Самая распространённая поломка современной электроники — это неисправность электролитических конденсаторов. Если вы после разбора корпуса электронного устройства замечали, что на печатной плате имеются конденсаторы с деформированным, вздутым корпусом, из которого сочится ядовитый электролит, то самое время разобраться, как распознать поломку или дефект в конденсаторе и подобрать адекватную замену. Располагая профессиональным флюсом для пайки, припоем, паяльной станцией, набором новых конденсаторов, вы без особого труда «оживите» любой электронный прибор своими руками.
По сути, конденсатор — радиоэлектронный компонент, основная цель которого — это накопление и отдача электроэнергии с целью фильтрации, сглаживания и генерации переменных электрических колебаний. Любой конденсатор имеет два важнейших электрических параметра: ёмкость и максимальное постоянное напряжение, которое может быть приложено к конденсатору без его пробоя или разрушения. Ёмкость, как правило, определяет, какое количество электрической энергии может вобрать в себя конденсатор, если приложить к его обкладкам постоянное напряжение, не превышающее заданного лимита. Ёмкость измеряется в Фарадах. Наибольшее распространение получили конденсаторы, ёмкость которых исчисляется в микрофарадах (мкФ), пикофарадах (пкФ) и нанофарадах (нФ). Во многих случаях рекомендуется заменять неисправный конденсатор на исправный, имеющий аналогичные ёмкостные характеристики. Однако в ремонтной практике бытует мнение о том, что в схемах блоков питания можно ставить конденсатор, несколько превышающий по ёмкости фабричные параметры. К примеру, если мы хотим заменить разорвавшийся электролит на 100мкФ 12Вольт в блоке питания, который призван сгладить колебания после диодного выпрямительного моста, можно смело устанавливать ёмкость даже на 470мкФ 25В. Во-первых, повышенная ёмкость конденсатора только уменьшит пульсации, что само по себе неплохо для блока питания. Во-вторых, повышенное предельное напряжение только повысит общую надёжность схемы. Главное, чтобы отведённое под установку конденсатора место подходило.
Почему взрываются конденсаторы электролитического типа
Самая частая причина, по которой происходит взрыв электролитического конденсатора — это превышение напряжения межу обкладками конденсатора. Не секрет, что во многих приборах китайского производства параметр максимального напряжения точно соответствует приложенному напряжению. По своей задумке производители конденсаторов не предусматривали, что в штатном включении конденсатора в состав электросхемы на его контакты будет подаваться именно максимальное напряжение. К примеру, если на конденсаторе написано 16В 100мкФ, то не стоит его подключать в схему, где на него будет постоянно подаваться 15 или 16В. Безусловно, он выдержит какое-то время такое издевательство, но запас прочности будет практически равен нолю. Гораздо лучше устанавливать такие конденсаторы в цепь с напряжением 10–12В., чтобы был какой-то запас по напряжению.
Мощность тока через резистор
Пусть переменный ток протекает через резистор сопротивлением . Напряжение на резисторе, как нам известно, колеблется в фазе с током:
Поэтому для мгновенной мощности получаем:
(2)
График зависимости мощности (2) от времени представлен на рис. 1. Мы видим, что мощность всё время неотрицательна — резистор забирает энергию из цепи, но не возвращает её обратно в цепь.
Рис. 1. Мощность переменного тока через резистор
Максимальное значение нашей мощности связано с амплитудами тока и напряжения привычными формулами:
На практике, однако, интерес представляет не максимальная, а средняя
мощность тока. Это и понятно. Возьмите, например, обычную лампочку, которая горит у вас дома. По ней течёт ток частотой Гц, т. е. за секунду совершается колебаний силы тока и напряжения. Ясно, что за достаточно продолжительное время на лампочке выделяется некоторая средняя мощность, значение которой находится где-то между и . Где же именно?
Посмотрите ещё раз внимательно на рис. 1. Не возникает ли у вас интуитивное ощущение, что средняя мощность соответствует «середине» нашей синусоиды и принимает поэтому значение ?
