Зачем нужны электролитические конденсаторы и как их менять

Обзор известных моделей

Большинство микросхем для питания светодиодов выполнены в виде импульсных преобразователей напряжения. Преобразователи, в которых роль накопителя электрической энергии выполняет катушка индуктивности (дроссель) называются бустерами. В бустерах преобразование напряжения происходит за счет явления самоиндукции. Одна из типичных схем бустера приведена на рисунке.

Схема стабилизатора тока работает следующим образом. Транзисторный ключ находящийся внутри микросхемы периодически замыкает дроссель на общий провод. В момент размыкания ключа в дросселе возникает ЭДС самоиндукции, которая выпрямляется диодом. Характерно то, что ЭДС самоиндукции может значительно превышать напряжение источника питания.

Как видно из схемы для изготовления бустера на TPS61160 производства фирмы Texas Instruments требуется совсем немного компонентов. Главными навесными деталями являются дроссель L1, диод Шоттки D1, выпрямляющий импульсное напряжение на выходе преобразователя, и Rset.

Резистор выполняет две функции. Во-первых, резистор ограничивает ток, протекающий через светодиоды, а во-вторых, резистор служит элементом обратной связи (своего рода датчиком). С него снимается измерительное напряжение, и внутренние схемы чипа стабилизируют ток, протекающий через LED, на заданном уровне. Изменяя номинал резистора можно изменять ток светодиодов.

Преобразователь на TPS61160 работает на частоте 1.2 МГц, максимальный выходной ток может составлять 1.2 А. С помощью микросхемы можно питать до десяти светодиодов включенных последовательно

Яркость светодиодов можно изменять путем подачи на вход «контроль яркости» сигнала ШИМ переменной скважности. КПД приведенной схемы составляет около 80%

Нужно заметить, что бустеры обычно используются, когда напряжение на светодиодах выше напряжения источника питания. В случаях, когда требуется понизить напряжение, чаще применяют линейные стабилизаторы. Целую линейку таких стабилизаторов MAX16xxx предлагает фирма MAXIM. Типовая схема включения и внутренняя структура подобных микросхем представлена на рисунке.

Как видно из структурной схемы, стабилизация тока светодиодов осуществляется Р-канальным полевым транзистором. Напряжение ошибки снимается с резистора Rsensи подается на схему управления полевиком. Так как полевой транзистор работает в линейном режиме, КПД подобных схем заметно ниже, чем у схем импульсных преобразователей.

Микросхемы линейки MAX16xxx часто применяются в автомобильных приложениях. Максимальное входное напряжение чипов составляет 40 В, выходной ток – 350 мА. Они, как и импульсные стабилизаторы, допускают ШИМ-диммирование.

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Типы неполярных конденсаторов

Конденсаторы представляют собой электронные устройства, которые имеют две проводящие поверхности (пластины), разделенные изолятором (диэлектриком). Они могут временно хранить электрический заряд. Единственный тип конденсатора, который поляризован (работает по-разному в зависимости от того, каким образом ток течет через него) является электролитическим конденсатором.

Электролитические конденсаторы имеют более высокую емкость, но для большинства целей предпочтительным является неполярные конденсаторы. Они дешевле, и их можно установить в любом направлении, невзирая на полярность. Но видов неполярных конденсаторов существует немало, и в этом материале мы разберемся, какие это типы.

Система именования пленочных конденсаторов от JB Capacitors

Система именования пленочных конденсаторов фирмы JB Capacitors (рисунок 5) содержит ряд полей:

• код основной серии (Main Series);
• код подсерии (Sub-Series) (имеет значение 0 для всех серий, кроме JFG, JFJ, JFR, JFS);
• код рабочего напряжения (Voltage);
• код номинальной емкости (Capacitance);
• код допустимого отклонения емкости (Tolerance);
• код шага выводов (Pitch);
• код длины выводов (Lead Lengtch);
• код упаковки (Packing).

