Потерявшие емкость электролитического конденсатора

Конденсаторы широко применяются в электротехнике в качестве элементов, сглаживающих пульсации переменного тока, фильтров частоты, или накопителей энергии. Кроме того, эти радиодетали можно применять в качестве гальванической развязки. Технологий изготовление множество, принцип общий: между двумя обкладками кроме диэлектрика размещается особое химическое вещество, определяющее характеристики. Для электроустановок постоянного тока, применяются электролиты. Это недорогая технология, которая имеет серьезный недостаток: жидкость может закипеть от перегрузки или высокой температуры, и тогда конденсатор буквально взрывается. К счастью, такой «экстрим» случается редко: в большинстве случаев корпус просто разрушается, теряет герметичность, и электролит вытекает на монтажную плату.

Поэтому в ответственных узлах применяются конденсаторы, изготовленные по иной технологии. Вместо жидкого электролита применяется токопроводящий органический полимер. Он имеет фактически твердую консистенцию, поэтому при экстремальных нагрузках (включая температурные) опасности не представляет. Такие конденсаторы называются твердотельными (по причине отсутствия жидких фракций). Характеристики этих элементов не уступают традиционным «электролитам», однако стоимость деталей существенно выше. Есть еще один недостаток твердотельной конструкции — ограничения по вольтажу. Верхний предел напряжения не более 35 Вольт. Учитывая область применения (компьютеры, бытовая техника, автомобили), это не является большой проблемой.

По причине высокой стоимости, домашние мастера стараются избегать покупки дорогих деталей, используя б/у компоненты для замены. В любом случае, чтобы не тратить лишние деньги, необходимо знать, как проверить твердотельный конденсатор.

Как работает полимерный конденсатор

Чтобы проверить любой прибор, желательно понимать механизм его работы. Поскольку тема нашего материала — твердотельные конденсаторы (аналоги электролитических), значит речь пойдет о радиоэлементах для постоянного тока, то есть полярных. Все со школьной скамьи помнят эту иллюстрацию:

Две металлические пластины с диэлектриком между ними (для лаборатории подойдет даже воздух). Если на контакты подать потенциал, между пластинами накапливается разноименные заряды, и в пространстве между ними возникает электрическое поле. При отсутствии электрической цепи это поле может сохраняться достаточно долго (современные элементы обеспечивают утечку заряда, стремящуюся к нулю). Именно это свойство лежит в основе применения конденсаторов.

Элемент имеет определенные основные характеристики:

• Рабочее напряжение определяется величиной, при которой не наступает пробой диэлектрика. Конденсаторы выглядят совсем не так, как мы привыкли видеть на лабораторном столе в классе физики. Детали весьма компактны, соответственно расстояние между пластинами минимально. Отсюда ограничение по предельному напряжению.
• Емкость конденсатора — его главный параметр. Он определяет, сколько электрической энергии деталь может накопить и удерживать в себе. Величина напрямую зависит от площади пластин.

• Параметры утечки. Могут определяться током потери накопленного заряда, либо сопротивлением диэлектрика. Идеальные показатели возможны только в вакууме, но такие конденсаторы для бытового использования не выпускаются.
• Температурный коэффициент: определяется дельтой изменения емкости в зависимости от температуры.
• Точность — указывается в процентах. Показывает разброс параметров емкости от эталонной (маркировочной) величины.

Важно: несмотря на большое количество параметров, измерению (проверке) подлежат лишь два из них: емкость и сопротивление диэлектрика.

Устройство электролитических и твердотельных конденсаторов

Радиокомпоненты такого класса применяются в электронных устройствах с высокими требованиями по габаритам. Поэтому вопрос компромисса между площадью обкладок (от этого зависит емкость) и размерами корпуса — головная боль разработчиков. Проблема решается технологически просто:

Изготавливается так называемых сэндвич, стоящий из двух тончайших обкладок, между которыми прокладывается слой пропитанной электролитом бумаги (в электролитических моделях) или токопроводящий полимер (твердотельные конденсаторы). Обычно используется танталовая или алюминиевая фольга. В качестве диэлектрика применяется естественный оксидный слой одной из пластин. У него низкая проводимость, которая определяет ток утечки емкости.