Это ощущение совершенно верное! Так оно и есть. Разумеется, можно дать математически строгое определение среднего значения функции (в виде некоторого интеграла) и подтвердить нашу догадку прямым вычислением, но нам это не нужно. Достаточно интуитивного понимания простого и важного факта:
среднее значение квадрата синуса (или косинуса) за период равно
.
Этот факт иллюстрируется рисунком 2.
Рис. 2. Среднее значение квадрата синуса равно
Итак, для среднего значения мощности тока на резисторе имеем:
(3)
В связи с этими формулами вводятся так называемые действующие
(или
эффективные
) значения напряжения и силы тока (на самом деле это есть не что иное, как
средние квадратические
значения напряжения и тока. Такое у нас уже встречалось: средняя квадратическая скорость молекул идеального газа (листок «Уравнение состояния идеального газа»):
(4)
Формулы (3), записанные через действующие значения, полностью аналогичны соответствующим формулам для постоянного тока:
Поэтому если вы возьмёте лампочку, подключите её сначала к источнику постоянного напряжения , а затем к источнику переменного напряжения с таким же действующим значением , то в обоих случаях лампочка будет гореть одинаково ярко.
Действующие значения (4) чрезвычайно важны для практики. Оказывается, вольтметры и амперметры переменного тока показывают именно действующие значения
(так уж они устроены). Знайте также, что пресловутые вольт из розетки — это
действующее
значение напряжения бытовой электросети.
Полярность подключения электролитических конденсаторов
Электролитические конденсаторы имеют отрицательный и положительный электроды. Как правило, отрицательный электрод определяется по маркировке на корпусе (белая продольная полоса за значками «-»), а положительная обкладка никак не промаркирована. Исключение – отечественные конденсаторы, где, напротив, положительный терминал промаркирован значком «+». При замене конденсаторов необходимо сопоставить и проверить, соответствует ли полярность подключения конденсатора маркировке на печатной плате (кружок, где имеется заштрихованный сегмент). Сопоставив минусовую полосу с заштрихованным сегментом, вы безошибочно вставите конденсатор. Остаётся лишь обрезать ножки конденсатора, обработать места пайки и качественно припаять. Если случайно перепутать полярность подключения, то даже абсолютно новый и вполне исправный конденсатор просто-напросто разорвётся, измазав попутно все соседние компоненты и печатную плату токопроводящим электролитом.
Немного о безопасности
Не секрет, что замена низковольтных конденсаторов может принести вред здоровью лишь в случае ошибки подключения полярности. При первом включении конденсатор взорвётся. Вторая опасность, которую стоит ожидать от конденсаторов, заключается в напряжении между его обкладками. Если вы когда-нибудь разбирали блоки питания от компьютеров, то вы, вероятно, замечали огромные электролиты на 200В. Именно в этих конденсаторах остаётся опасное высокое напряжение, которое может серьёзно травмировать вас. Перед заменой конденсаторов блоков питания рекомендуем полностью его разрядить либо резистором, либо неоновой лампочкой на 220В.
Полезный совет: такие конденсаторы очень не любят разряжаться через короткое замыкание, поэтому не замыкайте их выводы отвёрткой с целью разряда.
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.
Как выбрать конденсатор в зависимости от характеристик?
Существует немало разновидностей конденсаторов. Форма этих элементов может быть самой разнообразной:
- рулонные низкочастотные: представляют из себя бумажную ленту, переложенную фольгой и свернутую в рулон;
- пластинчатые: собранные в герметичные пакеты, покрытые защитной эмалью;
- трубчатые: имеющие форму керамической трубки и серебряный проводящий слой;
- дисковые: с диэлектриком в форме керамического диска (форму диска или трубки обычно имеют высокочастотные конденсаторы);
- литые секционированные, предназначенные для установки в микросхемах, имеют 2 паза, между которыми заливается серебряная паста.