Рис. 5. Система именования пленочных конденсаторов компании JB Capacitors

Так JFA02A102J050000B представляет собой конденсатор серии JFA с рабочим напряжением 100 В, емкостью 1000 пФ ±5%, шагом выводов 5 мм, со стандартной длиной выводов (для JFA минимум 20 мм), поставляемый без упаковки.

Маркировка

Существует три основных параметра, характеризующие конденсатор: показатель номинальной емкости, допуска и штатного напряжения. В большинстве случаев применяется два метода маркировки – буквенно-числовой и числовой.

В первом случае буква обозначает величину емкости (μ, nF, pF) и играет роль десятичной запятой. Например, если неполярный конденсатор имеет маркировку 1 μ, значит это деталь с емкостью 1 мкф, а надпись 3μ3 – 3,3 мкФ.

Для обозначения допуска может использоваться буквенная кодировка, ее расшифровка представлена на рисунке 8.

Рисунок 8. Расшифровка буквенной маркировки допуска

Рабочее напряжение емкости также может обозначаться буквенным кодом, ниже приведена его раскодировка.

Таблица: расшифровка буквенной маркировки допустимого напряжения

Емкости небольшого размера, например, в SMD исполнении принято маркировать трехзначным цифровым кодом.

Трехзначный цифровой код параметра емкость

Чтобы не запоминать все значения таблицы, воспользуйтесь следующим правилом расшифровки: значения приводятся в пикофарадах, первое и второе значение – мантисса, третье – степень с основанием 10. Например, надпись 331 будет означать 330 пФ (33*10).

Проверка и замена пускового конденсатора

Для чего нужен пусковой конденсатор?

Пусковой и рабочий конденсаторы служат для запуска и работы элетродвигателей работающих в однофазной сети 220 В.

Поэтому их ещё называют фазосдвигающими.

Место установки — между линией питания и пусковой обмоткой электродвигателя. 

Условное обозначение конденсаторов на схемах

Графическое обозначение на схеме показано на рисунке, буквенное обозначение-С  и порядковый номер по схеме.

Основные параметры конденсаторов

Ёмкость конденсатора-характеризует энергию,которую способен накопить конденсатор,а также ток который он способен пропустить через себя. Измеряется в Фарадах с множительной приставкой (нано, микро и т.д.).

Самые используемые номиналы для рабочих и пусковых конденсаторов от 1 мкФ (μF) до 100 мкФ (μF).

Номинальное напряжение конденсатора- напряжение, при котором конденсатор способен надёжно и долговременно работать, сохраняя свои параметры.

Известные производители конденсаторов указывают на его корпусе напряжение и соответствующую ему гарантированную наработку в часах,например:

• 400 В — 10000 часов
• 450 В —  5000 часов
• 500 В —  1000 часов

Проверка пускового и рабочего конденсаторов

Проверить конденсатор можно с помощью измерителя ёмкости конденсаторов, такие приборы выпускаются как отдельно, так и в составе мультиметра- универсального прибора, который может измерять много параметров. Рассмотрим проверку мультиметром.

• обесточиваем кондиционер
• разряжаем конденсатор, закоротив еговыводы
• снимаем одну из клемм (любую)
• выставляем прибор на измерение ёмкости конденсаторов
• прислоняем щупы к выводам конденсатора
• считываем с экрана значение ёмкости

У всех приборов разное обозначение режима измерения конденсаторов, основные типы ниже на картинках.

В этом мультиметре режим выбирается переключателем, его необходимо поставить в режим Fcх.Щупы включить в гнёзда с обозначением Сх.

Переключение предела измерения ёмкости ручное. Максимальное значение 100 мкФ.

У этого измерительного прибора автоматический режим, необходимо только его выбрать, как показано на картинке.

Измерительный пинцет от Mastech также автоматически измеряет ёмкость, необходимо только выбрать режим кнопкой FUNC, нажимая её, пока не появится индикация F.

Для проверки ёмкости, считываем на корпусе конденсатора её значение и ставим заведомо больший предел измерения на приборе. (Если он не автоматический)

К примеру, номинал 2,5 мкФ (μF), на приборе ставим 20 мкФ (μF).