Такая конструкция может занимать достаточно большую (по меркам радиодеталей) емкость. Поэтому ее сворачивают в плотный рулон, где в качестве разделителя между слоями выступает тонкая электро-бумага (смотрим иллюстрацию). Она не участвует в схеме работы конденсатора.

Наружная оболочка выполнена из алюминия, на нее наносится информация о характеристиках.

Преимущества твердотельных конденсаторов

• В сравнение с электролитической конструкцией, существенно снижено эквивалентное последовательное сопротивление. Благодаря этому деталь практически не нагревается на высоких частотах.
• Значительная величина тока пульсаций делает работу более стабильной, особенно в схемах обеспечения электропитанием.
• Твердотельные конденсаторы практически не зависят от температуры. Кроме физической защиты от раздувания корпуса, это свойство позволяет сохранять параметры при нагреве.
• Продолжительность жизни. Если принять за эталон рабочую температуру 85 °C, срок эксплуатации (без потери характеристик) в 6 раз больше, чем у электролитов. Обычно эти детали без проблем работают не менее 5 лет.

Самостоятельная диагностика конденсатора

Поскольку мы говорим о деталях для работы с постоянным током, не имеет значения, какая применяется технология: электролитическая или полимерная. Проверка полярных конденсаторов выполняется одинаково.

Прежде всего, выполняется внешний осмотр. Электролиты не должны иметь следов вздутия, особенно на торце, где есть насечка в виде креста. При осмотре твердотельных корпусов можно увидеть термические повреждения с нарушением геометрии.

Разумеется, необходимо проверить крепление ножек. Компактная конструкция подразумевает небольшие размеры всех компонентов. Ножки могут банально оторваться еще на стадии сборки.

Если внешний осмотр не дал результатов, проводим тестирование с помощью мультиметра

В любом случае, для выполнения этих работ необходимо выпаять деталь из платы. Делать это надо осторожно, чтобы не выдернуть контактные ножки из корпуса.

Если ваш прибор имеет специализированный разъем для проверки, диагностика выполняется в соответствии с инструкцией к мультиметру. Обязательно проводится весь комплекс тестирования (если такой алгоритм имеется). Подключать нужно правильно, соблюдая полярность. Маркировка обязательно присутствует на корпусе детали. При такой проверке вы не только проверите исправность, но и увидите значение емкости.

Проверка работоспособности конденсатора начинается с измерения сопротивления. Делается это не так, как на резисторах или диодах. Чтобы понять принцип проверки, вспомним основные свойства конденсатора. При накоплении заряда сопротивление между обкладками увеличивается. Для начала необходимо разрядить элемент (снять остаточный заряд). Разумеется, это справедливо лишь для исправной детали. Надо просто замкнуть ножки любым проводником, или сомкнуть их между собой.

Важно: электролитические конденсаторы могут работать с напряжением до 600 Вольт и более, поэтому их разряжают только инструментом с изолированной рукояткой.

Проверка межобкладочного замыкания

Даже такой надежный конденсатор, как твердотельный, может иметь банальные физические повреждения. Например, замыкание между обкладками или на корпус. В первом случае сопротивление не увеличится до бесконечности, хотя первое время будет плавно увеличиваться. При пробое на корпус, сопротивление между одной из ножек и внешней оболочкой будет критически маленьким.

В обоих случаях, такие конденсаторы следует отнести к браку, восстановлению они не подлежат.

Проверка истинных значений емкости

Как проверять детали с помощью специализированного мультиметра, мы уже рассматривали. Однако для проверки твердотельного (электролитического) конденсатора недостаточно просто зафиксировать факт исправности. Особенно, если радиоэлемент под подозрением, либо вы хотите использовать деталь, бывшую в употреблении. Необходимо использовать прибор, с достаточным диапазоном измерения емкости.

