки-терминалы. Да и шунтирующие плёночные конденсаторы нашли себе местечко, и нет необходимости их городить на проводах. ДоступностьТолько что проверил на Mouser:
Несколько мешков с самыми ходовыми небольшими электролитами покроют подавляющее большинство нужд разработчика, особенно когда под рукой есть платка, на которой их можно собрать в массив. Большими же конденсаторами на все случаи жизни, увы, не напасёшься. Неожиданный эффектВопрос: Заменил в питании усилителя старые полудохлые конденсаторы на Ваш массив с новейшими электролитами, а усилитель стал гудеть ещё больше, чем то было раньше! Ответ: В обычной схеме трансформаторного источника питания заряд накопительного конденсатора происходит не всё время, а только в моменты, когда выпрямленное напряжение с моста превышает оставшееся к тому моменту напряжение на конденсаторе. В момент включения диодов ток весьма резко возрастает от нуля до максимума, и ограничен лишь активным сопротивлением обмоток трансформатора, да паразитными сопротивлениями выпрямителя и конденсаторов. Внутреннее паразитное Последовательное Сопротивление (ESR) старых электролитов играло роль демпфера, смягчало эти броски зарядного тока. С новым, качественным накопительным конденсатором, ESR которого может быть на порядки ниже старого, броски зарядного тока могут увеличиться в разы. И если есть пути проникновения этих помех в сигнал (а очевидно всё было не очень хорошо и ранее, раз усилитель заметно гудел и до обновления конденсаторов), то с новыми конденсаторами всё стало лишь хуже. Возможные пути устранения проблемы:
Пункт №2 - мой излюбленный приём 🙂 Мы как бы добавляем обратно паразитное сопротивление конденсатора, но лишь со стороны зарядного тока. Нагрузке же (усилителю) предоставляем низкий импеданс качественного конденсатора во всей красе! Для скептиковНа просторах Сети встретилась мне на первый взгляд грамотная статья: "Массив конденсаторов – мифы и реальность". Автор сего опуса очевидно знаком с измерениями, и весьма старателен. Странно только, что он ходит по тем граблям, которые сам же тщательно вымеряет и разъясняет: печатная плата под массив разведена "гребёнкой". Сопротивление и индуктивность длинных "зубчиков" этой гребёнки на печатной плате губят на корню основные преимущества массива. Анекдот:- Вы любите кошек?- Нет.- Просто Вы не умеете их готовить! В погоне за дешевизной (за счёт применения односторонней печатной платы), подобные гребёнки лепят все подряд любители сэкономить, особенно те, что родом из Клуба_Недоучек_Радиогубителей. Вот ещё пример такого же безграмотного массива электролитов, который между прочим идёт как горячие пирожки на Алибабе:
Увы, сейчас подобных плат множество на сайтах типа иБэй и Алибаба. Будьте осторожны - не ведитесь на безграмотную дешёвку!
Эффективное решениеДля компенсатора постоянной составляющей как раз необходимы мне были конденсаторы на десятки тысяч микрофарад, при чём высокая надёжность была одним из основных требований. Очень хотелось так же, чтобы компенсатор удобно крепился в паре с моими фильтрами питания. Разработал я плату, набрав необходимую ёмкость в каждом плече из девяти небольших электролитов в параллель. Посмотрел на сие творение и тут же понял, что уникального от компенсатора постоянки там лишь три диодика, остальное - отличный массив электролитических конденсаторов. Причём полезное место не пропадает зря: на место зенеров прекрасно встают плёночные шунтирующие конденсаторы. На фото ниже детали ещё не напаяны на плату, просто собраны для проверки компоновки. Диаметр конденсаторов 18мм.
Печатная плата представляет собой по сути четыре проводника: по две полосы шириною в половину платы с каждой стороны. Толщина меди 70µm. Обработка контактных площадок - позолота ENIG.