После подсоединения щупов к выводам конденсатора ждём показаний на экране, к примеру время измерения ёмкости 40 мкФ первым прибором — менее одной секунды, вторым — более одной минуты, так что следует ждать.

Если номинал не соответствует указанному на корпусе конденсатора, то его необходимо заменить и если нужно подобрать аналог.

Замена и подбор пускового/рабочего конденсатора

Если имеется оригинальный конденсатор, то понятно, что просто-напросто необходимо поставить его на место старого и всё. Полярность не имеет значения, то есть выводы конденсатора не имеют обозначений плюс «+» и минус «-» и их можно подключить как угодно.

Категорически нельзя применять электролитические конденсаторы (узнать их можно по меньшим размерам, при той же ёмкости, и обозначению плюс и минус на корпусе). Как следствие применения — термическое разрушение. Для этих целей производители специально выпускают неполярные конденсаторы для работы в цепи переменного тока, которые имеют удобное крепление и плоские клеммы, для быстрой установки.

Если нужного номинала нет, то его можно получить параллельным соединением конденсаторов. Общая ёмкость будет равна сумме двух конденсаторов:

С_общ=С₁+С₂+…С_п

То есть, если соединить два конденсатора по 35 мкФ, получим общую ёмкость 70 мкФ, напряжение при котором они смогут работать будет соответствовать их номинальному напряжению.

Такая замена абсолютно равноценна одному конденсатору большей ёмкости.

Если во время замены перепутались провода, то правильное подключение можно посмотреть по схеме на корпусе или здесь: Схема подключения конденсатора к компрессору

Типы конденсаторов

Для запуска мощных двигателей компрессоров применяют маслонаполненные неполярные конденсаторы.

Корпус внутри заполнен маслом для хорошей передачи тепла на поверхность корпуса. Корпус обычно металлический, аллюминиевый. 

Самые доступные конденсаторы такого типа CBB65.

Для запуска менее мощной нагрузки, например двигателей вентиляторов, используют сухие конденсаторы, корпус которых, обычно, пластмассовый.

Наиболее распространённые конденсаторы   этого типа CBB60, CBB61.

Клеммы для удобства соединения сдвоенные или счетверённые.

В чем отличие полярного и неполярного конденсатора

Основное отличие между этими двумя типами заключается в структуре диэлектрика, точнее, в его границе с обкладкой. Для наглядности предлагаем рассмотреть рисунок 1, где изображен неполярный керамический конденсатор.

Рисунок 1. Устройство керамической емкости в SMD корпусе

Обозначение элементов конструкции:

• А – контактные электроды;
• В – покрытие;
• С – диэлектрик;
• D – внутренние электроды.

Как видно из рисунка, граница между диэлектриком и обкладкой однородная, соответственно, и взаимодействие между ними одинаковое. Поэтому данный тип элементов не требует соблюдения полярности при монтаже.

Что касается электролитических (полярных) емкостей, то в них структура перехода между обкладкой и диэлектриком отличается для каждой из сторон последнего (катода и анода). Причем различия выражаются как в физических свойствах, так и химическом составе. Для примера рассмотрим, как устроены танталовые электролитические емкости.

Устройство танталового конденсатора полярного типа

Обозначения:

• А – метка, маркирующая анодный контакт;
• В – контактная пластина анода;
• С – внутренний анод на основе гранулированного тантала, в качестве диэлектрика выступает оксид этого химического элемента (Та2О5), формирующийся в процессе работы;
• D – электролит из диоксида марганца (MnO2);
• Е – внутренний катод (смесь серебра и графита);
• F – адгезив на основе серебра, соединяющий внутренний катод с контактной пластиной;
• G – контактная пластина катода;
• H – компаундное покрытие.

При монтаже данного типа емкости необходимо соблюдать полярность. В противном случае элемент не будет выполнять свои функции. Поэтому использовать электролитические емкости можно только в цепи постоянного тока (или импульсного). Применение в цепи переменного напряжения также допустимо, если включение электролитов отвечает определенным условиям. Можно ли заменить электролит неполярной емкостью, расскажем ниже.

