Какое сопротивление у конденсатора

8

Емкостное сопротивление конденсатора: влияние на переменный и постоянный ток, формулы для расчета

Чем больше частота переменного тока, тем лучше пропускает конденсатор ток (тем меньше сопротивление конденсатора переменному току).

Т.к. разность фаз между колебаниями тока и напряжения равна π/2, то мощность в цепи равна 0: энергия не расходуется, а происходит обмен энергией между источником напряжения и емкостной нагрузкой. Такая нагрузка наз. реактивной.

Индуктивное сопротивление в цепи переменного тока

В катушке, включенной в цепь переменного напряжения, си­ла тока меньше силы тока в цепи постоянного напряжения для этой же катушки. Следовательно, катушка в цепи переменного напряжения создает большее сопротивление, чем в цепи посто­янного напряжения.

Мгновенное значение силы тока:

Мгновенное значение напряжения можно установить, учиты­вая, что u = — ε_i , где u — мгновенное значение напряжения, а ε_i — мгновенное значение эдс самоиндукции, т. е. при изменении тока в цепи возникает ЭДС самоиндукции, которая в соответствии с законом электромагнитной индукции и правилом Ленца равна по величине и противоположна по фазе приложенному напряжению.

Следовательно , где амплитуда напряжения.

Напряжение опережает ток по фазе на π/2.

Т.к. согласно закону Ома сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональная сопротивлению, то приняв величину ωL за сопротивление катушки переменному току, получим: — закон Ома для цепи с чисто индуктивной нагрузкой.

Величина — индуктивное сопротивление.

Т.о. в любое мгновение времени изменению силы тока противодействует ЭДС самоиндукции. ЭДС самоиндукции — причина индуктивного сопротивления.

В отличие от активного сопротивления, индуктивное не является характеристикой проводника, т.к. зависит от параметров цепи (частоты): чем больше частота переменного тока, тем больше сопротивление, которое ему оказывает катушка.

Т.к. разность фаз между колебаниями тока и напряжения равна π/2, то мощность в цепи равна 0: энергия не расходуется, а происходит обмен энергией между источником напряжения и индуктивной нагрузкой. Такая нагрузка наз. реактивной.

При проектировании электрический цепей, оборудования и электроприборов учитываются многие свойства проводников. Одним из важных свойств считается емкостное сопротивление.

В данной статье будет подробно описано — что такое емкостное сопротивление конденсатора. Так же будет приведена формула расчета такого параметра, описана работа конденсатора в цепи переменного тока и сферы применения ёмкостного сопротивления.

Определение

Сопротивлением называют физический эффект противодействия протеканию тока по любой электрической цепи. Этим свойством обладают все проводники электрического тока. Данная величина измеряется в Ом.

Емкостное электрическое сопротивление является величиной, благодаря которой можно понять, что в цепи присутствует конденсатор. Емкостные сопротивления конденсатора рассчитываются только для цепей переменного тока, без учета наличия в них резисторов.

Конденсатор обозначается на схеме буквой «С», а его ёмкостное сопротивление «Xc».

Принцип работы

Конденсатор с определенной ёмкостью работает по принципу периода, который состоит из заряда и разряда элемента. Период делится на 4 части:

1. Первая часть предполагает рост напряжения. В этот момент сопротивление конденсатора минимально, а зарядный ток очень высокий.
2. Во второй четверти происходит наполнение его ёмкости за счет зарядного тока.
3. В третьей четверти конденсатор полностью заряжается, при этом происходит снижение тока вплоть до 0. ЭДС возрастает с эффектом смены своей направленности.
4. В последней четверти происходит разряд элемента. На этом этапе ЭДС будет в пределах 0, а ток постепенно нарастать.

Все описанные процессы за один период определяют дальнейший фазный сдвиг на 90 градусов.

Природа возникновения емкостного сопротивления полностью зависит от нескольких факторов:

1. Обязательно наличие конденсатора в цепи.
2. По цепи должен течь только переменный ток.
3. Сопротивление проводника должно быть меньше емкости конденсатора.

Все эти факторы помогают рассчитать наиболее правильное значение ёмкостных характеристик для наиболее эффективной работы электроцепи.

Расчет

Расчет электрического емкостного сопротивления цепи делается по формуле. Она состоит из следующих значений:

1. «Xc» — является емкостным сопротивлением в Омах.
2. «1» — период полного заряда и разряда элемента.
3. «w» — круговая частота переменного тока с емкостью, рад/сек.
4. «C» — емкость конденсатора, единицы измерения Фарад.

Сама формула при этом выглядит следующим образом:

При помощи этой формулы легко рассчитывается Xc. Для этого требуется просто умножить циклическую частоту переменного тока на известную величину емкости конденсатора. Далее необходимо будет один период разделить на полученное значение. Таким образом можно всегда найти сопротивление конденсатора в Ом.

Рассчитываться емкостное сопротивление может так же с помощью и другой формулы, которая приведена на рисунке ниже.

При расчетах по данной формуле прослеживаются следующие зависимости:

1. Емкость конденсатора и частота тока всегда выше сопротивления.
2. От величин емкости и частоты зависит скорость одного периода заряда/разряда конденсатора.

Также стоит учесть, что после подключения конденсатора в цепь постоянного тока, его сопротивление сильно увеличивается. Объясняется причина такого явления довольно просто — отсутствует частота протекания электричества.

Характеристики элемента

Для того чтобы понять, что такое емкостное сопротивление, необходимо разобраться с его основной характеристикой, которая называется емкостью. Емкостью называется накопительная способность элемента. Она заключается в накоплении определенной доли электрического тока за определённый промежуток времени. Единицей измерения этой величины является Фарад (Ф или F).

Элемент заряжается электричеством до определенного момента, после которого он начинает разряжаться и отдавать ток дальше по электроцепи. Время полного разряда напрямую зависит от величины сопротивления цепи. Чем выше это значение, тем меньше времени тратится на разрядку элемента. Для расчета ёмкостной характеристики используется следующее выражение:

Так же конденсаторы обладают рядом дополнительных характеристик. К ним относят:

1. Общую удельную емкость. Является отношением массы диэлектрических пластин и емкостных параметров.
2. Напряжение. Параметр определяется как рабочее напряжение, которое способен выдержать элемент.
3. Температурная стойкость или стабильность. Это температурный параметр, который не влияет на изменение емкости.
4. Изоляционное сопротивление. Является величиной точки утечки и саморазряда.
5. Эквивалентная нагрузка. Значение, определяющее потери на выводе или контактах устройства.
6. Абсорбция. Разность потенциалов в момент разряда до 0.
7. Полярность. Параметр свойственен элементам, которые работают строго при подаче на обкладку потенциала определенного значения (плюс или минус).
8. Индуктивность. Свойство конденсатора образовывать на контактах индуктивное сопротивление. Такое свойство может наделить элемента параметрами колебательного контура.

Все эти значения строго учитываются при проектировании цепей или схем электрического оборудования.

Импеданс

Кроме емкостного, конденсатор еще имеет общее сопротивление или импеданс. Данное значение определяется с учетом значений трех параметров: индуктивного, резистивного и емкостного сопротивления.

Для вычисления импеданса применяется следующая формула:

В данном выражении используются следующие сопротивления:

1. xL — индуктивное;
2. xC — емкостное;
3. R — активное.

Активное сопротивление цепи появляется вследствие возникновения в ней ЭДС. Так как переменный ток по своей природе импульсный, то электромагнитный поток может довольно незначительно изменяться, а это приводит к сдвигу постоянного значения ЭДС.

Емкостные и индуктивные величины взаимосвязаны. По разнице между ними легко находят реактивную составляющую цепи.

Отсюда легко проследить, от чего зависит само реактивное сопротивление:

1. Если реактивная величина больше 0, то устройство больше нагружено индуктивным значением.
2. Если реактивное значение равно 0, то емкость не нагружается активным сопротивлением.
3. Если реактивность меньше 0, то элемент имеет высокое емкостное сопротивление.

Активное сопротивление считается невосполнимой величиной. Она тратится на преобразование тока в иной вид энергии. Реактивная величина неизменна для актуальной цепи переменного тока.

Узнав, по какой формуле делаются необходимые вычисления и поняв смысл емкостного сопротивления, можно заняться расчетом данной величины.

Например, сделаем расчет на основе следующих данных:

• Емкость конденсатора C=1мкФ;
• В цепи также имеется активное сопротивление R, которое равно 5 кОм;
• Индуктивное сопротивление цепи xL составляет 4.5 кОм;
• Частота переменного тока равна 50 Гц;
• Напряжение 50 вольт.

На основе этих данных необходимо будет найти сопротивление конденсатора.

Емкостное сопротивление определим следующим образом:

xC=1/(2πfC)=1/(2×3.14×50×1×10 -6 )=3184 Ом или округленно 3.2 кОм.

Для определения величины тока в этой цепи воспользуемся законом Ома:

I=U/xC=50/3184=0.0157 ампер или 15.7мА.

После этого определяются параметры общего сопротивления:

Z=(R²+(xL-xC)²)½=(5000²+(4500-3184)²)½=5170 Ом или 5.1 кОм.

По данным расчётам можно определить влияние емкостного элемента на электроцепь. Главное понимать, какие физические величины используются в данных формулах для выполнения правильных вычислений.

Применение

В электронных цепях очень часто конденсатор используется в качестве фильтрующего элемента. При этом инженеры учитывают способ подключения данного элемента:

1. При параллельном соединении конденсатора с цепью, устройство способно задерживать ток высокой частоты. Такой фильтр работает по принципу зависимости сопротивления от частоты тока. Чем выше частота, тем ниже будет сопротивление.
2. При последовательном включении фильтр уже отсеивает низкочастотные импульсы. Вторым свойством такого фильтра является возможность не пропускать постоянный ток.

Также большая доля использования таких устройств приходится на звуковые усилители. Конденсатор способен отделить переменный и постоянный ток, а значит работать в качестве усилителя низкой частоты. При этом подбираются элементы с наименьшей емкостью.

Так же устройства используются для блоков питания постоянного тока или стабилизаторов. Тут применяется свойство разделения постоянной и переменной составляющей. Например, разделение ее между потребителями с помощью отдельных выходов для постоянного и переменного тока. В таких устройствах конденсатор разряжается, если нагрузка на цепь увеличивается за счет подключения нового устройства. Тем самым общая пульсация в цепи сглаживается. При необходимости можно передать ток обоих значений по одному проводнику. Делается это следующим образом — контакты с постоянным напряжением подключают к выводу емкости для прямого контакта с переменным напряжением. Таким образом происходит фильтрация частоты, сглаживание импульсов и передача постоянного тока потребителю. Такая схема используется в антенных усилителях, которые подключаются к телевизорам.

Измерение и проверка

Измерить целостность конденсатора и его сопротивление можно при помощи мультиметра. Перед этим элемент обязательно необходимо отсоединить от цепи.

Проверка

Диагностика целостности конденсатора начинается с визуально осмотра его состояния. Любые трещины, вздутия или деформации корпуса можно считать неисправностью элемента. Если визуальный осмотр не дал никаких результатов, то элемент проверяется на пробой при помощи тестера.