Конденсаторы можно применять с расстоянием между выводами 3.5мм, 5мм, и 7.5мм.
myelectrons.ru Керамические конденсаторы большой емкостиКерамические конденсаторы являются естественным элементом практически любой электронной схемы. Они применяются там, где необходимы способность работать с сигналами меняющейся полярности, хорошие частотные характеристики, малые потери, незначительные токи утечки, небольшие габаритные размеры и низкая стоимость. Там же, где подобные требования пересекаются, керамические конденсаторы практически незаменимы. Но проблемы, связанные с технологией их производства, отводили этому типу конденсаторов, в основном, нишу устройств малой емкости. Действительно, керамический конденсатор на 10 мкФ еще недавно воспринимался как удивительная экзотика, и стоило такое чудо как горсть алюминиевых электролитических тех же емкости и напряжения, либо как несколько аналогичных танталовых. Однако, развитие технологий позволило сразу нескольким фирмам к настоящему времени сразу нескольким фирмам заявить о достижении их керамическими конденсаторами емкости в 100 мкФ и анонсировать начало производства еще больших значений еще до конца этого года. А сопровождающее этот процесс непрерывное падение цен на все изделия данной группы заставляет внимательнее присмотреться ко вчерашней экзотике, чтоб не отстать от технического прогресса и сохранить конкурентоспособность. Несколько слов о технологиях. Говоря о керамических конденсаторах, мы будем рассматривать многослойные керамические конденсаторы. На рис.1 представлена структура такого конденсатора, а на рис.2 фотография сильно увеличенного среза изделия одного из мировых лидеров их производства - японской фирмы Murata
Их емкость определяется формулой: Таким образом, увеличения емкости конденсатора можно добиться уменьшением толщины слоев диэлектрика, увеличением числа электродов, их активной площади, увеличением диэлектрической проницаемости диэлектрика. Уменьшение толщины диэлектрика и связанная с этим возможность увеличения количества электродов – основной способ увеличения емкости керамических конденсаторов. Но снижение толщины диэлектрика приводит с снижению напряжения пробоя. Потому конденсаторы большой емкости трудно найти на высокое рабочее напряжение. Увеличение числа слоев – процесс технологически связанный с уменьшением толщины единичного слоя. Рис.3 отображает технологические тенденции последних лет в этой области, представленные фирмой Murata.
Увеличение активной площади одного электрода – это увеличение габаритных размеров конденсатора - крайне неприятное явление, приводящее к резкому росту стоимости изделия. Увеличение диэлектрической проницаемости при заметном увеличении емкости приводит к существенному ухудшению температурной стабильности и сильной зависимости емкости от приложенного напряжения. Теперь рассмотрим возможности и особенности применения керамических конденсаторов большой емкости. Перед началом обсуждения стоит обратить внимание на уже имеющиеся предложения и ближайшие планы лидеров отрасли фирм Murata и Samsung Electro-Mechanics, представленные ниже.
Естественной областью применения подобного спектра керамических конденсаторов большой емкости может быть замена ими танталовых и алюминиевых конденсаторов для поверхностного монтажа в схемах подавления пульсаций, разделения постоянной и переменной составляющих электрического сигнала, интегрирующих цепочках. Однако, при этом необходимо учитывать принципиальные различия между этими группами деталей, делающие, в большинстве случаев, бессмысленными замены типа: электролитический конденсатор номиналxнапряжения на аналогичные номиналxнапряжение керамического конденсатора. Рассмотрим коротко основные причины этого. Частотные свойства конденсаторов определяет зависимость их импеданса и эквивалентного последовательного сопротивления (ESR)от частоты. Типичные зависимости такого рода для керамических, танталовых и алюминиевых конденсаторов приведены на рис.4 и рис.5.