Тестирование проводится в несколько этапов:

• несколько раз соединяем конденсатор с клеммами прибора, затем разряжаем его замыканием, и снова проверяем;
• нагреваем радиодеталь с помощью термофена до температуры 60–85°C, и проверяем значение емкости: разброс параметров не должен превышать допустимую погрешность (указано на корпусе).

Важно: обязательно соблюдайте полярность при проведении измерений. Это необходимо не только для получения истинного значения. При напряжении питания прибора хотя бы 9 вольт (такие мультиметры встречаются часто), конденсатор может выйти из строя из-за переполюсовки.

Практическое применение на автомобиле

Далеко не все домашние мастера будут тестировать элементную базу материнских плат компьютеров. А вот навыки, как проверить конденсатор трамблера, пригодятся любому автолюбителю. Изучим методику на примере классики ВАЗ.

• Для проверки необходимо отсоединить кабель, идущий от трамблера до конденсатора. Он обычно соединен с одним контактом прерывателя. Между контактами закрепляем лампу мощностью 35–50 Вт (разумеется, с напряжением 12 вольт). Если при включении зажигания лампа загорелась, конденсатор неисправен, то есть «пробит» (это самая характерная поломка). Если «контролька» не светится — конденсатор исправен.
• Второй способ можно применять в крайнем случае, если у вас не нашлось лишней лампы. После включения зажигания, необходимо быстро и вскользь коснуться контактами друг к другу. Если ничего не происходит — конденсатор в порядке. При наличии искрения — радиоэлемент «пробит».

Для того, чтобы проверить твердотельные либо электролитические конденсаторы, не обязательно иметь образование радиоинженера. Руководствуясь нашими советами, вы сможете точно определить исправность радиодеталей, и сэкономить средства на покупку новых элементов. Учитывая высокую стоимость именно таких конденсаторов, снижение затрат на ремонт будет ощутимым.

Видео по теме

Проверка конденсаторов цифровым мультиметром

При конструировании и ремонте электронной техники часто возникает необходимость в проверке радиоэлементов, в том числе и конденсаторов.

В сети много рекомендаций о том, как проверить конденсатор омметром. Когда-то я и сам применял такую методику. О ней я ещё расскажу.

Но на данный момент могу утверждать точно, что достоверно определить исправность конденсатора можно лишь с помощью прибора, который способен измерить его электрическую ёмкость.

Перед тем, как начать проверку конденсатора необходимо определить его тип. Все они делятся на две группы:

Неполярные. К ним относятся конденсаторы, в которых диэлектриком является слюда, керамика, бумага, стекло, воздух. Как правило, их ёмкость невелика и лежит в пределах от нескольких пикофарад до единиц микрофарад.

Полярные. К полярным конденсаторам относятся все электролитические конденсаторы, как с жидким электролитом, так и твёрдым. Их ёмкость уже лежит в диапазоне от 0,1 до 100000 микрофарад.

Среди неисправностей конденсаторов можно выделить три основных:

Электрический пробой. Как правило, пробой вызван превышением допустимого рабочего напряжения на обкладках конденсатора.

Обрыв. При обрыве конденсатор электрически представляет собой два изолированных проводника не имеющих никакой ёмкости. Обычно обрыв образуется вследствие механического воздействия, тряски или вибрации. Его причиной может быть некачественная конструкция элемента, а также нарушение допустимых режимов эксплуатации.

Повышенная утечка. Изменение сопротивления диэлектрика между обкладками. При такой неисправности ёмкость конденсатора становится заметно ниже, он не способен сохранять заряд.

Список неисправностей у электролитических конденсаторов заметно шире. В основном это касается алюминиевых электролитических конденсаторов, которые очень активно используются для фильтрации пульсирующего напряжения во всевозможных выпрямителях.