Рассмотрим, как выбрать конденсатор по виду диэлектрика. По виду изолятора это устройство может быть:
- электролитическим (алюминиевым или танталовым): анодом в нем является пластина из металла, диэлектриком – оксидная пленка, катодом – электролит;
- пленочным и металлопленочным: с изоляторами в виде полипропиленовой, полиэстеровой или полистиреновой пленки, уложенной между слоями фольги; несмотря на минимальную емкость, способны работать при повышенных напряжениях в высокочастотных схемах;
- керамическим небольшой емкости: диэлектриком в нем служат керамические пластины; хорошо работают с сигналами меняющейся полярности;
- бумажным: используется реже, имеет большие размеры; изолятором служит промасляная или непромасляная бумага.
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
Свойства
Из описания понятно, что для постоянного тока конденсатор является непреодолимым барьером, за исключением случаев пробоя диэлектрика. В таких электрических цепях радиоэлемент используется для накопления и сохранения электричества на его электродах. Изменение напряжения происходит лишь в случаях изменений параметров тока в цепи. Эти изменения могут считывать другие элементы схемы и реагировать на них.
В цепях синусоидального тока конденсатор ведёт себя подобно катушке индуктивности. Он пропускает переменный ток, но отсекает постоянную составляющую, а значит, может служить отличным фильтром. Такие радиоэлектронные элементы применяются в цепях обратной связи, входят в схемы колебательных контуров и т. п.
Ещё одно свойство состоит в том, что переменную емкость можно использовать для сдвига фаз. Существуют специальные пусковые конденсаторы (рис.5), применяемые для запусков трёхфазных электромоторов в однофазных электросетях.
Рис. 5. Пусковой конденсатор с проводами
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.
Признаки неисправности конденсатора
Перед тем, как выбрать конденсатор, следует выпаять вышедшее из строя устройство и определить его параметры. Признаком нарушения работоспособности этого элемента могут служить:
- «вздутие», деформация крышки;
- снижение емкости и комплексного электросопротивления (импеданса): для определения их значения используется оммометр; его щупы прикладываются к одному из предварительно отпаянных выводов конденсатора; при обрыве стрелка прибора будет отклоняться в сторону «бесконечности»; на неисправность конденсатора указывает также снижение показателей его емкости;
Косвенными признаками выхода из строя одного или нескольких конденсаторов являются нестабильность работы компьютера, его периодическое «зависание», перезагрузка, увеличение потребляемой мощности одного из узлов или полный выход из строя ПК.
Важно! Затягивать с заменой конденсатора, задействованного в цепи электропитания важнейших элементов, к примеру, процессора, крайне нежелательно. Это может привести к его выходу из строя.
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 =С 1 +С 2 +…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.
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.
Приняв решение о замене конденсатора на печатной плате, первым делом следует подобрать конденсатор на замену. Как правило, речь идет об электролитическом конденсаторе, который по причине исчерпания своего рабочего ресурса начал создавать нештатный режим вашему электронному устройству, либо конденсатор лопнул из-за перегрева, а может быть вы просто решили поставить поновее или получше.
Выбираем подходящий конденсатор на замену
Параметры конденсатора на замену непременно должны подходить: его номинальное напряжение ни в коем случае не должно быть ниже, чем у заменяемого конденсатора, а емкость — никак не ниже, или может быть процентов на 5-10 выше (если это допустимо в соответствии с известной вам схемой данного устройства), чем была изначально.
Наконец, убедитесь, что новый конденсатор подойдет по размеру на то место, которое покинет его предшественник. Если он окажется чуть-чуть поменьше диаметром и высотой — не страшно, но если диаметр или высота больше — могут помешать компоненты, расположенные на этой же плате поблизости или он будет упираться в элементы корпуса. Эти нюансы важно учесть. Итак, конденсатор на замену выбран, он вам подходит, теперь можно приступать к демонтажу старого конденсатора.