Делается такая проверка следующим образом:

1. Элемент необходимо выпаять из схемы, а его контактные выводы замкнуть металлическим предметом для разрядки.
2. Мультиметр перемести в режим замера сопротивления.
3. Измерительные щупы соединить с контактами устройства.
4. Сопротивление исправного элемента будет измеряться бесконечным значением, которое будет превышать значение сопротивления утечки. Величина этой утечки при этом составляет 2 кОм.

Если показания меньше этого значения, значит элемент неисправен и пробит.

Замер

Замерить сопротивление можно так же с помощью мультиметра. Его надо будет перевести в режим измерения сопротивлений более 100 кОм. Далее необходимо соединить щупы прибора с контактами устройства. Некоторое время потребуется на полную зарядку элемента. После этого он покажет конечный результат, который не должен быть выше 100 кОм. Если этот порог преодолен, то можно сделать однозначный вывод о неисправности элемента.

Измерение емкости

Для замера емкости потребуется тестер с режимом СX. Если такого режима нет, проверить элемент будет невозможно. Далее требуется:

1. Полностью разрядить конденсатор.
2. На мультиметре выбирается режим СX.
3. Измерительные щупы соединить с контактными выводами устройства, строго соблюдая полярность.
4. Прибор должен показать величину больше 1, но при этом ее значение должно быть в пределах тех значений, которые указаны на корпусе детали. Если значение равняется 0 или находится за пределами указанных значений, то конденсатор можно признать неисправным.

Полученные мультиметром данные также можно считать ёмкостным значением, так как в момент проверки элемент проходит зарядку током.

Емкостным сопротивлением обладают все цепи, в которых задействованы конденсаторы. Зная, какой по параметрам элемент включен в данную цепь, можно легко рассчитать его емкостное влияние на цепь, используя представленные в статье формулы для расчётов.

Конденсатор емкостью C имеет в цепи постоянного тока бесконечно большое сопротивление. Если же приложить к конденсатору переменное напряжение, то он будет периодически перезаряжаться, и в цепи потечет ток. Напряжение на конденсаторе достигает максимального значения в те моменты, когда ток равен нулю.

Если R = 0, то напряжение на конденсаторе совпадает с приложенным напряжением и u = q/C. Мгновенное значение тока определяется выражением:

Между напряжением и током имеется разность фаз —π/2.

В чисто емкостной цепи переменного тока ток опережает напряжение на π/2 (или Т/4).

В соответствии с приведенным выше уравнением амплитуда тока I_m = ωCU_m. Сравнение с законом Ома U = RI показывает, что величина 1/ωС играет роль сопротивления.

Цепь переменного тока, содержащая емкость C, обладает сопротивлением переменному току; оно называется емкостным сопротивлением Х_C.

Единица СИ емкостного сопротивления: [X_C] = Ом.

При увеличении частоты емкостное сопротивление уменьшается. Для постоянного тока (f = 0) оно бесконечно велико.

Ток в цепи, обладающей только емкостным сопротивлением, определяется выражением

Калькулятор электрического сопротивления ёмкости

При подключении конденсатора в цепь переменного тока возникает совокупность процессов заряда и разряда ёмкости, т.е. накопление и отдача энергии электрическим полем между обкладками. По мере заряда ёмкости, ток через нее уменьшается. Конденсатор будет заряжаться до максимального значения, пока ток не сменит направление на противоположное. В моменты максимального значения напряжения на конденсаторе, ток в нём будет равен нулю. Таким образом, напряжение на конденсаторе и ток всегда будут иметь расхождение во времени в четверть периода. Ток в цепи будет ограничен падением напряжения на конденсаторе, что создаёт реактивное сопротивление переменному току Xc.

X _C — сопротивление, Ом; f — частота, Гц; C — ёмкость, Ф.

Сопротивление конденсатора переменному току это отношение действующих значений напряжения к току. Оно обратно-пропорциональное скорости изменения тока (частоте) и ёмкости конденсатора. Фазы кривых тока и напряжения на конденсаторе смещены на 90 градусов, при этом ток опережает напряжение.

Расчет электрического сопротивления ёмкости

Для расчета введите значение ёмкости конденсатора и частоту переменного тока

Какое сопротивление у конденсатора

Определение конденсатора и основные соотношения

Название прибора конденсатора происходит от слова condensatio – накоплять, то есть он является накопителем электрической энергии. Физически конденсатор представляет собой две пластины из токопроводящего материала, разделенные диэлектриком. Накопление энергии происходит как раз в электрическом поле диэлектрика. При этом обкладки приобретают определенный электрический заряд. Емкость конденсатора C , то есть мера вмещения в себя электрической энергии, численно равна отношению заряда Q на одной из его обкладок к вызываемой этим зарядом разности потенциалов между обкладками, то есть напряжению на конденсаторе V:

Из этого соотношения следует, что заряд находящийся «внутри» конденсатора равен произведению его емкости и напряжения на нем:

Поскольку заряд равен произведению силы тока I на время t, то мы получаем важное на практике соотношение:

которое, перепишем для лучшего понимания в виде:

Это соотношение означает, что при протекании через него тока I за время Δt напряжение на конденсаторе емкости C изменяется на величину ΔV. Это соотношение часто используется при практических расчетах тех или иных режимов работы конденсатора. Если ток изменяется во времени и при этом необходим расчет с «физико-математической точностью» то используют соотношение связывающее напряжение на конденсаторе, его емкость и ток:

V(0) – напряжение на конденсаторе в начальный момент времени (как правило всегда равно нулю);

V(t) – напряжение на конденсаторе в любой момент времени t;

– интеграл от тока I(t) по времени. Физически этот интеграл есть изменение заряда на обкладках.

С – собственно емкость конденсатора.

Энергия конденсатора W_C определяется как половина произведения емкости на квадрат напряжения:

Можно ли «закачивая» заряды на обкладки повышать напряжение на конденсаторе до бесконечности. Нет, этого делать нельзя, поскольку в некоторый момент времени напряженность поля в диэлектрике в некоторый момент времени превысит некоторое максимальное значение, называемое пробивной напряженностью поля. Таким образом, кроме емкости конденсатор характеризуется еще и другим параметром – максимальным рабочим напряжением — V_max. Емкость и максимальное рабочее напряжение являются основными параметрами любого конденсатора, и они обычно указываются на его корпусе.

Единица измерения электрической емкости – Фарада. В честь британца Майкла Фарадея.

Условное обозначение конденсатора:

Рисунок C.1 — Условное обозначение конденсатора

Свойство конденсатора накапливать электрический заряд на обкладках определяют его функциональное назначение:

— в качестве накопителя энергии;

— в составе времязадающих RC-цепочек;

— в составе резонансных LC-контуров;

— в качестве фильтрующего элемента входных и выходных цепей источников питания;

— в составе интегрирующих RC-цепочек и дифференцирующих RC-цепочек;

— в качестве токоограничивающего элемента в цепях переменного тока;

— в емкостных делителях напряжения;

— в умножителях напряжения;

— в качестве элемента, обеспечивающего развязку по постоянному току;

— в цепях компенсации реактивной мощности.

Как конденсатор пропускает ток. Реактивное сопротивление. Максимальный ток через конденсатор

Переменный ток, протекающий через конденсатор можно считать различными способами. Первый и более фундаментальный способ заключается в том, что ток протекающий через конденсатор пропорционален скорости изменения напряжения на нем dV/dt и собственно емкости конденсатора С:

Из этого фундаментального соотношения следует формула для действующего (среднеквадратичного значения) значения синусоидального тока через конденсатор:

V_rms – среднеквадратичное (действующее) синусоидального напряжения;

ω – круговая частота — мало используемое понятие, численно равное 2πf;

f – частота синусоидального напряжения.

По аналогии с законом Ома I=V/R из вышележащего соотношения находят так называемое реактивное сопротивление конденсатора Z_C :

где реактивное сопротивление:

Реактивное сопротивление конденсатора определяется его емкостью и зависит от частоты. В ряде случаев по величине реактивного сопротивления рассчитывается ток, протекающий через конденсатор.

Рисунок С.2 — К вопросу, почему конденсатор не проводит постоянный ток и проводит переменный (:-))

Существует ли максимальный ток, который можно пропускать через конденсатор? Да. Для силовых конденсаторов существует такой параметр как максимальная реактивная мощность. Единица её измерения – вольт-ампер реактивный – ВАр, но так как конденсаторы силовые, то более распространена единица киловольт-ампер реактивный – кВАр (kvar – по международным обозначениям). Каждый тип силовых конденсаторов имеет максимальное значение проходящей через них реактивной мощности.

Максимальная реактивная мощность P_Z определяется аналогично тепловой мощности резистора (см. раздел «Резисторы»):

Максимальный ток , проходящий через конденсатор, (а точнее его среднеквадратичное значение), определяется его максимальной реактивной мощностью:

Физически это означает, что если мы знаем кВАр-ность конденсатора P_Z и его емкость C, то мы можем рассчитать его максимальный ток для каждого конкретного значения частоты f. Здесь I_{rms_max} – максимальное действующее значение тока, проходящего через конденсатор. Оно зависит от формы импульсов тока через конденсатор (формулы представлены в разделе «Резисторы»).

Паразитные параметры конденсатора. Тангенс угла диэлектрических потерь

На высоких частотах проявляются паразитные параметры конденсатора:

L – паразитная последовательная индуктивность. Распространённый международный термин — ESL (Equivalent Series Inductance);

R – паразитное последовательное сопротивление. Распространённый международный термин — ESR (Equivalent Series Resistance);

r – сопротивление утечки (Leakage Resistance).

Эквивалентная схема конденсатора представлена на рисунке C.3.

Рисунок C.3 — Эквивалентная схема конденсатора

Паразитная индуктивность L определяется конструкцией и габаритами конденсатора. Так, конденсаторы с ленточными обкладками, свернутыми в цилиндр имеют наибольшее значение индуктивности. Дисковые и SMD-конденсаторы – наименьшее. Индуктивность возрастает с увеличением габаритов конденсатора.

Последовательное сопротивление R определяется сопротивлением обкладок конденсатора. Конденсаторы с ленточными обкладками, как правило, имеют большее значение последовательного сопротивления по сравнению с дисковыми и SMD. В свою очередь конденсаторы с ленточными обкладками в виде фольги имеют меньшее последовательное сопротивление по сравнению с обкладками, полученными металлизацией. Сокращенное обозначение последовательного сопротивления – ESR. Этот параметр часто используется при расчете работы импульсных схем. В частности он оказывает существенное влияние на работу емкостных фильтров-накопителей.

Параллельное сопротивление r целиком определяется параметрами диэлектрика, находящегося между обкладками конденсатора. Оно определяет утечку или саморазряд конденсатора. Именно возможность использования в качестве межобкладочного материала различных типов диэлектриков и определяют многообразие типов конденсаторов.

Индуктивность L и последовательное сопротивление R оказывают существенное влияние при высоких частотах и при импульсных режимах работы. Параллельное сопротивление, определяет потери конденсатора на постоянном напряжении и низких частотах.