Потеря ёмкости, повышенная утечка.

Как уже говорил, достоверно проверить исправность конденсатора можно лишь с помощью прибора, который способен измерить его ёмкость. Как правило, для этих целей применяются измерители индуктивности и ёмкости (LC-метры). Они довольно дороги.

Но, несмотря на это, можно найти доступный по цене мультиметр с функцией LC-метра. Например, в моей мастерской имеется мультитестер Victor VC9805A+.

Он имеет 5 пределов измерения и способен определить ёмкость в диапазоне от 20 нанофарад (20nF) до 200 микрофарад (200μF). С его помощью можно измерить ёмкость, как обычных неполярных конденсаторов, так и полярных электролитических.

20 нФ (20nF)

200 нФ (200nF)

2 мкФ (2μF)

20 мкФ (20μF)

200 мкФ (200μF)

Максимальный предел измерения ограничен значением в 200 микрофарад (мкФ), что не так уж и много, если учесть, что ёмкость электролитических конденсаторов порой доходит и до 10000 мкФ.

Измерительные щупы прибора подключаются к гнёздам измерения ёмкости (обозначается как Cx). При этом нужно соблюдать полярность их подключения.

Разъём измерения ёмкости (Сх)

На фото показан процесс измерения ёмкости конденсатора номиналом 100nF (0,1 мкФ). Для измерения выбран предел в 200 нанофарад.

Как видим, ёмкость соответствует той, что указана в маркировке на корпусе — 104,7nF. Конденсатор исправен.

А вот пример неисправного металлоплёночного конденсатора К73-17 на 100nF. Я его выявил совершенно случайно, полагал, что он полностью исправен.

Отмечу лишь то, что изначально я проверял данный конденсатор мультиметром в режиме омметра. Тогда я не обнаружил ничего подозрительного. На деле же он оказался неисправен, имел очень маленькую ёмкость, всего 737 пикофарад.

На следующем фото проверка этого же конденсатора универсальным тестером.

Именно поэтому для проверки конденсаторов стоит использовать тестер с функцией замера ёмкости. Это даст наиболее достоверный результат.

Исключением может быть электрический пробой, который легко обнаружить с помощью омметра, а порой и чисто визуально при внешнем осмотре. Вот пример.

На фото пробитый неполярный конденсатор на рабочее напряжение 1,2kV.

При значительном превышении рабочего напряжения на конденсаторе, между его обкладками происходит электрический пробой. На корпусе пробитых конденсаторов можно обнаружить потемнения, вздутия, тёмные пятна и другие внешние признаки повреждения элемента.

Корпус может быть расколотым или иметь на поверхности сколы и трещины.

Электрический пробой конденсатора в электронной схеме преобразователя может стать причиной выхода из строя компактной люминесцентной лампы. Об этом я упоминал на странице про устройство ламп КЛЛ.

Стоит отметить тот факт, что пробой у алюминиевых электролитических конденсаторов встречается довольно редко. Обратная ситуация наблюдается у танталовых конденсаторов, которые в силу своих особенностей плохо выдерживают даже незначительное превышение рабочего напряжения.

При измерении ёмкости у электролитического конденсатора стоит знать одну особенность. Так как допуск у них очень большой, порой достигающий 30%, то разброс значения ёмкости может быть весьма приличный. В таком случае не стоит считать конденсатор негодным. Кроме этого, многое зависит от того, каким прибором пользуетесь.