Готовимся к процессу
Сейчас необходимо будет устранить с платы неисправный конденсатор, и подготовить место для установки сюда же нового. Для этого вам потребуется, конечно, а также удобно к данному действу подготовить кусок медной оплетки для снятия припоя. Как правило, мощности паяльника в пределах 40 Вт будет вполне достаточно даже если на плате был изначально применен тугоплавкий припой.
Что же касается медной оплетки для устранения припоя, то если у вас такой нет, ее весьма несложно изготовить самостоятельно: возьмите кусок не очень толстого медного провода, состоящего из тонких медных жилок, снимите с него изоляцию, слегка (можно простой сосновой канифолью), — теперь эти пропитанные флюсом жилки легко, словно губка, вберут в себя припой с ножек выпаиваемого конденсатора.
Выпаиваем старый конденсатор
Сначала посмотрите, какова полярность выпаиваемого конденсатора на плате: в какую сторону минусом он стоит, чтобы когда будете впаивать новый — не допустить ошибки с полярностью. Обычно минусовая ножка отмечена полосой. Итак, когда оплетка для удаления припоя приготовлена, а паяльник уже достаточно разогрет, сначала прислоните оплетку к основанию той из ножек конденсатора, которую вы решили освободить от припоя первой.
Аккуратно расплавьте припой на ножке прямо через оплетку, чтобы оплетка тоже разогрелась и быстро втянула в себя припой с платы. Если припоя на ножке многовато, двигайте оплетку по мере того как она будет заполняться припоем, собирая на нее весь припой с ножки, чтобы ножка в итоге осталась свободной от припоя. Проделайте это же самое со второй ножкой конденсатора. Теперь конденсатор можно легко выдернуть рукой или пинцетом.
Впаиваем новый конденсатор
Новый конденсатор необходимо установить с соблюдением полярности, то есть минусовой ножкой туда же, где была минусовая ножка выпаянного. Обычно минус обозначен полоской, а плюсовая ножка длиннее минусовой. Обработайте ножки конденсатора флюсом.
Вставьте конденсатор в отверстия. Не нужно заранее укорачивать ножки. Разогните ножки немного в разные стороны, чтобы конденсатор хорошо держался на месте и не выпадал.
Теперь, прогревая ножку возле самой платы кончиком жала паяльника, поднесите тычком припой к ножке, чтобы ножка окуталась, смочилась, окружилась припоем. То же самое проделайте со второй ножкой. Когда припой остынет, вам останется укоротить ножки конденсатора кусачками (до той длины, что и у соседних деталей на вашей плате).
В элементной базе компьютера (и не только) есть одно узкое место — электролитические конденсаторы. Они содержат электролит, электролит — это жидкость. Поэтому нагрев такого конденсатора приводит к выходу его из строя, так как электролит испаряется. А нагрев в системном блоке — дело регулярное.
Поэтому замена конденсаторов — это вопрос времени. Больше половины отказов материнских плат средней и нижней ценовой категории происходит по вине высохших или вздувшихся конденсаторов. Еще чаще по этой причине ломаются компьютерные блоки питания.
Поскольку печать на современных платах очень плотная, производить замену конденсаторов нужно очень аккуратно. Можно повредить и при этом не заметить мелкий бескорпусой элемент или разорвать (замкнуть) дорожки, толщина и расстояние между которыми чуть больше толщины человеческого волоса. Исправить подобное потом достаточно сложно. Так что будьте внимательны.
Итак, для замены конденсаторов понадобится паяльник с тонким жалом мощностью 25-30Вт, кусок толстой гитарной струны или толстая игла, паяльный флюс или канифоль.
В том случае, если вы перепутаете полярность при замене электролитического конденсатора или установите конденсатор с низким номиналом по вольтажу, он вполне может взорваться. А вот как это выглядит:
Так что внимательнее подбирайте деталь для замены и правильно устанавливайте. На электролитических конденсаторах всегда отмечен минусовой контакт (обычно вертикальной полосой цвета, отличного от цвета корпуса). На печатной плате отверстие под минусовой контакт отмечено тоже (обычно черной штриховкой или сплошным белым цветом). Номиналы написаны на корпусе конденсатора. Их несколько: вольтаж, ёмкость, допуски и температура.