Существенная разница в импедансе на частотах выше 1кГц с алюминиевыми электролитическими и свыше 10 кГц с танталовыми конденсаторами позволяет в некоторых случаях использовать для сглаживания пульсаций напряжения номиналы меньшей емкости для получения аналогичного эффекта. Разница в величине сглаживания паразитных синусоидальных пульсаций различных частот конденсаторами разного типа, но одинаковой емкости - 10 мкФ, дана в следующей таблице:
Таким образом, для обеспечения одинакового с танталовым конденсатором в 10 мкФ уровня подавления пульсаций частотой 1 МГц можно использовать керамический конденсатор емкостью 1,0-2,2 мкФ. Экономия места на плате и денег очевидна. Низкое эквивалентное последовательное сопротивление и связанные с ним малые потери позволяют значительно сильнее нагружать керамические конденсаторы, нежели электролитические, несмотря на их значительно более скромные габаритные размеры, не вызывая при этом критического для детали разогрева. Сравнительные кривые разогрева конденсаторов токами пульсации различной частоты приведены на рис.6.
Еще одним и немалым плюсом керамических конденсаторов является их способность кратковременно держать высокие напряжения перегрузки, многократно превышающие номинальные. Тот, кто выбирал сглаживающие конденсаторы для импульсных источников питания, знает как это важно! Ибо там в моменты запуска и выключения могут генерироваться импульсы до нескольких значений выходного напряжения, заставляя использовать электролитические конденсаторы с большим запасом по напряжению. Сравнительную характеристику напряжения пробоя для различных типов конденсаторов по результатам тестов, проведенных фирмой Murata, приведены на рис.7
Теперь несколько слов о грустном. При всех своих достоинствах, керамические конденсаторы большой емкости производятся с использованием диэлектриков типа X7R/X5R и Y5V. Их отличительной особенностью является сильная зависимость диэлектрической проницаемости, а с ней, согласно (1), и емкости от температуры и приложенного напряжения. Типичные зависимости такого рода для конденсаторов разных типов показаны на рисунках 8 и 9.
Из них видим, что при достаточно жестких требованиях к стабильности номинала, например во времязадающих цепях, или при развязке постоянной и переменной составляющих, на замену электролитическим конденсаторам можно рекомендовать только керамические с диэлектриками X5R/X7R, последний из которых может оказаться еще более интересным, если принять во внимание его допустимый диапазон рабочих температур: -55°С +125°С, позволяющий ему найти применение как в аппаратуре, рассчитанной на работу на улице в условиях севера, так и в автомобильной технике, с ее жесткими требованиями к сохранению работоспособности при высоких температурах. Однако, для сглаживающего конденсатора стабильность номинала не является критическим параметром. Потому можно рассчитывать на высокую востребованность и емкостей на основе менее стабильной керамики Y5V, из которой можно получить детали меньшего габарита и стоимости. Валерий Степуков << Предыдущая Следующая >>reom.ru Электролитический конденсатор, теория и примерыОпределение и обще сведения о конденсаторахКонденсаторы – это очень распространенный элемент радиоэлектронных схем. Они могут классифицироваться по разным показателям, в том числе, по виду диэлектрика. В электролитических конденсаторах в качестве диэлектрика используют тонкую пленку оксида (чаще всего это окислы алюминия, тантала, ниобия). Толщина ее составляет от В зависимости от вещества и состояния электролита конденсатор является жидкостным (электролит — жидкость), сухим (электролит – вязкая паста) или оксидно – полупроводниковым (оксидный слой покрыт слоем полупроводника). Жидкостные и сухие электролитические конденсаторы имеют свои достоинства. Так, электролитические конденсаторы, имеющие в качестве диэлектрика жидкость, лучше охлаждаются, выдерживают большие нагрузки и могут восстанавливаться при пробое. Однако они имеют существенный ток утечки. Сухие электролитические конденсаторы обладают более простой конструкцией, чем жидкостные, несут меньшие потери при работе. Сухие электролитические