Вот список реальной ёмкости новых конденсаторов. Измерения проводились универсальным тестером LCR-T4:

2200 μF (35V) — реальная 2155μF (Jamicon);

470 μF (25V) — реальная 420,9μF (EPCOS);

220 μF (400V) — реальная 217,7μF (SAMWHA);

100 μF (450V) — реальная 98,79μF (Jamicon);

100 μF (400V) — реальная 101,1μF (SAMWHA);

82 μF (400V) — реальная 75,65μF (Jamicon);

82 μF (450V) — реальная 77,46μF (SAMWHA);

82 μF (450V) — реальная 77,05μF (CapXon);

68 μF (450V) — реальная 66,43μF (Jamicon);

33 μF (160V) — реальная 31,99μF (SAMWHA);

22 μF (250V) — реальная 22,21μF (SAMWHA);

Как видим, самым некачественным оказался конденсатор EPCOS B41828 105 0 C 470μF(M)25V.

Эти же конденсаторы были проверены мультиметром Victor VC9805A+. Так вот, он показал ёмкость конденсаторов меньше. Для кондёра 220μF (400V) он вообще намерил 187μF!

Неисправность электролитического конденсатора можно определить при внешнем осмотре. Если корпус его имеет разрыв насечки в верхней части корпуса — 100% его надо менять. Разрыв защитной насечки на корпусе свидетельствует о том, что на конденсатор действовало завышенное напряжение, вследствие чего и произошёл, так называемый, "взрыв".

Как уже говорилось, пробой алюминиевых электролитических конденсаторов явление достаточно редкое. Вместо этого имеет место такой вот "взрыв" или "вздутие". Происходит это от того, что при превышении допустимого напряжения или при переполюсовке, в конденсаторе начинается бурная химическая реакция. Она приводит к нагреву и испарению электролита, пары которого давят на стенки корпуса и разрывают защитный клапан.

"Взорвавшийся" электролитический конденсатор

Такие дефекты конденсаторов появляются, например, при воздействии мощного электрического разряда на электронный прибор во время грозы или сильных скачков напряжения в электроосветительной сети 220V.

Аналогичный эффект "вздутия" алюминиевого электролитического конденсатора проявляется и при его длительной эксплуатации. Так как электролит жидкий, то он имеет свойство испаряться при нагреве и длительной эксплуатации.

Стоит отметить, что конденсатор нагревается не только снаружи, но и изнутри. Связано это с наличием эквивалентного последовательного сопротивления (ESR). При испарении электролита ёмкость конденсатора заметно снижается. Со временем он всё сильнее "вздувается". Про такой конденсатор говорят, что он высох.

При ремонте электронной аппаратуры порой бывают случаи, что в блоке питания, отслужившего ни один год прибора, можно обнаружить целую грядку таких "дутышей".

Потеря ёмкости может быть причиной поломки телевизора. Такая неисправность не редкость. Об одной из них я уже рассказывал здесь.

В современных условиях, когда имеет место широкое распространение импульсной техники, ещё один важный параметр, который нужно учитывать при тестировании электролитических конденсаторов, это его ESR. На сайте имеется таблица со значениями ESR новых конденсаторов разной ёмкости. Советую ознакомиться.

Так как большинство мультиметров не поддерживают функцию замера ESR, то при необходимости лучше приобрести специализированный тестер или универсальный тестер радиокомпонентов. Это незаменимый прибор в мастерской радиолюбителя и любого радиомеханика.

Меры предосторожности при проверке электролитических конденсаторов.

При проверке электролитического конденсатора необходимо полностью его разрядить! Особенно этого правила стоит придерживаться при проверке конденсаторов, имеющих большую ёмкость и высокое рабочее напряжение. Если этого не сделать, то можно испортить измерительный прибор высоким остаточным напряжением.

Например, часто приходиться проверять исправность конденсаторов, которые применяются в импульсных блоках питания. Их ёмкость и рабочее напряжение достаточно велики и при неполном разряде могут привести к порче мультиметра.

Поэтому перед проверкой их следует обязательно разрядить, закоротив выводы накоротко (для низковольтных конденсаторов с малой ёмкостью). Сделать это можно обычной отвёрткой.