Фоторезистор: определение, виды, как работает, преимущества и недостатки

Название фоторезистора представляет собой комбинацию слов: фотон (легкие частицы) и резистор. 

Фоторезистор — это тип резистора, сопротивление которого уменьшается при увеличении интенсивности света. 

Другими словами, поток электрического тока через фоторезистор увеличивается, когда интенсивность света увеличивается.

Фоторезисторы также иногда называют LDR (светозависимым резистором), полупроводниковым фоторезистором, фотопроводником или фотоэлементом. 

Фоторезистор меняет свое сопротивление только при воздействии света.

Что такое конденсатор

Конденсатор или как в народе говорят – “кондер”, образуются от латинского “condensatus”, что означает как “уплотненный, сгущенный”. Он представляет из себя пассивный радиоэлемент, который обладает таким свойством, как сохранение электрического заряда на своих обкладках, если, конечно, перед этим его зарядить каким-нибудь источником питания.

Грубо говоря, конденсатор можно рассматривать как батарейку или аккумулятор электрической энергии. Но вся разница в том, что аккумулятор или батарейка имеют в своем составе источник ЭДС, тогда как конденсатор лишен этого внутреннего источника.

Какая полярность танталовых конденсаторов?

Маркировка полярности на танталовых конденсаторах зависит от нескольких показателей, приведённых ниже:

• Страна изготовления.
• Компания-производитель.
• Стандарты, со временем способные меняться.

На старых отечественных приборах для обозначения положительного заряда использовался только один значок в форме «плюса». Иногда для этой части применяют понятие «анода», так как здесь не только пассивно накапливается заряд, но также фильтруется переменный ток. На современной печатной плате тоже может стоять знак «плюс».

Что такое полярность конденсатора

Некоторые изделия содержат маркировку под нижней частью пластикового или алюминиевого корпуса.

Важно! Маркировка на конденсатор танталовый SMD наносится немного не по тем же правилам, что для других изделий. У плоских моделей корпус чёрного или коричневого цвета, и они выглядят как маленькие прямоугольные пластины

У положительного вывода часть конструкции закрашена серебряной краской, там же стоит знак «плюса».

Что касается «минуса», то с этой стороны корпус оставляют неокрашенным. Сохраняется только естественный серебристый цвет. Интенсивным чёрным окрашивают сегмент круглого верхнего торца, и при оформлении используются синий и красный цвета. Даже после монтажа на печатную плату элемент с соответствующим оформлением легко увидеть на применяемой схеме. По сравнению с другими деталями, высота корпуса у минуса больше.

Как определить полярность конденсатора

На поверхность корпуса наносят маркировку, обозначающую соответствующую полярность. Обычно её выполняют в форме окружности с заштрихованными белыми линиями. Изображение легко найти в месте крепления отрицательного элемента. Но некоторые фирмы-производители предпочитают использовать белый цвет для оформления.

Можно применять и специальные приборы мультимеры для того, чтобы понять, какая полярность характерна для того или иного устройства.

Важно! В собранной схеме напряжение источника постоянного тока не должно превышать 70–75% от того значения, которое указано в инструкции или в соответствующих справочниках. Современные SMD танталовые конденсаторы по внешнему виду мало чем отличаются от других миниатюрных устройств из той же сферы применения

Разница состоит лишь в количестве выводов на устройстве. На схемах дополнительно применяют обозначения, соответствующие российским и зарубежным стандартам электротехники. Порядковый номер детали и номинал ёмкости легко узнать, внимательно рассмотрев корпус, однако новичкам лучше обратиться к профессионалу, чтобы получить дополнительную консультацию. Только в таком случае исключается риск ошибки, и приобретённый конденсатор будет соответствовать целям покупателя

Современные SMD танталовые конденсаторы по внешнему виду мало чем отличаются от других миниатюрных устройств из той же сферы применения. Разница состоит лишь в количестве выводов на устройстве. На схемах дополнительно применяют обозначения, соответствующие российским и зарубежным стандартам электротехники. Порядковый номер детали и номинал ёмкости легко узнать, внимательно рассмотрев корпус, однако новичкам лучше обратиться к профессионалу, чтобы получить дополнительную консультацию. Только в таком случае исключается риск ошибки, и приобретённый конденсатор будет соответствовать целям покупателя.