Первые два есть всегда, остальные могут и отсутствовать. Вольтаж: 16V
(16 вольт). Ёмкость:
220µF
(220 микрофарад). Вот эти номиналы очень важны при замене. Вольтаж можно выбирать равный или с большим номиналом. А вот ёмкость влияет на время зарядки/разрядки конденсатора и в ряде случаев может иметь важное значение для участка цепи.
Поэтому ёмкость следует подбирать равную той, что указана на корпусе. Слева на фото ниже зелёный вздувшийся (или потёкший) конденсатор. Вообще с этими зелёными конденсаторами постоянные проблемы. Самые частые кандидаты на замену. Справа исправный конденсатор, который будем впаивать.
Выпаивается конденсатор следующим образом: сначала находите ножки конденсатора с обратной стороны платы (для меня это самый трудный момент). Затем нагреваете одну из ножек и слегка давите на корпус конденсатора со стороны нагреваемой ножки. Когда припой расплавляется, конденсатор наклоняется. Проводите аналогичную процедуру со второй ножкой. Обычно конденсатор вынимается в два приема.
Спешить не нужно, сильно давить тоже. Мат.плата — это не двухсторонний текстолит, а многослойный (представьте вафлю). Из-за чрезмерного усердия можно повредить контакты внутренних слоев печатной платы. Так что без фанатизма. Кстати, долговременный нагрев тоже может повредить плату, например, привести к отслоению или отрыву контактной площадки. Поэтому сильно давить паяльником тоже не нужно. Паяльник прислоняем, на конденсатор слегка надавливаем.
После извлечения испорченного конденсатора необходимо сделать отверстия, чтобы новый конденсатор вставлялся свободно или с небольшим усилием. Я для этих целей использую гитарную струну той же толщины, что и ножки выпаиваемой детали. Для этих целей подойдет и швейная игла, однако иглы сейчас делают из обычного железа, а струны из стали. Есть вероятность того, что игла схватится припоем и сломается при попытке ее вытащить. А струна достаточно гибкая и схватывается сталь с припоем значительно хуже, чем железо.
При демонтаже конденсаторов припой чаще всего забивает отверстия в плате. Попробовав впаять конденсатор тем же способом, которым я советовал его выпаивать, можно повредить контактную площадку и дорожку, ведущую к ней. Не конец света, но очень нежелательное происшествие. Поэтому если отверстия не забил припой, их нужно просто расширить. А если все же забил, то нужно плотно прижать конец струны или иглы к отверстию, а с другой стороны платы прислонить к этому отверстию паяльник. Если подобный вариант неудобен, то жало паяльника нужно прислонять к струне практически у основания. Когда припой расплавится, струна войдёт в отверстие. В этот момент надо ее вращать, чтобы она не схватилась припоем.
После получения и расширения отверстия нужно снять с его краев излишки припоя, если таковые имеются, иначе во время припаивания конденсатора может образоваться оловянная шапка, которая может припаять соседние дорожки в тех местах, где печать плотная. Обратите внимание на фото ниже — насколько близко к отверстиям располагаются дорожки. Припаять такую очень легко, а заметить сложно, поскольку обзору мешает установленный конденсатор. Поэтому лишний припой очень желательно убирать.
Если у вас нет под боком радио-рынка, то скорее всего конденсатор для замены найдется только б/у. Перед монтажом следует обработать его ножки, если требуется. Желательно снять весь припой с ножек. Я обычно мажу ножки флюсом и чистым жалом паяльника облуживаю, припой собирается на жало паяльника. Потом скоблю ножки конденсатора канцелярским ножом (на всякий случай).
Вот, собственно, и все. Вставляем конденсатор, смазываем ножки флюсом и припаиваем. Кстати, если используется сосновая канифоль, лучше истолочь ее в порошок и нанести его на место монтажа, чем макать паяльник в кусок канифоли. Тогда получится аккуратно.