Понятие тангенса угла диэлектрических потерь tg δ пришло из классической электротехники в которой оперируют векторными диаграммами. В идеальном конденсаторе угол сдвига фаз между током и напряжением составляет 90% (при синусоидальной форме напряжения – ток максимален в момент, когда напряжение на конденсаторе равно нулю и равен нулю, когда конденсатор заряжается до максимального значения). Но в реальном конденсаторе по причине параллельного эквивалентного сопротивления r (сильное влияние на низких частотах) и последовательного эквивалентного сопротивления R (сильное влияние на высоких частотах) угол сдвига фаз между током и напряжением не добирает до 90° некоторыйугол δ – смотри упрощенные эквивалентные схемы, представленные на рисунке C.4. Таким образом, тангенса угла диэлектрических потерь – это некоторый интегральный параметр, характеризующий потери в конденсаторе. При этом он различается для высоких и для низких частот.

Для низких частот физически тангенс этого угла tg δ равен отношению резистивного тока I_rпроходящего через параллельное сопротивление потерь r к емкостному току I_C, проходящему собственно через емкость:

Для высоких частот более существенные потери вносит последовательное сопротивление. В этом случае тангенс этого угла tg δ равен отношению падения напряжения V_Rна последовательном сопротивлении R к падению напряжения на собственно на емкости V_C :

Рисунок C.4 – К пониманию тангенса угла потерь — эквивалентные схемы конденсатора (слева – характерные для низких частот, справа – характерные для высоких частот) и векторные диаграммы тока и напряжения

Поскольку в тангенс угла потерь входят емкостной ток и напряжение, то сравнение тангенса угла различных типов конденсаторов имеет смысл только при определенной равной частоте. Как правило, для большинства диэлектриков тангенс потерь измеряется на частоте 1 кГц, однако для высокочастотных диэлектриков (полипропилен, фторопласт, NPO) приводятся измерения на частотах 1 МГц и выше.

В более общем понимании, применимом к конденсатору в целом тангенс угла потерь определяет отношение между активной R_C и реактивной Z_C составляющими импеданса конденсатора [Керамические конденсаторы MLCC: особенности применения — http://www.compel.ru/lib/articles/keramicheskie-kondensatoryi-mlcc-osobennosti-primeneniya/]:

Рисунок C.5 – тангенс угла потерь конденсатора на различных частотах [DATASHEETSURFACE-MOUNT CERAMIC MULTILAYER CAPACITORS Introduction. YAGEO Phicomp. ProductSpecification – Dec 06, 2010 V.11]

Таким образом, в реальных конденсаторах понятие тангенса угла потерь имеет сложный характер (рисунок C.5) и определяется не только типом диэлектрика, но и паразитными последовательным сопротивлением и индуктивностью.

Иными словами необходимо понимать различие понятий тангенса угла потерь конденсатора и тангенса угла потерь диэлектрика. Тангенс угла потерь диэлектрика определяет потери конденсатора на низких и средних частотах. На высоких частотах определяющим является вклад паразитных индуктивности и последовательного сопротивления.

Тангенса угла потерь конденсатора определяет его нагрев. Тепловая мощность, выделяемая в объеме конденсатора определяется суммарной мощностью потерь в диэлектрике и на сопротивлении обкладок. Тангенс угла потерь конденсатора определяет все эти различные составляющие и тепловая мощность нагрева конденсатора равна:

Другие параметры реальных конденсаторов

Кроме паразитных параметров каждый конкретный тип конденсаторов характеризуется еще и такими характеристиками как:

— номинальная точность емкости, определяющая максимальное отклонение от номинального значения;

— температурный коэффициент емкости (ТКE) характеризующий изменение емкости при изменении температуры на 1%. Для конденсаторов с сильной зависимостью емкости от температуры (например керамических) указывают относительное изменение емкости в процентах;

— эффект смещения при постоянном токе (DC-bias) определяющий относительное изменение емкости конденсатора от приложенного напряжения. Уменьшение емкости с ростом напряжения характерно для керамических конденсаторов;

— диэлектрическая абсорбция – появление напряжения между обкладками конденсаторов после быстрого разряда. Эффект обусловлен тем, что реальный конденсатор в данном случае можно представить параллельным соединением множества последовательных RC-цепочек с различной постоянной времени. Интенсивность диэлектрической абсорбции главным образом зависит от свойств диэлектрика конденсатора (наиболее сильно проявляется эффект для электролитических конденсаторов, наименее заметно – для конденсаторов на основе неполярных диэлектриков (фторопласт, полистирол, полипропилен).

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) показывает относительное изменение емкости при изменении температуры окружающей среды на один градус кельвина:

ΔC – изменение емкости конденсатора С;

ΔT – изменение температуры, вызвавшее изменение емкости ΔC.

Понятие температурного коэффициента емкости (ТКЕ) имеет смысл только для конденсаторов с диэлектриком имеющим линейную температурную зависимость.

Типовые номиналы емкостей конденсаторов

Для большинства практических случаев используется диапазон значений емкости конденсатора 1 пФ (пикофарад) – 10000 мкФ (микрофарад). Этот диапазон разбит на несколько рядов. Для конденсаторов наиболее распространенным является ряд E6. Значения номиналов рядов приведены в таблице C.1.

Таблица C.1. Значения наиболее распространенных номиналов рядов емкостей конденсаторов.

Параллельное и последовательное включение конденсаторов

Емкость параллельно соединенных конденсаторов равно сумме емкостей каждого из конденсаторов:

Емкость последовательно соединенных конденсаторов есть величина обратная сумме обратных величин емкостей конденсаторов каждого из конденсаторов:

Параллельное соединение конденсаторов используют для:

— увеличения суммарной емкости;

— увеличения запасаемой энергии;

— уменьшения уровня пульсаций на конденсаторах фильтра;

— снижения эффективного последовательного сопротивления (ESR) конденсаторной батареи. По этой причине параллельное соединение часто используется при построении емкостных фильтров на основе «электролитов». Так два-четыре параллельно соединенных «электролита» обеспечивают меньшие пульсации, чем один большой при равной ёмкости.

— уменьшения суммарного реактивного сопротивления;

— увеличения максимальной реактивной мощности (кВАр – ности) конденсаторной батареи, что необходимо в случаях работы с большими токами.

— снижения паразитной индуктивности;

— получения точного номинала ёмкости.

Последовательное соединение конденсаторов используют для:

— увеличения максимального рабочего напряжения – при условии равных емкостей рабочие напряжения складываются;

— увеличения запасаемой энергии (при условии одновременного повышения напряжения);

— увеличения максимальной реактивной мощности (кВАр – ности) конденсаторной батареи, за счет увеличения рабочего напряжения.

— увеличения суммарного реактивного сопротивления;

— построения емкостных делителей напряжения;

— получения точного номинала ёмкости.

На практике при параллельном и последовательном соединении конденсаторов особенно в импульсных и работающих на переменном токе схемах целесообразно использовать конденсаторы одного типа. При использовании конденсаторов разных типов возможны перенапряжения из-за различия паразитных параметров конденсаторов. Дополнительно при последовательном соединении конденсаторов, особенно «электролитов» необходимо использовать уравновешивающие резисторы (см. схему на рисунке C.6).

Рисунок C.6 — Последовательное соединение конденсаторов совместно с уравновешивающими резисторами

Конструкции конденсаторов

Тип конденсатора определяется двумя базовыми параметрами – формой и содержанием:

— форма = геометрия обкладок и диэлектрика;

— содержание = тип материала диэлектрика и обкладок.

Рулонная конструкция

Рулонная конструкция конденсатора (рисунок C.7) является одной из наиболее распространенных. Причиной этого является её технологичность и простота. Особенно широко используется при создании конденсаторов с большой ёмкостью. Практически все электролитические конденсаторы, полипропиленовые конденсаторы большой емкости, бумажные конденсаторы имеют рулонную конструкцию. К недостаткам конструкции относят: значительное последовательное сопротивление и большую паразитную индуктивность. При прочих равных параметрах с увеличением емкости данные паразитные параметры возрастают.

По типу корпуса и/или организации выводных электродов можно провести еще ряд градаций:

– аксиального или радиального типа;

– тубулярные или овальные по форме;

– индуктивные и неиндуктивные;

– боксовые или залитые (компаундом)

Рисунок C.7 — Рулонная конструкция конденсатора

Конструкция многослойного конденсатора

Конденсаторы многослойной конструкции (рисунок C.8) распространены несколько меньше, сложнее технологически и, по сравнению с рулонными, имеют существенно меньшую максимальную емкость. Преимуществами многослойных конденсаторов являются малые значения паразитных параметров – последовательного сопротивления и индуктивности.

Рисунок C.8 — Конструкция многослойного конденсатора

Дисковый конденсатор

Дисковые конденсаторы (рисунок C.9), как правило, имеют высокое рабочее напряжение, малую емкость (10 нФ и менее) и используются в высокочастотных и импульсных цепях. Значения последовательного сопротивления и паразитной индуктивности крайне малы. Высоковольтные высокочастотные конденсаторы имеют дисковую конструкцию.

Рисунок C.9 — Конструкция дискового конденсатора

Другие типы геометрии конденсаторов

Существуют и другие, менее распространенные типы геометрии конденсаторов – трубчатые, сферические и т.д. Однако они используются достаточно редко и поэтому здесь исключены из рассмотрения.

Взаимосвязь типа конструкции и тангенса угла потерь

Рулонная конструкция имеет существенно большую индуктивность рассеяния и большее последовательное сопротивление по сравнению с дисковой и многослойной конструкциями. Таким образом, по влиянию типа конструкции на тангенс угла потерь можно привести следующий ряд (по возрастанию потерь):

(Дисковая конструкция ≈ Многослойная конструкция) < Рулонная конструкция.

Типы диэлектриков и обкладок

В конденсаторах в качестве диэлектрика используется большое количество различных типов диэлектриков.

Тип диэлектрика определяет такие базовые параметры конденсатор как:

— сопротивление утечки (правда оно зависит еще и от толщины диэлектрика, то есть уменьшается с ростом рабочего напряжения);

— тангенс угла потерь;

— плотность запасаемой энергии;

— температурный коэффициент емкости – TKE;

— эффект смещения при постоянном токе;

По конструктиву и, «априори», типу диэлектрика, конденсаторы делятся на три больших класса:

В пленочных конденсаторах традиционно используются следующие полимерные диэлектрики (в скобках указаны ориентировочные значения тангенса угла потерь):

Фторопласт (0,0005) < Полистирол (0,001) < Полипропилен (0,0015) < Сульфид полифенилена (0,0015) < Поликарбонат (0,003) < Полиэтилентерефталат (0,015)

В керамических конденсаторах используются различные керамические материалы:

— диоксид титана TiO₂, цирконат кальция CaZrO₃, титанат бария BaTiO₃.

В электролитических конденсаторах в качестве диэлектрика используется тонкий слой окисной пленки:

— оксид алюминия Al₂O₃ (алюминиевые электролитические) или оксид тантала Ta₂O₅(танталовые электролитические).

Тип обкладок (напыленные, фольговые, цельнометаллические) определяет такой параметр конденсатора как последовательное сопротивление, которое входит в общее соотношение для тангенса угла потерь. Обкладки конденсаторов рулонной и многослойной конструкций могут быть выполнены как из металлической фольги, так и представлять собой металлическую пленку, напыленную на диэлектрик. Фольговые конденсаторы имеют большие габариты по сравнению с металлопленочными, но при прочих равных условиях их последовательное эквивалентное сопротивление существенно ниже. Это позволяет рекомендовать для использования в сильноточных цепях преимущественно фольговые конденсаторы. В керамических конденсаторах дисковой конструкции обкладки могут представлять собой медные пластины.