Способы определения полярности конденсатора

По маркировке

У большинства конденсаторов-электролитов  отечественных, а также ряда государств бывшего соцлагеря, обозначается лишь положительный вывод. Соответственно, второй – это минус. Но вот символика может быть разной. Она зависит от страны-изготовителя и года выпуска радиодетали. Последнее объясняется тем, что с течением времени изменяются нормативные документы, вступают в силу новые стандарты.

Все о цветовой маркировке конденсатора вы можете узнать здесь.

Примеры обозначения плюса конденсатора

• Символ «+» на корпусе около одной из ножек. В некоторых сериях она проходит через его центр. Это относится к конденсаторам цилиндрической формы (бочкообразным), с «дном» из пластмассы. Например, К50-16.
• У конденсаторов типа ЭТО полярность иногда не обозначается. Но определить ее визуально можно, если посмотреть на форму детали. Вывод «+» расположен со стороны, имеющий больший диаметр (на рисунке плюс вверху).

Если конденсатор (так называемая коаксиальная конструкция) предназначен для монтажа способом присоединения корпуса к «шасси» прибора (являющимся минусом любой схемы), то центральный контакт – плюс, без всякого сомнения.

Обозначение минуса

Это относится к конденсаторам импортного производства. Рядом с ножкой «–», на корпусе, имеется своеобразный штрих-код, представляющий собой прерывистую полосу или вертикальный ряд из черточек. Как вариант – длинная полоска вдоль осевой линии цилиндра, один конец которой указывает на минус. Она выделяется на общем фоне своим оттенком.

По геометрии

Если у конденсатора одна ножка длиннее другой, то это – плюс. В основном подобным образом также маркируются изделия импортные.

С помощью мультиметра

Такой способ определения полярности конденсатора практикуется, если его маркировка трудночитаема или полностью стерта. Для проверки необходимо собрать схему. Понадобится или мультиметр с внутренним сопротивлением порядка 100 кОм (режим – измерение I=, предел – микроамперы)

или источник постоянного тока + милливольтметр + нагрузка

О том, как проверить конденсатор мультиметром, читайте здесь.

Что сделать

• Полностью разрядить конденсатор. Для этого достаточно его ножки замкнуть накоротко (жалом отвертки, пинцетом).
• Подключить емкость в разрыв цепи.
• После окончания процесса заряда зафиксировать значение тока (он будет постепенно уменьшаться).
• Разрядить.
• Снова включить в схему.
• Считать показания прибора.

Если плюсовой щуп мультиметра был соединен с «+» конденсатора, то разница в показаниях должна быть незначительной. В случае если полярность перепутана (плюс на минус), то отличие результатов измерений будет существенной.

 Рекомендация.  Определение полярности прибором целесообразно делать в любом случае. Это позволит одновременно произвести и диагностику детали. Если электролит, имеющий большой номинал, заряжается сравнительно быстро от источника 9±3 В, то это свидетельство того, что он «подсох». То есть утратил часть своей емкости. Его лучше в схему не ставить, так как ее работа может быть некорректной, и придется заниматься дополнительными настройками.

Конструкция электролитического конденсатора

Электролитические конденсаторы устроены, как правило, следующим образом: слой электролита заключается между электродами с металлическим типом проводимости, один из которых покрыт тонким слоем диэлектрика (оксидной плёнкой). За счёт чрезвычайно малой толщины диэлектрика, ёмкость конденсатора достигает значительных величин. Однако, соприкосновение двух проводящих пластин, разделённых тонким диэлектриком не является идеальным, для устранения воздушного зазора, в пространство между пластинами вводят электролит.

По типу наполнения электролитом электролитические конденсаторы можно разделить на: жидкостные, сухие, оксидно-полупроводниковые и оксидно-металлические.