конденсаторы в настоящее время применяются чаще. Электролитические конденсаторы обладают большими емкостями при относительно малых размерах и невысокой стоимости. Однако у них есть и недостатки, такие как: невысокая надежность, небольшая точность и стабильность, существенные потери энергии, плохое сопротивление изоляции. Они являются чувствительными к изменению температуры, так при увеличении температуры их емкость увеличивается. Электролитические конденсаторы сильно реагируют на перенапряжение, имеют рабочее напряжение (обычно) менее 500 В. Кроме того, конденсатор обладает полярностью и может снижать емкость со временем, так как электролит высыхает, оксидная пленка разрушается. Электролитические конденсаторы используют в схемах с пульсирующим и постоянным напряжением. Часто электролитические конденсаторы имеют полярность. При последовательном соединении двух электролитических конденсаторов, имеющих одинаковую емкость, причем плюс с плюсом (или минус с минусом), получают неполярный конденсатор, который можно применять в цепях переменного тока для короткого времени работы. При этом суммарная емкость уменьшается. Для того, чтобы получить неполярный электролитический конденсатор оксидную пленку наносят на обе обкладки. Принципиальное устройство электролитического конденсатораЧаще всего электролитический конденсатор состоит из двух пластин из металла (например, алюминия), размещенных в электролите. На одну из пластин наносят пленку из оксида – эта пластина становится одной обкладкой конденсатора (рис.1) (анодом). Вторая обкладка – это электролит. Данная металлическая пластина, которая не имеет пленки, осуществляет контакт с электролитом.  Рис. 1 Виды электролитических конденсаторовЭлектролитические конденсаторы в свою очередь разделяют на:
Электролитические конденсаторы, имеющие в своем составе оксидную пленку, всегда являются полярными. Предельное напряжение для них зависит от вещества, так для алюминиевых конденсаторов максимальное напряжение составляет около 600 В, танталовые конденсаторы выдерживают около 175 В. Данный тип конденсаторов имеет существенный ток утечки (у алюминиевых конденсаторов около Примеры решения задачru.solverbook.com
grimmi.ru Алюминиевые электролитические конденсаторы Samwha Компания Samwha Electric Co. Ltd. является составной частью Samwha Capacitor Group — одной из старейших корейских компаний, производящей широкий спектр пассивных электронных компонентов. Samwha Capacitor Group была основана в 1956 году и называлась тогда Ohan Industry. Название Samwha компания обрела в 1960 году, а 1963 году она первой в Корее начала массовое производство электролитических конденсаторов. В 1968 году Samwha выходит на международный рынок, начав экспорт своей продукции в Японию. В 2002 году Samwha Capacitor Group приобрела производство конденсаторов у одного из крупнейших мировых производителей — Samsung Electro-mechanics. Это событие выдвинуло компанию в передовые ряды производителей данной продукции в мире. На сегодняшний день Samwha Capacitor Group — холдинг, включающий в себя более десятка различных компаний, производящих самые разнообразные пассивные электронные компоненты: начиная от фильтров и кварцевых резонаторов и заканчивая высоковольтными электролитическими конденсаторами. С 2003 года компания КОМПЭЛ является официальным дистрибьютором компании Samwha Electric. Samwha Electric выпускает широкую номенклатуру электролитических конденсаторов. Среди конденсаторов, входящих в программу поставок компании КОМПЭЛ можно выделить несколько категорий:
Краткие характеристики миниатюрных электролитических конденсаторов приведены в таблице 1. Таблица 1. Краткие характеристики миниатюрных электролитических конденсаторов
Алюминиевые электролитические конденсаторы, благодаря электрохимическому принципу работы, обладают следующими преимуществами:
В электролитическом конденсаторе заряд накапливается между алюминиевой обкладкой, называемой анодом, и электролитом (электропроводная жидкость, твердый органический полупроводник или проводящий полимер), называемым катодом. Диэлектриком служит оксид алюминия (Al2O3), покрывающий поверхность анода. (рис. 1).