Подробно описание реальных типов конденсаторов дано ниже.

Типы конденсаторов

Пленочные конденсаторы

В пленочных конденсаторах в качестве диэлектрика используется пленка того или иного полимерного материала, а в качестве обкладок – фольга или тонкий слой металла, нанесенный на пленку. Пленочные конденсаторы имеют рулонную и многослойную конструкцию.

Таблица C.2. Сводные характеристики диэлектриков пленочных конденсаторов [VorlesungElektronische Bauelemente. Prof. Dr. H. Gesch. FH Landshut. Fachbereich Elektrotechnik, p. 21. WS2003/2004 г., «ПЭТФ, полипропилен, полистирол – пленочные конденсаторы широкого применения от JB Capacitors», В. Гавриков, Новости Электроники №4, 2013 г.].

Полистирольные конденсаторы предназначены для работы в цепях постоянного, переменного, пульсирующего тока и в импульсных режимах. Характерные значения емкости 1 нФ – 10 мкФ, рабочего напряжения – до 1000 В. Имеют высокую временную и температурную стабильность. Хорошо подходят для высокочастотных и прецизионных схемотехнических решений. Максимальная рабочая температура +85 °С. Используется преимущественно рулонная конструкция.

Полпропиленовые конденсаторы предназначены для работы в цепях постоянного, переменного, пульсирующего тока и в импульсных режимах. Характерные значения емкости 0,0022 мкФ — 100 мкФ, рабочего напряжения – до 2500 В. Низкие потери на высоких частотах. Существую так называемые металлизированные полипропиленовые конденсаторы, которые предназначены для существенно меньших рабочих токов в отличие от фольговых конденсаторов [Film Capacitors — Metallized Polypropylene Film Capacitors (MKP), Series/Type: B32674 . B32678, EPCOS AG 2015, EPCOS AG is a TDK Group Company ; Film Capacitors — General Technical Information. Vishay Roederstein, Document Number: 26033, 2012]

— конденсаторы для компенсации реактивной мощности;

— конденсаторы для индукционного нагрева;

Для полипропиленовых конденсаторах распространены рулонная и многослойная конструкции. В некоторых типах полипропиленовых конденсаторов используется технология самолечения, повышающая их надёжность.

Полиэтилентерефталатные конденсаторы (лавсановые конденсаторы, Polyethylene naphthalate — PEN) предназначены для работы в цепях постоянного, переменного, пульсирующего токов и импульсных режимах. Характерные значения емкости 0,001 мкФ — 1 мкФ, рабочего напряжения – до 1000 В. Достаточно большое значение тангенса угла потерь, что вызывает большие потери на высоких частотах. Конденсаторы металлизированные полиэтилентерефталатные являются одним из наиболее распространенных типов конденсаторов, что обусловлено малыми габаритами при высокой емкости.

— импульсные блоки питания;

— конденсаторы, блокирующие постоянное напряжение.

Фторопластовые конденсаторы предназначены для работы в цепях переменного и пульсирующего токов. Характерные значения емкости 560 пФ – 0,47 мкФ, рабочего напряжения – до 1000 В. Очень малые диэлектрические потери. Сверхмалые тока утечки. Высокая рабочая температура – до + 200 °С. Используются преимущественно в звукотехнике высокого уровня и измерительной аппаратуре. Даже при малых значениях емкости имеют достаточно большие габариты.

Сульфидполифениленовые конденсаторы (PPS) предназначены для работы в цепях переменного и пульсирующего токов. Характерные значения емкости 100 пФ – 100 мкФ, рабочего напряжения – до 400 В. Используются преимущественно в звукотехнике. Преимущественно используется многослойная конструкция и SMD-корпуса.

Поликарбонатные конденсаторы предназначены для работы в цепях постоянного, переменного, пульсирующего токов и в импульсных режимах. Характерные значения емкости 10 нФ – 47 мкФ, рабочего напряжения – до 400 В. Используются как фильтрующие, времязадающие и интегрирующие конденсаторы. Поликарбонатные конденсаторы имеют несколько меньшие потери, чем полиэтилентерефталатные.

Керамические конденсаторы

В пленочных конденсаторах в качестве диэлектрика используется керамический диэлектрик, а в качестве обкладок – тонкий слой металла или, реже, фольга. Керамические конденсаторы имеют многослойную или дисковую конструкцию. Наибольшее распространение получили многослойные керамические конденсаторы (Multilayer Ceramic Capacitors, MLCC) используемые как в SMD-корпусах, так и в корпусе с выводами. Основными преимуществами керамических конденсаторов являются высокая удельная емкость, широкий диапазон емкостей и рабочих напряжений, возможность работы на высоких частотах. Кроме этого керамические конденсаторы устойчивы к значительным перенапряжениям.

В качестве диэлектрика используются различные керамические материалы:

— диоксид титана (TiO₂) – условное обозначение NPO (NME);

— цирконат кальция CaZrO₃ – условное обозначение NPO;

— титанат бария BaTiO₃ – условное обозначение X7R, X5R, Y5V.

Тип используемого диэлектрика и конструктивные особенности и определяют характеристики конденсаторов.

Таблица C.3. Типы керамических диэлектриков конденсаторов [http://www.avx.com/resources/technical-info-papers/general/]

Конденсаторы на основе диэлектрика X7R. X7R — стабильный диэлектрик с предсказуемой температурной, частотной и временной зависимостью. Конденсаторы на основе X7R имеют малые габариты, низкое значение паразитной индуктивности. Характерные значения емкости 100 пФ – 4,7 мкФ, рабочего напряжения – 10-2000 В. Основные области использования конденсаторов на основе X7R:

— времязадающие цепей, дифференцирующие и интегрирующие цепочки;

— помехоподавляющие и фильтрующие конденсаторы (bypass);

Конденсаторы на основе диэлектрика X5R. X5R — керамический диэлектрик используемый в цепях общего применения, где не требуется высокая стабильность емкости. Конденсаторы на основе X5R имеют высокое значение емкости, сильную температурную зависимость (большую индуктивность). Характерные значения емкости 10 нФ – 47 мкФ, рабочего напряжения – 6,3-25 В. Конденсаторы на основе X5R используются как конденсаторы общего значения в бытовой радиоаппаратуре, а также в качестве помехоподавляющие и фильтрующих конденсаторов;

Конденсаторы на основе керамических диэлектриков Y5V и Z5U. Y5V и Z5U используются в цепях общего и промышленного применения, где не предъявляется особых требований к температурной стабильности емкости. Конденсаторы на основе Y5V и Z5U имеют высокое значение емкости, и значительную температурную зависимость. Характерные значения емкости 10 нФ – 22 мкФ, рабочего напряжения – 25-50 В. Конденсаторы на основе Y5V и Z5U используются в качестве помехоподавляющие и фильтрующих конденсаторов;

Конденсаторы на основе диэлектрика NP0(C0G). Диэлектрик NP0(C0G) — высокостабильный диэлектрик, используемый в прецизионных цепях. Емкость конденсаторов на основе NP0(C0G) практически не изменяется под действием температуры, напряжения и времени (в пределах рабочего диапазона). Конденсаторы на основе NP0(C0G) имеют сравнительно высокие габариты и стоимость. Характерные значения емкости 0,47 пФ – 22 нФ, рабочего напряжения – 16-4000 В. Основные области использования конденсаторов на основе NP0(C0G):

— времязадающие цепи, дифференцирующие и интегрирующие цепочки;

Использование конденсаторов на основе диэлектрика NP0(C0G) в качестве помехоподавляющих или фильтрующих (bypass) неоправданно по причине высокой их стоимости и достаточно больших габаритов.

Электролитические конденсаторы

Электролитические конденсаторы – конденсаторы, в которых в качестве диэлектрика используется тонкий слой окисной пленки на одном из обкладок — электродов. Другой обкладкой фактически является электролит, контактирующий с металлической фольгой играющей роль токосъема. Именно по причине присутствия электролита в составе конденсатора они и называются электролитическими. Для предотвращения электрического контакта оксидированной обкладки и токосъемной обкладки фольги между ними располагают тонкий слой бумаги или полимерной пористой мембраны, одновременной являющийся носителем электролита. Электролитические конденсаторы обладают высокой удельной емкостью, что обусловлено малой толщиной пленки оксида – порядка 1 мкм. Толщина этого слоя определяет прямое рабочее напряжение. Обратное же напряжение не должно превышать 1,5-2 В иначе произойдет нарушение оксидного слоя и выход конденсатора из строя.

В зависимости от типа используемого диэлектрика электролитические конденсаторы подразделяются на:

— алюминиевые электролитические – диэлектрик оксид алюминия Al₂O₃;

— танталовые электролитические – диэлектрик оксид тантала Ta₂O₅;

В зависимости от типа применяемого электролита конденсаторы подразделяются:

— жидко-электролитические — обычные электролитические конденсаторы в которых в качестве электролита используется электропроводная жидкость;

— твердотельные – в которых электролитом является токопроводящий органический полимер (PEDT или Polypyrrole).

Алюминиевые электролитические конденсаторы с органическим полупроводниковым материалом имеют меньшие значения последовательного сопротивления ESR, более широкий частотный диапазон, высокую стабильность и срок службы по сравнению с обычными электролитическими конденсаторами с жидким электролитом.

Подавляющее большинство алюминиевых электролитических конденсаторов имеют рулонную конструкцию, а танталовые – многослойную. Поэтому большинство электролитов имеют выводную конструкцию, а танталовые выполняются в SMD-корпусах.

Специфические параметры электролитических конденсаторов

Как было сказано ранее, тип диэлектрика и электролита определяют основные параметры конденсатора. В дополнение к обычным конденсаторным параметрам у электролитов особо выделяют ряд параметров:

— гарантированный срок службы;

— последовательное сопротивление (ESR);

— импеданс (полное сопротивление);

— максимальный ток пульсаций.

Гарантированный срок службы. Да, да, они не вечны. Используемый в электролитических конденсаторах жидкий электролит со временем высыхает. Применяя научную терминологию происходит диффузия электролита через изолятор. Особенно быстро это происходит при повышенной температуре. С высыханием электролита уменьшается ёмкость конденсатора, увеличивается ESR и соответственно изменяются характеристики устройства, в котором он используется. Можно сказать, что электролиты являются бомбами замедленного действия. И они реально взрываются. По этой причине одним из важнейших параметров электролитических конденсаторов является время гарантированной работы — гарантированный срок службы, составляющий от 1000 до 15 000 часов для алюминиевых конденсаторов с жидкими электролитом. По этому параметру особо выделяются долговечные электролитические конденсаторы имеющие 5000-15000 часов гарантированной работы. При этом необходимо, чтобы были обеспечены нормальные условия работы – номинальное напряжение, номинальный пульсирующий ток, номинальная температура.

Для каждого типа конденсатора фирмы изготовители предлагают методики расчет прогнозируемого срока службы в зависимости от условий эксплуатации. Эти методики, как правило, содержат номограммы срока службы индивидуальные для каждого из типов конденсаторов. Если при проектировании схем существует задача обеспечения длительного срока службы то можно использовать конденсатор с большим значением рабочего напряжения, облегчить температурный режим. Для снижения тепловой нагрузки на конденсатор можно применять несколько приемов:

— использовать принудительное охлаждение (обдув);

— вместо одного использовать несколько конденсаторов, желательно длинных и узких;

— отдалить конденсаторы от внешних источников тепла – радиаторы, трансформаторы и т.д. На практике это одна из наиболее часто встречающихся проблем при проектировании источников питания.