В жидкостных конденсаторах используют жидкий электролит, для увеличения ёмкости анод изготавливают объёмно-пористым, например, путём прессования порошка металла и спекания его при высокой температуре.
В сухих конденсаторах применяется вязкий электролит. В этом случае конденсатор, изготавливается из двух лент фольги (оксидированной и неоксидированной), между которыми размещается прокладка из бумаги или ткани, пропитанная электролитом.

В оксидно-полупроводниковых конденсаторах в качестве катода используется проводящий оксид (диоксид марганца).

В оксидно-металлических конденсаторах функции катода выполняет металлическая плёнка оксидного слоя.

Изготовляемые промышленностью алюминиевые электролитические конденсаторы состоят из двух тонких алюминиевых пластин фольги. Между пластинами помещается прокладка — пористая бумага, пропитанная электролитом. Фольга и прокладка сворачивается в рулон и помещается в корпус через который сделаны два электрических вывода. Под химическим действием электролита при приложении электрического напряжения поверхность алюминиевой фольги анода окисляется, — на поверхности фольги образуется тонкий слой диэлектрика — оксида алюминия.

При напряжении обратной полярности процесс регенерации диэлектрического слоя прекращается, он постепенно разрушается, приводя к повышенным значениям токов утечки, что может привести к повреждению электрической схемы, причем отказ конденсатора в сильноточных цепях сопровождается выделением тепла, выделением дыма и газов внутри конденсатора, что может привести к разрушению его корпуса. Поэтому электролитические конденсаторы предназначены для работы лишь в цепях с пульсирующим напряжением одной полярности, либо в цепях с постоянным током.

Общие сведения

Конденсатор – пассивный элемент электрической цепи, который способен накапливать заряд и мгновенно отдавать его в случае разряда. Конструктивное исполнение простейшего ёмкостного элемента включает в себя:

• обкладки (пластины);
• диэлектрический слой, расположенный между пластинами;
• корпус;
• выводы (электроды).

Между пластин располагается промежуток, заполненный диэлектриком, в качестве диэлектрика может быть использован воздушный зазор. Так устроены элементы переменной ёмкости.

Важно! Включение в схему ёмкостного двухполюсника полярного конденсатора требует соединения его минусового вывода с общим минусом схемы, а плюсового – с общим плюсом сборки. К электролитическим полярным двухполюсникам относятся:

К электролитическим полярным двухполюсникам относятся:

• алюминиевые;
• полимерные (ниобиевые или танталовые).

Включение в схему с несоблюдением полярности приводит к выходу из строя элемента и возможному повреждению соседних компонентов при его взрыве. Полярные конденсаторы выделяются из прочего ряда высокой ёмкостью.

Ёмкость двухполюсника обозначается буквой C и имеет единицу измерения фарад (Ф). 1 фарад даже для электролитических двухполюсников величина большая. Поэтому наиболее часто применяются такие дольные единицы ёмкости, как:

• микрофарада – 1 мФ = 1*10-6 Ф;
• нанофарада – 1 нФ = 1*10-9 Ф;
• пикофарада – 1 пФ = 1*10-12 Ф.

Электролитический элемент ёмкости состоит из двух обкладок. В качестве первой выступает алюминиевая фольга, в качестве второй – электролит. Диэлектриком служит оксидный слой, нанесённый на фольгу.

У полимерных конденсаторов анод – пористая танталовая или ниобиевая фольга, на которую нанесён оксидный слой диэлектрика. Катод – слой полупроводника, который напыляется прямо на оксидный слой.

Внимание! Срок службы электролитического двухполюсника достигает 5000 ч при максимально допустимом температурном режиме. Откуда следует, что повышение рабочей температуры приводит к сокращению работоспособности

Положительным потенциалом обладает металлический анод, отрицательным – электролит. Нарушение полярности при подсоединении приводит к утрате диэлектрической способности оксидного напыления и короткому замыканию между пластинами. Электролит нагревается, и образующиеся газы разрывают корпус. Для уменьшения последствий разрыва в верхней части корпуса выполняются насечки.