Выбор плёночных конденсаторов для применения в Hi-Fi- и High-End-аудиотехнике. Часть 2. Основные характеристики конденсаторов

Полярность конденсатора

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

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

Приложение напряжения обратной полярности

Алюминиевые электролитические конденсаторы обычно производятся на определенную, фиксированную полярность прикладываемого к ним напряжения и не могут нормально работать при обратной полярности. Подача напряжения в обратной полярности означает, что в качестве диэлектрика должна работать пленка оксида на катодной фольге взамен пленки на анодной фольге. Учитывая, что пленка оксида на катодной фольге значительно тоньше, в режиме обратной полярности напряжения она способна функционировать как диэлектрик только до нескольких вольт (1–3 В). При обратных напряжениях с величинами больше указанных начинается электрохимическая реакция оксидирования катодной фольги. Протекание такой реакции означает, что:

• весь доступный схемный ток протекает через этот конденсатор (он теряет блокирующую способность);
• в зависимости от величины протекающего тока в течение достаточно короткого времени генерируется аномально большое количество тепла;
• на оригинальной анодной фольге выделяется водород.

В зависимости от величины тока и продолжительности времени подачи на алюминиевый электролитический конденсатор напряжения обратной полярности может сработать предохранительный клапан, а в особо тяжелых случаях чрезмерное тепловыделение способно вызвать возгорание конденсатора. Однако напряжение обратной полярности в пределах 1–3 В адекватно блокирующим способностям оксидного слоя на катодной фольге. Соответственно, оно, как правило, не вызывает каких-либо проблем. График в правой части рис. 2 показывает, что обратный ток, протекающий через алюминиевый электролитический конденсатор, не изменяется сколько-нибудь существенно, пока величина обратного напряжения не превысит 3 В.

Рис. 2. Функционирование алюминиевого электролитического конденсатора при подаче напряжения обратной полярности

Эквивалентная схема конденсатора

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

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

Физические размеры конденсатора

Для большинства применений в электронике минимальный размер является целью для разработки компонентов. Чем меньшие по размеру компоненты можно изготовить, тем большая схема может быть встроена в меньший корпус, при этом, как правило, также уменьшается вес. В случае конденсаторов существуют два основных ограничивающих фактора для минимального размера устройства: рабочее напряжение и емкость. И эти два фактора, как правило, противоречат друг другу. Для любого конкретного выбранного диэлектрического материала единственный способ увеличить номинальное напряжение конденсатора – это увеличить толщину диэлектрика. Однако, как мы видели, это приводит к уменьшению емкости. Емкость можно восстановить, увеличив площадь пластины, но это делает компонент больше. Вот почему вы не можете судить о емкости конденсатора в фарадах просто по размеру. Конденсатор любого заданного размера может быть относительно высоким по емкости и с низким рабочим напряжением, или наоборот, или иметь некоторый компромисс между двумя этими крайностями. Посмотрим для примера следующие две фотографии:

Это довольно большой конденсатор по физическим размерам, но он имеет довольно низкое значение емкости: всего 2 мкФ. Тем не менее, его рабочее напряжение довольно высокое: 2000 вольт! Если бы этот конденсатор был перепроектирован так, чтобы между его пластинами был более тонкий слой диэлектрика, то могло бы быть достигнуто, по крайней мере, стократное увеличение емкости, но за счет значительного снижения его рабочего напряжения. Сравните приведенную выше фотографию с приведенной ниже. Конденсатор, показанный на нижнем рисунке, представляет собой электролитический компонент, по размерам подобный приведенному выше, но с очень отличающимися значениями емкости и рабочего напряжения:

Более тонкий слой диэлектрика дает ему гораздо большую емкость (20000 мкФ) и резко снижает рабочее напряжение (постоянное напряжение 35 В, напряжение 45 В в пике).

Вот некоторые образцы конденсаторов разных типов, все по размеру меньше, чем показанные ранее:

Электролитические и танталовые конденсаторы являются полярными (чувствительны к полярности) и всегда помечаются как таковые. У электролитических конденсаторов отрицательные (-) выводы отмечаются стрелками на корпусе. У некоторых полярных конденсаторов полярность обозначена на положительном выводе. У большого электролитического конденсатора на 20 000 мкФ, показанного выше, положительный (+) вывод помечен знаком «плюс». Керамические, майларовые, пленочные и воздушные конденсаторы не имеют маркировки полярности, потому что эти типы являются неполярными (они не чувствительны к полярности).

Конденсаторы являются очень распространенными компонентами в электронных схемах. Внимательно посмотрите на следующую фотографию – каждый компонент, обозначенный на печатной плате буквой «С», является конденсатором:

Некоторые конденсаторы на плате – это стандартные электролитические конденсаторы: C30 (верхняя часть платы, в центре) и C36 (левая сторона, 1/3 от вершины). Некоторые другие представляют собой особый вид электролитических конденсаторов, называемый танталовым, потому что именно этот тип металла используется для изготовления пластин. Танталовые конденсаторы имеют относительно высокую емкость для своих физических размеров. На плате, показанной выше, танталовые конденсаторы: C14 (чуть ниже слева от C30), C19 (непосредственно под R10, который ниже C30), C24 (нижний левый угол платы) и C22 (внизу справа).

Примеры еще меньших по размеру конденсаторов можно увидеть на этой фотографии:

Конденсаторы на этой печатной плате из соображений экономии места являются «устройствами поверхностного монтажа», как и все резисторы. В соответствии с соглашением о маркировке компонентов конденсаторы могут быть идентифицированы по меткам, начинающимся с буквы «C».

Оригинал статьи:

• Practical Considerations — Capacitors

Перенапряжение. Часть 1: длительное воздействие перенапряжения

При увеличении напряжения, прикладываемого к алюминиевому электролитическому конденсатору, его внутренние части подвергаются воздействию все возрастающей напряженности электрического поля. Если напряженность поля достаточно велика, может происходить перенос электрического заряда через слой диэлектрика. Этот единичный разряд способен усиливаться подобно лавине, вызывая так называемый частичный разряд конденсатора. Указанное явление известно как «искрение» из-за его характерного звукового проявления. Если эти частичные разряды — при уровне напряжения, типичном для условий данного применения алюминиевого электролитического конденсатора, — следуют слишком часто или имеют достаточно большую величину, то приводят к полному пробою диэлектрика и катастрофическому отказу компонента. Термин «катастрофический отказ» относится к такому состоянию конденсатора, когда можно видеть физические признаки повреждения его внутренних частей.

Определение процедуры испытаний

Вследствие деликатной природы частичных разрядов в начальной области их проявления был сконструирован уникальный детектор для выявления и изучения этого феномена. Он захватывает «тонкие» просадки напряжения на конденсаторе микровольтного уровня (при искрении ниже звукового порога обнаружения) с временным разрешением, соответствующим одиночным или незначительно усиленным лавиной частичным разрядам. Он также захватывает малые колебания напряжения на конденсаторе с разрешением по времени порядка наносекунд, которые характеризуют происходящие лавинные пробои. Схематично это показано на рис. 3.

Рис. 3. Принцип работы детектора «искрения»

Разряды могут возникать на выводах алюминиевого электролитического конденсатора, токоотводах, анодной и катодной фольге и его алюминиевом корпусе при условии, что все они смочены электролитом. Вследствие ряда теоретических предпосылок и практических соображений было решено выбрать токоотводы для детального изучения проявления частичных разрядов в алюминиевых электролитических конденсаторах. Токоотводы были помещены в термостатированный сосуд с электролитом и поляризованы (отформованы) при постоянной плотности тока 333 мкА/см2.