Кстати именно выход из строя электролитов является одной из наиболее распространенных поломок бытовой радиоэлектронной аппаратуры.

Конденсаторы с диэлектриком в виде проводящего полимера, органического и неорганического полупроводника (полимерные и твердотельные) конденсаторы имеют значительно больший срок службы – до 50000 часов. Их недостатки – большая цена и малые рабочие напряжения (до 50 В).

Последовательное сопротивление ( ESR ). Является одними из важнейших параметром электролитов для задач силовой электроники. Для различных подтипов электролитов она изменяется в широких пределах от 10 мОм до 1 Ом. Выделяется отдельный класс конденсаторов с низким ESR.

Полный импеданс конденсатора. Величина общего импеданса определяется компонентами схемы замещения (рисунки C.3, C.4). В области низких частот импеданс в основном определяется емкостной составляющей, в области средних частот – преимущественно ESR, в области высоких частот начинает оказывать влияние последовательная индуктивность ESL.

Рисунок C.10 – Полный импеданс конденсатора Z складывается из резистивной R, емкостной Z_C и индуктивной Z_L составляющих [Алюминиевые электролитические конденсаторы Samwha. С. Швецов. Новости Электроники №11, 2008]

Максимальный ток пульсаций. Во многих устройствах силовой электроники например электронных балластах, зарядных устройствах, и т.д. через электролитические конденсаторы протекают значительные импульсы тока. Это, в свою очередь, приводит к нагреву конденсатора, высыханию электролита и выходу из строя до завершения гарантированного срока службы.

Кроме представленных параметров отдельно выделяют диапазон рабочих температур. Так существуют типы электролитических конденсаторов предназначенных для эксплуатации в широком температурном диапазоне – до 155 °С.

При выборе электролитических конденсаторов для сильноточных цепей мощных преобразователей следует уделить особое внимание параметрам ESL и ESR, определяющим электрический и тепловой режимы работы конденсаторов.

Причины выхода из строя электролитических конденсаторов

Отрицательные напряжения. При последовательном соединении электролитов разница в емкости может привести к отрицательному напряжению на одном из них обладающего меньшей емкостью, для предотвращения этого использую схему включения с защитными диодами и выравнивающими резисторами (рисунок C.11). При параллельном соединении электролитов необходимо, чтобы паразитная индуктивность соединения между ними была минимальной. Для этого необходимо минимизировать расстояние между ними на плате. Несоблюдение этого условия может привести к перенапряжениям за счет колебательного процесса вызванного паразитными LC-контуром [Особенности применения электролитических конденсаторов. А. Колпаков. Схемотехника № 1,2,3 2000]. Для кардинального уменьшения паразитной индуктивности конденсаторной батареи можно использовать двустороннюю печатную плату с токопроводящими шинами-дорожками с каждой и сторон платы: например верхняя сторона для положительной полярности, нижняя сторона – для отрицательной. При таком расположении площадь токовой петли будет минимальной. В справочных листках на конденсаторы указывается информация об допускаемой амплитуде выбросов обратного напряжения (например до –1.5 В для конденсаторов EPCOS [Алюминиевые электролитические конденсаторы EPCOS. Справочник — http://www.platan.ru/docs/library/ALCAP_EPCOS.pdf]).

Рисунок C.11. Схема последовательного включения электролитических конденсаторов с защитными диодами и выравнивающими резисторами

Температурная память. При переохлаждении конденсатора до низкой температуры (-40 С°) и повышение температуры выше максимальной приводят к резкому росту ESR и уменьшению емкости.

Работа при напряжении близком к максимальному. При напряжениях на конденсаторе близких к максимальному рабочему имеет место выделение тепла обусловленного током утечки (параллельное паразитное сопротивление r), что уменьшает срок службы конденсаторов. При этом необходимо понимать, что ток утечки значительно возрастает с ростом температуры.

Протекание высокочастотной составляющей тока. Протекание высокочастотной составляющей тока сопровождается выделением тепла, что существенно влияет на срок службы конденсаторов.

Механические вибрации. Механические вибрации могут стать причиной разгерметизации корпуса конденсатора, что в свою очередь приводит к быстрому высыханию электролита и выходу конденсатора из строя.

Влияние ESR на амплитуду пульсаций напряжения емкостного фильтра

Одним из наиболее распространенных применений электролитических конденсаторов в силовой электронике являются емкостные фильтры напряжения. Электролиты стоят во входных цепях импульсных источников питания сразу после выпрямителя сетевого напряжения, электролиты используют и в выходных цепях источников питания. Одним из основных параметров емкостных фильтров является коэффициент пульсаций. Коэффициент пульсаций с одной стороны определяется процессом разряда емкости током нагрузки. Амплитуда пульсаций, вызванная разрядом-зарядом емкости конденсатора равна:

I_load – ток разряда;

С – емкость конденсатора;

Δt – время между импульсами зарядного тока (определяется частотой питания ёмкостного фильтра).

Эту составляющую пульсаций можно снизить до очень малой величины увеличивая емкость и частоту.

Другая составляющая пульсаций определяется падением напряжения на внутреннем сопротивлении конденсатора ESR_C и равна:

I_load – ток разряда;

ESR_C – внутреннее последовательное сопротивление конденсатора.

Множитель 2 показывает удвоение амплитуды поскольку при заряде напряжение на нагрузке выше на величину I_load · ESR_C, а при разряде меньше на величину I_load · ESR_C (меняется направление тока, проходящего через конденсатор).

Эта составляющая пульсаций не зависит от емкости частоты, а определяется только током нагрузки и внутренним сопротивлением конденсатора.

Для выходных каскадов импульсных высокочастотных источников питания типична ситуация когда пульсации вызванные падением напряжения на внутреннем сопротивлении конденсатора, выше пульсаций обусловленных разрядом-зарядом емкости выходного конденсатора:

Рисунок C.12 – Пульсации напряжения на конденсаторе с малым и большим ESR при их одинаковой емкости

О параллельном включении керамических конденсаторов и электролитов

В схемотехнике выходных фильтров источников питания часто встречается последовательное соединение электролитического конденсатора и керамического (либо пленочного) малой емкости. Вопреки распространенному мнению, такое решение практически не снижает коэффициент пульсаций, но способствует подавлению высокочастотных помех, вызываемых коммутацией ключевых элементов. Для уменьшения коэффициента пульсаций используют LC-фильтры.

Рисунок C.13 – Параллельное включение электролитических и керамических конденсаторов

О монтаже электролитических конденсаторов

Не следует сильно загибать выводы электролитических конденсаторов непосредственно у корпуса – это может привести к нарушению герметичности и уменьшению срока службы.

Алюминиевые электролитические конденсаторы

Как следует из названия, диэлектриком в данных конденсаторах является пленка оксида алюминия. Алюминиевые электролитические конденсаторы с жидким электролитом наиболее распространены среди электролитических конденсаторов. Это обусловлено высокой удельной емкостью, низкой стоимостью и широким диапазоном рабочих напряжений (15-450 В) и ёмкостей (1 мкФ — 1 Ф). Столь высокие значения удельной емкости достигаются за счет увеличения эффективной площади конденсаторов путем травления анодной фольги. Алюминиевые электролитические конденсаторы допускают кратковременные импульсные перенапряжения не более чем 10-15 % от рабочего напряжения.

Алюминиевые электролитические конденсаторы имеют параллельное сопротивление, уменьшающееся с ростом напряжения на конденсаторе. То есть с увеличением напряжения ток разряда конденсатора будет нелинейно возрастать [Алюминиевые электролитические конденсаторы EPCOS. Справочник — http://www.platan.ru/docs/library/ALCAP_EPCOS.pdf]. Электролитические конденсаторы – устройства полярные и могут работать только при одной полярности напряжения, максимальное обратное напряжение на электролитах не должно превышать величину порядка 1,5 В. Следует быть осторожным при использовании стандартных алюминиевых «электролитов» в схемах, которые должны работать «долго и счастливо». Реально срок их службы составляет несколько десятков тысяч часов и зависит от температурного и токового режима работы.

Уменьшение температуры приводит к снижению (на 10-15 %) ёмкости алюминиевых электролитических конденсаторов в пределах рабочего температурного диапазона. Это необходимо учитывать при проектировании схем работающих в «уличных» условиях.

Для электролитических конденсаторов принято считать, что потери определяются только потерями, обусловленными эквивалентным последовательным сопротивлением. Это обусловлено тем, что на высоких частотах «электролиты» попросту не используются. При таком подходе ESR связано с тангенсом угла потерь соотношением [Алюминиевые электролитические конденсаторы EPCOS. Справочник — http://www.platan.ru/docs/library/ALCAP_EPCOS.pdf]:

tg δ – тангенс угла потерь;

f – частота на которой выполнено измерение tg δ;

C – емкость конденсатора.

Зная значение тангенса угла потерь и частоту, на которой он был измерен можно рассчитать величину ESR.

Танталовые электролитические конденсаторы

Танталовые конденсаторы по сравнению с алюминиевыми имеют большую удельную емкость и соответственно меньшие размеры. Кроме этого у них лучшая температурная стабильность, малые утечки, шире диапазон рабочих температур, значительно больший срок службы. И существенно большая стоимость. Именно по этим причинам танталовые конденсаторы являются атрибутом элитной электроники. Характерные значения емкости – 1-470 мкФ, рабочего напряжения – 4-50 В. В цепях помехоподавления танталовые электролитические конденсаторы могут быть заменены на неполярные многослойные керамические конденсаторы большой емкости имеющие меньшие значения ESR, ток утечки и стоимость.

Рисунок C.14 – Танталовые конденсаторы

Особые требования к конденсаторам в источниках питания

Входные конденсаторы

К входным конденсаторам импульсных стабилизаторов и преобразователей предъявляются особые требования по входному импедансу, в первую очередь к ESL (EffectiveSeries Inductance) и во вторую очередь к ESR (Equivalent Series Resistance). Даже сравнительно малая последовательная индуктивность входных конденсаторов может стать причиной выбросов напряжения и паразитных осцилляций на входных цепях преобразователей, что в свою очередь может привести к пробою коммутационных элементов. Традиционным решением является использование на входе преобразователя в дополнение к основным, как правило, электролитическим конденсаторам конденсаторов малой емкости, но обладающих низким ESL (как правило, пленочных или керамических). Эти конденсаторы располагают в непосредственной близости к силовому контуру коммутации. [Switching Regulator Fundamentals. Application Report SNVA559A–September 2012–Revised September 2016. Texas Instruments Incorporated. http://www.ti.com/lit/an/snva559a/snva559a.pdf].