Рис. 1. Конструкция электролитического конденсатора Второй слой алюминиевой фольги, служащий контактной поверхностью для проходящего через электролит тока, называется катодной фольгой. Слой бумаги (ткани) является носителем электролита, которым предварительно пропитывается, а так же механически разделяет анод и катод, предотвращая их от короткого замыкания. Одним из факторов высокой удельной емкости электролитических конденсаторов является малая толщина диэлектрического слоя, которая даже для высоковольтных конденсаторов составляет менее 1 мкм (для примера, минимальная толщина бумажного диэлектрика равна 6-8 мкм). Еще более высокие удельные емкости достигаются за счет увеличения эффективной площади анода методом травления. Площадь при этом увеличивается до 200 раз, но при некотором ухудшении электрических характеристик конденсатора. Преимущество жидкого электролита состоит в способности затекать в микроуглубления анода. Оксидный слой формируют при производстве электролитическим окислением, а его толщина пропорциональна формирующему напряжению с коэффициентом 1,2 нм/В. Электролитический процесс продолжается и во время работы конденсатора при протекании электрического тока через электролит (вольтамперная характеристика приведена на рисунке 2).
Рис. 2. Вольтамперная характеристика электролитического конденсатора При увеличении напряжения, сопротивление оксидного слоя уменьшается, что ведет к быстрому росту тока, а при превышении формирующего напряжения начинается процесс формирования оксидного слоя, сопровождающийся выделением большого количества тепла и газа, что может привести к выходу из строя конденсатора. При выборе электролитического конденсатора общего назначения нужно обратить внимание на стандартные серии SD (85°С) и RD (105°С). Конденсаторы этих серий популярны, благодаря невысокой стоимости, широкому диапазону номинальных емкостей (0,1…33000 мкФ), напряжений (4…500 В) и рабочей температуры. Производятся также стандартные серии с низкопрофильными корпусами (рис. 3).
Рис. 3. Серии стандартных конденсаторов SAMWHA Однако неидеальность, присущая всем электролитическим конденсаторам, ограничивает их применение. Рассмотрим частотную зависимость импеданса реального конденсатора. Импеданс определяется следующими компонентами эквивалентной схемы (рис. 4)
Рис. 4. Эквивалентная схема конденсатора
На низких частотах импеданс определяется емкостным реактивным сопротивлением (рис. 5).
Рис. 5. Характер зависимости импеданса от частоты С ростом частоты емкостное реактивное сопротивление уменьшается, но лишь до тех пор, пока не приблизится к величине эквивалентного последовательного сопротивления, определяющегося потерями в диэлектрике, сопротивлением контактов и обкладок. На резонансной частоте реактивная составляющая обращается в нуль, и импеданс равен R. Выше резонансной частоты, за счет индуктивности выводов и внутренней структуры конденсатора, импеданс растет. Поэтому стандартные электролитические конденсаторы плохо работают на высоких частотах. Фирмой Samwha выделяются серии конденсаторов с низким полным сопротивлением (рис. 6).
Рис. 6. Серии конденсаторов Samwha с низким импедансом В документации на эти конденсаторы, помимо остальных параметров, указывается импеданс, измеренный на частоте 100 кГц при температуре окружающей среды 20°С. Конденсаторы этих серий идеальны для применения в импульсных источниках питания и других цепях, работающих в широком диапазоне частот. Любое изменение напряжения на обкладках конденсатора (будь то пульсация, или изменение постоянного напряжения) вызывает протекание переменного тока через конденсатор (ток пульсации). Из-за омических потерь ток пульсации приводит к нагреванию конденсатора. Превышение тока пульсации выше указанного производителем значения приведет к быстрому старению конденсатора, ухудшению его параметров и преждевременному выходу из строя. Для цепей электронного балласта, зарядных устройств, адаптеров и других устройств с высоким рабочем напряжением и высокими токами пульсации компанией Samwha выпускаются серии конденсаторов, представленные на рисунке 7.
Рис. 7. Серии конденсаторов Samwha для балластов и зарядных устройств Один из важнейших параметров устройства — срок службы. Гарантированный срок службы конденсатора определяется производителем как время, в течение которого интенсивность отказов не превышает установленную. Срок службы указывается для наиболее жесткой эксплуатации, то есть при максимальной температуре, максимальном напряжении и максимальном токе пульсации на этой температуре. Использование конденсатора в более мягких условиях увеличивает его реальный срок службы. Так снижение рабочей температуры на 10°С увеличит срок службы примерно вдвое. (рис. 8).