Выходные конденсаторы

К выходным конденсаторам, которые выполняют роль фильтров и накопителей энергии в импульсных источниках питания предъявляются требования в первую очередь к их ESR. При этом особое внимание нужно обращать на диапазон частот, для которого изготовитель указывает ESR. Часто, для конденсаторов общего применения указывается ESR для частоты 120 Гц. На высоких частотах 20-100 кГц значение может сильно измениться. Поэтому необходимо точно знать ESR для частоты соответствующей рабочей частоте преобразователя. Кроме этого ESR обычных алюминиевых электролитических конденсаторов может изменяться более чем в 40 раз при изменении температуры в диапазоне от -40 до +25 °С. [Switching Regulator Fundamentals. Application Report SNVA559A–September 2012–Revised September 2016. Texas Instruments Incorporated. http://www.ti.com/lit/an/snva559a/snva559a.pdf]. ESR выходных конденсаторов является основной причиной пульсаций напряжения на выходе источников питания. Традиционным является параллельное включение конденсаторов с меньшей емкостью, при этом их ESR оказываются включенными параллельно.

Шунтирующие конденсаторы (bypass capacitors)

Шунтирующие конденсаторы используют для подавления (шунтирования) пульсаций и высокочастотных наводок по цепям питания микросхем. Традиционно для данных целей используются керамические конденсаторы.

Типоразмеры основных типов конденсаторов

Керамические SMD-конденсаторы

Рисунок C.15 – К типоразмерам керамических SMD-конденсаторов

Таблица C.4 – Типоразмеры и маркировка керамических SMD-конденсаторов

Танталовые SMD-конденсаторы

Рисунок C.16 – Габаритные размеры танталовых чип-конденсаторов

Таблица C.5 – Типоразмеры и маркировка рабочих напряжений танталовых SMD-конденсаторов

Как проверить конденсатор

Без конденсаторов, пожалуй, не обходится ни одна электрическая или электронная схема. Этот довольно простой по строению и, в общем-то, нехитрый по принципу своего действия элемент – буквально незаменим. И выход из строя такого миниатюрного «звена» общей цепи вполне способен повлечь и общую неработоспособность всего прибора или устройства.

Многие конденсаторы способны служить десятилетиями, и при этом не потребовать замены. Но время от времени выход из строя или некорректная работа электронной схемы заставляет заниматься поисками «виновника». Подозрение порой падает и на эти элементы цепи. Поэтому необходимо знать, как проверить конденсатор, чтобы убедиться в его пригодности или, наоборот, необходимости замены.

Да и перед проведением электромонтажных работ тоже не мешает заранее проверять элементы, которые будут впаиваться на свое место в плату. В любой партии изделий может быть определенный процент заводского брака. И проще выявить нерабочий конденсатор до его установки, нежели потом искать неисправности по всей схеме.

Основные типы конденсаторов

Буквально несколько минут внимания следует уделить принципам строения и работы конденсаторов, а также разновидностям этих элементов схемы. Так будет проще понять, на чем строится методика проверки их работоспособности.

Итак, конденсатор представляет собой очень распространенный элемент электрической цепи, в котором происходит накопление заряда. Устройство нехитрое – в отличие от многих других элементов здесь нет никаких полупроводниковых переходов. По сути – это всего лишь две значительные по площади токопроводящие пластины (их обычно называют обкладками) равных размеров, разнесенные на небольшое расстояние одна от другой, то есть непосредственного электрического контакта между ними нет и быть не должно. Этот просвет заполняется диэлектрическим материалом.

Принятое условное обозначение конденсатора на схемах как раз очень наглядно показывает принцип его устройства.

Понятно, что в цепи постоянного тока проводимость через конденсатор отсутствует, так как цепь, по сути, разорвана. Но зато на его обкладках накапливается (конденсируется) электрический заряд. И чем больше площадь этих обкладок, тем больший заряд может быть накоплен. Показателем же этих возможностей является величина емкости конденсатора.

Эта физическая величина измеряется в фарадах (F). Один фарад – это способность накопить 1 кулон заряда при разности потенциалов на обкладках в 1 вольт. Но пусть эти «единички» не вводят в заблуждение: на самом деле 1 F – это просто огромный показатель. На деле же приходится иметь дело с куда меньшими величинами:

1 mF = 0.001F = F×10⁻³ — миллифарад;

1 μF = 0.001mF = F×10⁻⁶ — микрофарад;

1 nF = 0.001μF = F×10⁻⁹ — нанофарад;

1 pF = 0.001nF = F×10⁻¹² — пикофарад

Несмотря на общность принципа устройства и действия, по своей конструкции конденсаторы все же могут иметь существенные различия.

Прежде всего, их можно разделить на две большие группы – полярные и неполярные конденсаторы.

• Для неполярных элементов не имеет никакого значения взаимное расположение их обкладок в общей схеме. Такие конденсаторы выпускаются в следующих основных «обличиях».

Керамические конденсаторы – в качестве разделительного диэлектрического слоя между обкладками применяется керамический состав. Эти элементы характеризуются компактностью, широким диапазоном допустимых рабочих напряжений, дешевизной наряду с довольно высокой надежностью и долговечностью.

Для достижения более высоких показателей емкости требуется увеличивать площадь обкладок. Это достигается свертыванием в рулон (или в «гармошку») двух токопроводящих лент со специальным металлизированным покрытием (или даже лент из алюминиевой фольги) с размещённой между ними диэлектрической прокладкой. По такому принципу устроены бумажные, металлобумажные, слюдяные и пришедшие им на замену серебряно-слюдяные конденсаторы.

К неполярным относятся и мощные пусковые конденсаторы, имеющиеся во многих моделях бытовой техники, оснащенной электроприводами. Они собираются в достаточно габаритном корпусе цилиндрической или кубической формы, имеют обкладки из металлизированной полипропиленовой пленки и заполняются диэлектрическим маслом.

Их не зря называют пусковыми – они способны накапливать очень значительный заряд для выработки мощного пускового импульса и для повышения коэффициента мощности электроустановок. Способны они и сглаживать значительные колебания в системах высокого напряжения.

• Полярные конденсаторы требуют, как понятно из названия, соблюдения полярности при установке их в схему.

Наиболее распространены на сегодняшний день полярные конденсаторы в алюминиевом цилиндрическом корпусе. Нередко такие элементы именуют еще «электролитическими». Такое название предопределяет тот факт, что свободное пространство между обкладками заполняется специальным электролитом. Диапазон габаритов и электротехнических показателей – очень широкий, но если неполярные компактные конденсаторы чаще всего по ёмкости максимально ограничиваются единицами микрофарад, то у электролитических счет может идти даже на тысячи μF, то есть единицы mF. На три порядка больше!

Шагом вперед стало появление танталовых полярных конденсаторов, у которых соотношение размеров и возможных показателей емкости – намного выше. То есть это оптимальный вариант тех случаях, когда требуется компактность схемы наряду с высокой емкостью. Правда, такие детали значительно дороже, а кроме того – излишне чувствительны к пульсации токов и к превышениям допустимых напряжений, которые часто выводит их из строя.

Здесь были рассмотрены далеко не все формы выпуска конденсаторов, но принцип их строения, независимо от внешности, остается тем же.

Какие неисправности могут случиться в конденсаторе

Прежде чем учиться искать неисправности конденсатора, необходимо разобраться, в чем же они могут заключаться. Иными словами – нужно знать, что искать.

Итак, полный выход из строя или неправильная работа этого элемента схемы может выражаться в следующем:

• Пробой между обкладками конденсатора. Обычно вызывается превышением допустимого напряжения на выводах. По сути, участок цепи, который должен «разрываться» конденсатором, получается замкнутым.
• Обрыв между выводом конденсатора и обкладкой. Может случиться из-за вибрационного или иного механического воздействия, от превышения допустимого напряжения. Нельзя исключить и производственный брак. На деле получается, что конденсатор в схеме попросту отсутствует – на его месте банальный разрыв цепи.
• Повышенный ток утечки – в связи с потерей диэлектрических качеств разделяющего обкладки слоя происходит «перетекание зарядов». Конденсатор не в силах сохранять полученный заряд достаточное для его корректной работы время.
• Недостаточная емкость конденсатора. Может вызываться повышенным током утечки или же опять, чего греха таить, производственным браком. В результате схема, в которую включен такой конденсатор, работает некорректно, неустойчиво, или вовсе становится неработоспособной.
• Для электролитических полярных конденсаторов выделяют еще один возможный дефект – это превышение эквивалентного последовательного сопротивления ЭПС (ESR). Как известно, такие конденсаторы, работая в схемах с высокочастотными токами, способны «фильтровать» постоянную составляющую и пропускать частотный сигнал. Но этот сигнал может «подавляться» повышенным ЭПС, по аналогии с обычным резистором, значительно снижая его уровень. Что, кстати, одновременно ведет и к нагреву таких элементов схемы.

ЭПС складывается из нескольких факторов:

— обычное активное сопротивление проволочных выводов, обкладок и точек их соединения.

— сопротивление, вызванное неоднородностью диэлектриков, наличием примесей или влаги.

— сопротивление электролита, которое способно изменяться (нарастать) по мере испарения, высыхания, постепенного изменения химического состава.

Для ответственных схем показатель ЭПС имеет очень важное значение. Но, к сожалению, именно эту величину оценить и сравнить с допустимой табличной без использования специфических приборов – невозможно.

Справедливости ради надо сказать, что некоторые пытливые мастера самостоятельно заготавливают приборы-приставки для оценки ESR и используют их в связке с самыми обычными цифровыми мультиметрами. При желании в интернете можно отыскать немало схем подобных приставок.

Пример таблицы допустимых значений эквивалентного последовательного сопротивления (в омах – Ω) для электролитических конденсаторов различных номиналов емкости (μF) и напряжения (V):

Как проводится проверка конденсаторов

Первый шаг – выбраковка по возможным внешним признакам

Если при некорректной работе или при полной неработоспособности схемы подозрение падает на конденсаторы, разумно будет первым делом произвести внимательный визуальный осмотр этих элементов. Не исключены внешние признаки, которые ясно дадут понять о возникших проблемах.

Аналогичную визуальную «ревизию» стоит проводить и при монтаже схемы, тем более в том случае, если для ее сборки используются радиодетали, уже бывшие в употреблении. Кстати, и среди абсолютно новых нет-нет, да и встречаются явно бракованные.

Обычно сразу становятся заметны конденсаторы с пробоем – это выражается в потемнении, вздутии, прогорании или растрескивании керамического корпуса. Понятно, что такие элементы подлежат безусловной замене, и даже не стоит терять время на их дальнейшую проверку – лучше сконцентрировать свое внимание на поиске возможных причин, приведших к таким последствиям.

Даже если ставится новый керамический конденсатор, но он уже имеет трещины или сколы на корпусе, то его лучше сразу отложить в брак – не столь высока его стоимость, чтобы закладывать в схему «мину замедленного действия». Разумнее поставить полностью исправный и неповреждённый внешне элемент.

Пробои чаще встречаются на неполярных конденсаторах или на танталовых полярных (они очень чувствительны к превышениям напряжения).

Явными признаками выхода из строя, или же состояния, близкого к критическому, хорошо сигнализируют электролитические полярные конденсаторы. Это обусловлено самой особенностью их конструкции.

При превышении допустимого напряжения или же при изменении полярности на отводах внутри «бочонка» резко активизируются химические реакции, сопровождающиеся перегревом электролита и его испарением. Это может привести просто к пересыханию конденсатора, то есть к потере им своей номинальной емкости и повышению тока утечки. Но нередко увеличение давления внутри алюминиевого корпуса заканчивается и его разрывом.

Чтобы свести к минимуму вероятность поражения соседних элементов схемы разорвавшимся электролитическим конденсатором, производители предусматривают утонченную верхнюю «крышку» цилиндра, на которую, кроме того, наносятся насечки в виде креста или звездочки. Таким образом, искусственно создаётся «слабое звено» корпуса, чтобы в случае взрыва (прорыва паров электролита) он был направлен вверх.

Но еще до этой критической ситуации конденсаторы начинают «сигнализировать» о скором «окончании своей карьеры» вздутием этой ослабленной стенки. По этому внешнему признаку следует сразу, не откладывая, производить выбраковку и замену элементов схемы. Проводить дополнительные проверки таких конденсаторов – вряд ли имеет смысл.

Правда, следует проявлять внимательность, и обращать внимание еще на один признак. Случается, что даже при отсутствии деформации верхней стенки цилиндра конденсатора, превышение давления приводит к выжиму нижней диэлектрической пробки, через которую проходят отводы. Встречается такое не столь часто, но тем не менее…

Итак, если заметны явные внешние признаки выхода конденсатора из строя, не стоит тратить время на его последующую более тщательную проверку – даже если показатели будут в пределах, вроде бы, нормы, последующее использование все же крайне нежелательно.

Но в том случае, когда никаких признаков нет, но подозрения из-за неработоспособности схемы падают именно на конденсатор, его следует проверить доступными способами. Для этого прежде всего они выпаивается их схемы.

Многие спрашивают, а возможна ли проверка конденсатора без выпаивания с платы? Да, некоторые способы или хитрости на этот счет имеются, но они возможны далеко не всегда, и зачастую не дают достоверной картины. Подробнее мы на этом остановимся чуть ниже. Но для качественной проверки, не имея в распоряжении специальных приборов, элемент все же придется демонтировать.

Проверка конденсатора с помощью мультиметра

В распоряжении домашнего мастера – неспециалиста в области электроники, как правило, может иметься только обычный мультиметр. Но определенную диагностику и выбраковку вышедших из строя конденсаторов можно провести и с его помощью.

Проверка с помощью омметра

Чаще всего первым шагом производится проверка конденсатора на пробой или обрыв с помощью омметра. Такая «ревизия», по сути, является косвенной, но все же может показать явные неполадки, то есть провести выбраковку. Правда, есть нюансы, которые зависят и от типа конденсатора, и от его номинальной емкости.

Любой конденсатор не должен пропускать постоянный ток. То есть – обладать очень высоким сопротивлением. Возможный ток утечки может быть – это зависит от качества диэлектрического разделительного слоя между обкладками, но в идеале – он настолько мал, что может не учитываться.

То есть при замере сопротивления между выводами конденсатора должно получиться очень высокое значение. Для рабочих неполярных элементов оно лежит в пределах выше 2 МОм.

Значит, мультитестер должен быть переведен в режим работы омметра на максимальном диапазоне. У наиболее распространенных моделей – это как раз и составляет предел измерений в 2000 кОм = 2 МОм.

Перед проверкой любого конденсатора его следует «очистить» от возможного остаточного заряда. Для элементов небольшой емкости и с невысокими показателями напряжения это делается обычным перемыканием выводов с помощью отвертки, пинцета, щупа и т.п.

Для разрядки конденсаторов ёмкостью более 100 μF, и в особенности – с рабочими напряжениями свыше 50 вольт, перемыкать контакты следует через резистор сопротивлением порядка 5÷20 кОм и мощностью не менее 1 Вт. В противном случае можно получить довольно мощную искру, что небезопасно. Перемыкание с помощью резистора проводят в течение двух-трех секунд для полной разрядки конденсатора.

Если проверяется неполярный конденсатор, то как уже говорилось, его сопротивление должно быть не менее 2 MОм. Если прибор типа DT установлен на максимальный предел измерений в 2000 кОм, то на дисплее следует ожидать единицы в крайнем левом разряде, говорящей о том, что цепь, по сути, разомкнута, то есть измеряемое значение лежит выше максимальной установленной границы. У мультиметров другого типа может быть и иная индикация отсутствия проводимости – например, буквенные символы «OL».

В любом случае, если дисплей показывает или полное отсутствие проводимости, или очень высокий показатель сопротивления (более 2 МОм) то можно с уверенностью говорить, что пробой не выявлен, а ток утечки если и есть – то в допустимых пределах.

В распоряжении автора статьи – мультиметр ZT102, в котором реализовано автоматическое определение пределов измерений. то есть достаточно просто установить режим работы на омметр, а единицы измерения прибор определит и покажет самостоятельно. Попробуем проверить на пробой керамический конденсатор ёмкостью 4700 pF = 4.7 nF

Мультиметр устанавливается в режим измерения электрического сопротивления.

После подключения конденсатора к щупам (полярность в данном случае не имеет никакого значения) на дисплее изменений не отмечено – все те же символы, говорящие об отсутствии проводимости.

Вывод – полного пробоя или недопустимо высокого тока утечки однозначно нет.

К сожалению, такая проверка не дает никакого вразумительного ответа, если ли обрыв на этом конденсаторе (обрыв характеризуется точно такими же показаниями дисплея). Просто ток, необходимый для зарядки столь невысокой емкости, настолько незначителен, а сама зарядка происходит так быстро, что мультитестер не успевает на это прореагировать изменением показаний.

Так что подобный метод на неполярных конденсаторах малой емкости, менее 1 μF, и с использованием приборов с невысокими пределами измерений, не дает однозначного ответа о полной исправности элемента. И для полноценной картины не обойтись без измерения емкости.

Теперь, для сравнения, посмотрим на проверку омметром неполярного конденсатора с более высоким показателем емкости – 1 μF.

Вот в этом случае можно смело констатировать, что и пробой отсутствует (заряженный конденсатор не проводит ток), и обрыва точно нет, так как мы наблюдали за процессом зарядки.

Справедливости ради заметим следующее – у показанного мультиметра предел измерений электрического сопротивления ограничивается 60 мегаомами. Именно это обстоятельство, скорее всего, и позволило наблюдать процесс зарядки этого сравнительно небольшого по емкости конденсатора. Был бы предел в 2 МОм – скорее всего, весь этот замер уложился бы в доли секунды, и стал практически незаметным. Ну что ж – явный плюс приборам с расширенным диапазоном.

Теперь проверим омметром полярные электролитические конденсаторы. Принцип не меряется. Правда, при использовании мультиметров с выделенными диапазонами рекомендуется установить предел примерно в 200 кОм. Дело в том, что для многих подобных конденсаторов считается нормальным сопротивление утечки более 100 кОм, для некоторых, наиболее качественных, заявляемый допустимый предел – 1 МОм. Так что в большинстве случаев если будет достигнуто сопротивление в 200 кОм — можно судить об отсутствии пробоя, обрыва и пригодности такого конденсатора к работе. Впрочем, на всякий случай можно установить тот же предел в 2000 кОм и даже, если не жаль элементов питания мультитестера – попытаться дождаться полной зарядки.

Попробуем поэкспериментировать с электролитическими конденсаторами разных номиналов емкости, применяя мультиметр ZT102, то есть с «плавающим» пределом измерений сопротивления.

Первым проверим конденсатор с номиналом 10 μF. Внешне на нем нет никаких признаков неисправностей.

То, что к выводам конденсатора в демонстрируемом примере припаяны проводки – никого не должно вводить в заблуждение. Если длина выводов позволяет проводить измерения напрямую щупами или зажимами-«крокодилами», то никакие удлинения не нужны. А в данном случае проводки припаяны только для того, чтобы освободить руки во время замера для фотографирования. При всех достоинствах этого мультитестера есть у него и недостаток – не предусмотрена отдельная контактная панель для проверки конденсаторов.

Разный цвет припаянных проводков – чтобы не перепутать полярность, так как здесь это уже имеет значение. Черный измерительный провод (СОМ) мультитестера должен идти на «минус» конденсатора, красный, соответственно, на «плюс».

Подключаем щупы к конденсатору.

Показатели на дисплее довольно быстро, буквально за секунду, пересекли рубеж в 1 мегаом и продолжают повышаться.

Рост показателей сопротивления, в отличие от неполярных конденсаторов, не столь стремительный. При выходе на 20 мегаом решено проверку закончить – и без того понятно, что ни обрыва, ни пробоя, ни значимого тока утечки нет.

Вторым на очереди – конденсатор с номиналом 470 μF. Если приглядеться к нему, то явно видно начинающееся вздутие крышки.

По идее – его и проверять-то не стоит, но все-таки посмотрим, в чем окажется выраженной его уже заметная внешне дефектность.

Поначалу проверка шла «штатным образом» — сопротивление нарастало с сотен килоом до 5. 7 МОм. Но, в отличие от ранее проверяемых элементов, затем запустился обратный процесс – сопротивление стало неуклонно снижаться.

Это уже явно говорит о нарастании тока утечки. Как знать, может утечка лежит пока в допустимых пределах, но признак явно тревожный. Тем более что снижение сопротивления не останавливается – просто опыт прекращен, чтобы не садить впустую питание мультиметра.

То есть вздутие конденсатора уже не прошло даром – дефект явно имеется. Дополнительно проверим этот элемент, когда перейдем к измерению емкостей.

Наконец, самый большой по емкости из взятых на проверку электролитический конденсатор – номинал в 2200 μF.

Показания на дисплее стартовали с уровня примерно в 50 кОм, но стабильно и довольно быстро растут — происходит зарядка конденсатора, а емкость у него весьма значительная. Вскорости показания превышают 500 кОм, и в районе 600 кОм стабилизируются.

Что ж, значение сопротивления достаточно велико и вполне входит в допустимые пределы для электролитического конденсатора столь высокой ёмкости. А стабильность показания на пике говорит и о стабильности тока разрядки, который также, по все видимости, не выходит за рамки дозволенного. Предварительный вывод: конденсатор в исправном состоянии – нет ни пробоя, ни обрыва, ни чрезмерного тока утечки.

Проверить конденсаторы измерением их сопротивления вполне можно и стрелочным (аналоговым) тестером. Кстати, там этот процесс выглядит даже более наглядно. При подключении тестируемого элемента стрелка обычно сначала отклоняется вправо, а затем начинает движение в сторону увеличения значения, то есть к левому краю, к «бесконечности».

В остальном же принцип проверки никак не меняется. А наглядность подобной «ревизии» конденсаторов нередко у некоторых мастеров делает именно такой способ даже более предпочитаемым.

Проверка конденсаторов функцией измерения емкости

Итак, косвенная проверка с помощью омметра способна в некоторых случаях сразу обнаружить явно непригодные к дальнейшему использованию конденсаторы. Например, результаты измерений указывают на явный пробой между укладками или чрезмерно низкие показатели сопротивления. Но часто картина остается неполной – элемент попадает «под подозрение», но «приговор» выносить вроде бы еще нет оснований, так как налицо только косвенные признаки неисправности.

Кстати, в подобных случаях иногда выручает «сравнительная экспертиза». То есть если имеется заведомо исправный конденсатор с точно таким же номиналом, можно провести сравнения полученных значений сопротивления с вызывающим сомнения элементом. По идее, при испрвности они должны быть очень близки между собой.

Но опять же, например, диагностировать обрыв на конденсаторе малой емкости – практически невозможно. Показатели омметра мгновенно уходят в «бесконечность», что свойственно и для отсутствия пробоя.