Рис. 8. Типовой срок службы На рисунке 9 представлены серии высоконадежных конденсаторов с расширенным температурным диапазоном и большими сроками службы.
Рис. 9. Серии высоконадежных конденсаторов Конденсаторы этих серий рекомендуются к использованию для повышения надежности и сроков службы электронной аппаратуры, а также незаменимы для использования при высоких температурах (до 155°С). Электролитический конденсатор, конструкция которого соответствует рисунку 1, будет работать только при подключении к аноду положительного полюса, а к катоду отрицательного. Противоположная полярность вызовет электролитический процесс формирования диэлектрического слоя на катодной фольге, сопровождаемый выделение большого количества тепла и газа, что может вывести конденсатор из строя. Для гальванической развязки и других цепей с переменным рабочим напряжением разработаны специальные серии неполярных конденсаторов, представленных на рисунке 10.
Рис. 10. Серии неполярных конденсаторов Samwha Если схемотехника диктует необходимость длительного хранения электрического заряда, следует особенно внимательно отнестись к выбору конденсатора по параметру тока утечки. Причина появления тока утечки — неидеальный характер поляризации диэлектрика, наличие примесей и влаги в диэлектрике. Величина тока утечки может быть уменьшена только на этапе изготовления конденсатора и характеризует его качество. Серии конденсаторов с низким током утечки показаны на рис 11.
Рис. 11. Серии конденсаторов с низким током утечки Линейка недорогих популярных стандартных серий (SC, RC). алюминиевых электролитических конденсаторов для поверхностного монтажа представлена в таблице 2. Таблица 2. Электролитические конденсаторы для поверхностного монтажа
Серии конденсаторов с повышенной надежностью, низким импедансом, расширенным диапазоном рабочих температур позволят сделать выбор при более жестких требованиях. Разнообразие алюминиевых электролитических конденсаторов для поверхностного монтажа показано на рисунке 12.
Рис. 12. Электролитические конденсаторы для поверхностного монтажа Конденсаторы серий Hi-Cap используют в качестве электролита твердый электропроводный полимер. Этим конденсаторам присущи высокая стабильность емкости, импеданса и ESR во всем температурном диапазоне благодаря термостабильности использованного полимера. По сравнению с другими электролитическими конденсаторами, Hi-Cap обладает более низким импедансом. Низкий импеданс на высоких частотах (100 кГц…10 МГц) делает их идеальными для применения в цифровых цепях. Благодаря низкому эквивалентному последовательному сопротивлению (ESR), Hi-Cap надежно работает при высоких токах пульсаций. Hi-Cap-конденсаторы производятся как для поверхностного, так и для выводного монтажа. Серии алюминиевых электролитических конденсаторов Hi-Cap с твердым диэлектриком представлены на рисунке 13 и таблице 3.
Рис. 13. Hi-CAP конденсаторы Таблица 3. Серии алюминиевых электролитических конденсаторов Hi-Cap с твердым диэлектриком
Получение технической информации, заказ образцов, поставка —e-mail: [email protected] Наши информационные каналыМетки: SAMWHA, Пассивка, ЦАП О компании...читать далее www.compel.ru | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||
|
Вместе нам веселей,Вместе мы вдвое сильней!
, (1)гдеε0 - константа диэлектрической проницаемости вакуума,ε - константа диэлектрической проницаемости используемой в качестве диэлектрика керамики,S0 – активная площадь одного электрода,n – число слоев диэлектрика,d – толщина слоя диэлектрика.
м, что позволяет получить большую емкость конденсатора. Такая пленка характеризуется высокой электрической прочностью. Это важно, так напряженность электрического поля, которое создается в оксидной пленке довольно высокая и приближена к пределу теоретической прочности кристалла. Оксидная пленка получается в результате электрохимической реакции.
, у танталовых — 
). Алюминиевые электролитические конденсаторы имеют емкости от 2 до нескольких тысяч микро фарад и рабочие напряжения от 6В до 600 В.