Единственно действительным достоверным методом оценки в таких случаях видится замер емкости конденсатора. Для этого используются или специальные приборы для проверки конденсаторов (некоторые из них помимо емкости позволяют оценить и ESR), или мультиметры, в которых имеется такая функция.

В моем мультиметре ZT102 такая функция реализована, причем, тоже с «плавающей запятой», то есть не требующая установки единиц измерения и диапазонов – все это происходит автоматически. Поэтому попробуем проверить все те конденсаторы, которые ранее тестировались омметром – теперь уже на показатели ёмкости.

Начнем опять с неполярных конденсаторов.

Если вспомнить проверку омметром, то самый маленьким из тестируемых был керамический конденсатор 472. Что означает, согласно принятой маркировке, 47 pF × 10², то есть 4700 pF или 4,7 nF. Проверка сопротивления дала положительный результат, но не исключила возможности обрыва. Посмотрим, что покажет замер емкости.

Мультиметр переводится в соответствующий режим. На этом приборе, кстати, режим измерения емкости находится на том же положении переключателя, что и режим омметра, и выбирается кнопкой «SELECT».

Проверяется обычный керамический конденсатор, так что полярность роли не играет.

Значение выведено очень быстро (сказывается малая емкость), прибор сам определил и вывел на дисплей единицы измерения – нанофарады, и показал значение — 4.59 nF. Показания довольно стабильные, с очень незначительными колебаниями вверх-вниз. Не в «самое яблочко», но результат очень близок к указанному номиналу.

Можно констатировать что этот конденсатор – абсолютно «здоровый» и пригоден для дальнейшего использования.

Вторым по очереди стоит конденсатор емкостью в 1 μF. Как мы помним, его проверка омметром дала основания исключить и пробой, и обрыв. Остается выяснить его реальную емкость. Подключаем щупы к выводам конденсатора (без соблюдения полярности).

На дисплее, после небольшой паузы – 983,5 nF, что равно 0,98 μF. Опять – показатель емкости не идеально точен с номиналом, но очень близок к нему. И что важно – стабилен.

Конденсатор следует признать полностью исправным

Далее – тройка полярных электролитических конденсаторов. Проверяем их в порядке по нарастанию емкости. Здесь, понятно, уже требуется соблюдение полярности подключения щупов.

Конденсатор номиналом 10 μF дал при проверке значение 10,2 μF практически без колебаний в ту или иную сторону. Вопросов к нему – никаких нет.

Следующий – тот самый проблемный конденсатор номиналом 470 μF с признаками вздутия корпуса и повышенного тока разряда. Что покажет измерение емкости?

Так и есть – имеются явные дефекты и в этом вопросе:

Даже первичные показания прибора сразу дают понять, что измеренная емкость практически на четверть ниже номинала – всего 329 μF. Но и это еще не всё…

Показатель на дисплее нестабилен – имеется тенденция к снижению емкости, причем довольно быстрому. Уже через несколько секунд значение упало до 309 μF и продолжает уменьшаться. Дальнейший замер – совершенно излишен, так как картина неисправности конденсатора вырисовалась в полной ясности.

Это лишнее подтверждение тому, что попытки продолжать использовать электролитические конденсаторы с признаками вздутия корпуса – совершенно бесплодны. Да и на их тестирование, повторимся, даже жалко тратить время – такие детали уже отслужили свое и подлежат безусловной утилизации. Иначе – жди или некорректной работы схемы, или ее полного выхода из строя, или, что еще «веселее» — «фейерверка» со взрывом корпуса.

Остался последний конденсатор – емкостью 2200 μF. Внешне и по результатам проверки омметром он не вызывал беспокойства.

Проведенный замер показал, что с конденсатором – все в порядке, если не считать несколько завышенной его емкости. На дисплее высветилось 2,489 mF = 2489 μF – вполне укладывается в допустимые рамки (обычно допустимые отклонения для емкости оцениваются в ± 15%). Но зато измеренное значение стабильно, без тенденции к увеличению или снижению.

Вывод — конденсатор во вполне пригодном к дальнейшему использованию состоянии.

Позволим себе маленькую ремарку.

Показанная последовательность проверки, то есть сначала омметром, а затем измерением емкости, вовсе не является обязательной. Измерением сопротивления просто демонстрировался способ, которым во многих случаях можно выявить явно неисправный элемент, если отсутствует прибор контроля емкости. Но, как мы помним, достоверность такой проверки бывает и неполной.

То есть в том случае, когда имеется возможность замера емкости, начинать следует прямо с него. Он однозначно покажет работоспособность конденсатора по всем пунктам – в случае обрыва, пробоя или большой утечки емкость или просто не поддастся измерению, или ее показатель будет очень далек от номинала, или, как было показано в рассмотренном примере, индицируемое значение будет нестабильным, с тенденцией к быстрому снижению.

Косвенная проверка конденсатора вольтметром

Эта проверка со вполне допустимой долей достоверности может показать, насколько хорошо конденсатор накапливает и удерживает полученный заряд. Правда, она возможна при довольно высоких показателях как емкости, так и напряжения, иначе используемый «визуальный подход» к оценке работы элемента может стать просто незаметным для восприятия.

Суть метода заключается в том, что вначале конденсатор следует зарядить от какого-то внешнего источника питания. Причем, рекомендуется, чтобы напряжение этого источника было примерно вдвое ниже указанного на конденсаторе предела. Скажем, для конденсатора, на котором указан предел в 25 вольт вполне подойдет блок питания на 12 вольт.

Обычно для зарядки хватает нескольких секунд. Кстати, пока идет зарядка будет нелишним для контроля проверить на клеммах источника питания, какое же точно напряжение подается на обкладки конденсатора.

После выполнения зарядки источник питания отключается. Мультитестер должен быть переведен в режим измерения постоянного напряжения в предполагаемом диапазоне (например, 20 вольт). Буквально через несколько секунд касаются щупами выводов конденсатора. Здесь важно проявить внимательность, так как главную ценность будет представлять показание вольтметра, снятое именно в момент первого касания – это значение должно быть максимально близким с напряжением, подаваемым при зарядке. Затем, естественно, по мере разрядки конденсатора через мультиметр, оно будет падать. Скорость его разрядки зависит от показателя емкости и от значения эквивалентного последовательного сопротивления (ЭПС).

Если первичное показание слишком далеко от «эталона» — это может говорить о слишком большом токе утечки и малопригодности конденсатора к нормальной работе.

Впрочем, такой способ все же таит в себе и субъективную составляющую, зависящую от личного восприятия быстро изменяющихся показаний. То есть говорить о его полной объективности – сложно. Хотя явный дефект он, пожалуй, выявить поможет. А в сомнительных случаях все же лучше изыскать возможность полноценной проверки емкости конденсатора.

«Народный» способ – проверка конденсатора коротким замыканием

К такому методу зачастую прибегают для «проверки» мощных, в том числе – пусковых конденсаторов, работающих с напряжениями свыше 200 вольт.

Смысл заключается в зарядке конденсатора, часто – просто от сети переменного напряжения 220 вольт. А затем — его разрядкой путем короткого замыкания выводов отвёрткой или отрезком изолированного провода. При замыкании возникает мощная искра, говорящая о том, что конденсатор способен накапливать нешуточный заряд.

Сразу будет сделана оговорка – не зря слово «проверка» выше было взято в кавычки. Автор этой публикации ни в коем случае не рекомендует выполнять подобное тестирование, особенно тем людям, кто делает только первые шаги на поприще электротехники.

• Во-первых, это крайне небезопасно. При малейшей неосторожности можно получить очень чувствительный, а иногда – и весьма опасный для здоровья электрический удар. Особую опасность представляет случайное замыкание контактов заряженного конденсатора обеими руками. Траектория тока «из руки в руку» проходит через наиболее уязвимую область тела человека, через сердце, что порой заканчивается очень печально.
• А во-вторых, объективной картины работоспособности конденсатора таким путем все равно получить невозможно. Признайтесь, сможете ли вы отличить искру, вызванную разницей потенциалов в 200 вольт, от искры, для которой потребовалось всего 100 вольт? Вряд ли. Так что говорить о полной пригодности, о полноценной емкости и допустимой утечке – все же преждевременно. Так стоит ли «огород городить»? Единственное, на что способна такая проверка — выявить совершенно неисправный конденсатор.

Можно ли проверить конденсатор, не выпаивая его с платы?

Для полноценной проверки конденсатора, уже стоящего в схеме, его все же рекомендуется выпаять из платы. Дело в том, что другие элементы схемы способны оказывать влияние на измеряемые показания, и картина получатся явно недостоверной.

Понятно, что лишний раз заниматься выпаиванием конденсатора никому не хочется, что и вызывает вынесенный в заголовок подраздела вопрос.

Однозначного ответа нет. Если точнее, то существует несколько методов, которые могут дать определенный эффект, но не всегда они просты и оправданы.

• Некоторые современные приборы, предназначенные именно для тестирования конденсаторов, сразу разрабатывались с учетом возможности проверок без проведения демонтажа элементов схемы. Если есть возможность воспользоваться подобным тестером – то это существенно упрощает решение вопроса.

Поднаторевшие в радиоэлектронике мастера зачастую создают некое подобие таких приборов и самостоятельно. Причем, охотно делятся и разработанными схемами, и опытом их эксплуатации. Например, ниже показана одна из таких схем с кратким ее описанием – возможно, кто-то возьмет себе на заметку.

Если ничего из выше перечисленного нет, придётся обходиться другими мерами.

• Конденсатор можно выпаять частично, то есть одним выводом. После этого – провести проверку мультиметром. Правда, получается это далеко не всегда, так как в большинстве случаев эти детали изначально впаиваются с «низкой посадкой», а с электролитическими конденсаторами такой подход и вовсе невозможен.
• Одним из путей, когда выпаивание видится трудноосуществимым, может стать «изоляция» конденсатора на плате подрезкой дорожек, идущих к соседним элементам схемы.

Метод, конечно, «варварский», особенно в том случае, если идет поиск неисправного элемента – эдак можно и всю плату «перепахать». Кроме того, если плата – не с односторонней печатью, то к такому способу и вовсе не стоит прибегать.

• Возможно, если выпаивание конденсатора сопряжено с определенными сложностями, проще «поднять ножки» расположенных с ним в последовательной цепи элементов, например, резисторов. Так будет устранено их влияние на тестируемый элемент.
• Наконец, есть еще один способ убедиться в необходимости замены неработающего конденсатора. Заключается он в том, что непосредственно к выводам детали, работоспособность которой вызывает сомнения, параллельно припаивается новый конденсатор точно такого же номинала, но заранее проверенный и гарантированно рабочий. Естественно, если это полярный конденсатор, то с соблюдением правильного расположения «плюса» и «минуса».

После этого проводится тестовый запуск схемы (устройства). Если заметны улучшения, или работоспособность полностью восстановлена – можно провести выпаивание старого конденсатора и монтаж нового. Если же никаких позитивных изменений не последовало – следует продолжить поиск неисправности в ином месте, так как вряд ли именно исследуемый конденсатор послужил причиной неполадок.

Завершим сегодняшнюю публикацию демонстрацией видео, в котором также речь идет о неисправностях конденсаторов и возможных способах их выявления.