Электролитический конденсатор ёмкостью 220 мкФ и рабочим напряжением 400 вольт

Конденсаторы с ёмкостью более 100 мкФ и рабочим напряжением от 63V желательно разряжать уже через резистор сопротивлением 5-20 килоОм и мощностью 1 — 2 Вт. Для этого выводы резистора соединяют с выводами конденсатора на несколько секунд, чтобы убрать остаточный заряд с его обкладок. Разряд конденсатора через резистор применяется для того, чтобы исключить появление мощной искры.

При проведении данной операции не стоит касаться руками выводов конденсатора и резистора, иначе можно получить неприятный удар током при разряде обкладок. Резистор лучше зажать пассатижами в изоляции и уже тогда соединить его с выводами конденсатора.

При закорачивании выводов заряженного электролитического конденсатора проскакивает искра, иногда очень мощная.

Поэтому следует позаботиться о защите лица и глаз. По возможности применять защитные очки или держатся от конденсатора при проведении таких работ подальше.

Проверка конденсаторов с помощью омметра.

Самым доступным и распространённым прибором, с помощью которого можно провести тестирование конденсатора, является цифровой мультиметр, включенный в режим омметра.

Поскольку конденсатор не пропускает постоянный ток, то сопротивление между его выводами (обкладками) должно быть очень большим и ограничиваться лишь так называемым сопротивлением утечки. В реальном конденсаторе диэлектрик, несмотря на то, что он является изолятором, всё-таки пропускает незначительный ток. Обычно, этот ток очень мал и не учитывается. Он называется током утечки.

Данный способ подходит для проверки неполярных конденсаторов. У них сопротивление утечки бесконечно большое и, если измерить сопротивление между выводами такого конденсатора цифровым мультиметром, то прибор зафиксирует бесконечно большое значение.

Обычно, если у конденсатора присутствует электрический пробой, то сопротивление между его обкладками составляет довольно малую величину – несколько единиц или десятки Ом. Пробитый конденсатор, по сути, является обычным проводником.

На практике проверить на пробой любой неполярный конденсатор можно так:

Переключаем мультиметр в режим измерения сопротивления и устанавливаем самый большой из возможных пределов. Для цифровых мультитестеров серий DT-83x, MAS83x, M83x, это будет предел 2M (2000k), то бишь, 2 мегаома.

Далее подключаем измерительные щупы к выводам проверяемого конденсатора. Если он исправен, то прибор не покажет никакого значения и на дисплее засветиться единичка. Это свидетельствует о том, что сопротивление утечки более 2 мегаом.

Этого достаточно, чтобы в большинстве случаев судить об исправности конденсатора. Если цифровой мультиметр чётко зафиксирует какое-либо сопротивление, которое меньше 2 мегаом, то, скорее всего, конденсатор имеет большую утечку.

Следует учесть, что держаться обеими руками выводов конденсатора и металлических щупов мультиметра при измерении нельзя! В таком случае прибор зафиксирует сопротивление вашего тела, а не сопротивление конденсатора. Поскольку сопротивление тела человека меньше сопротивления утечки, то ток потечёт по пути наименьшего сопротивления, то есть через ваше тело по пути рука – рука. Результат измерения будет некорректный. Об этом простом правиле стоит помнить при проверке и других радиодеталей.

Проверка полярных электролитических конденсаторов с помощью омметра несколько отличается от проверки неполярных.

Сопротивление утечки полярных конденсаторов обычно составляет не менее 100 килоОм. Для более качественных конденсаторов это значение составляет не менее 1 мегаома.

При проверке таких конденсаторов омметром следует сначала их разрядить, замкнув выводы накоротко. Если этого не сделать, то есть риск сжечь мультиметр.

Далее необходимо установить предел измерения сопротивления не ниже 100 килоОм. Для упомянутых выше конденсаторов это будет предел 200k (200000 Ом). Далее соблюдая полярность подключения щупов, измеряют сопротивление утечки.

Так как электролитический конденсатор имеют довольно большую емкость, то при проверке он начнёт заряжаться. Этот процесс занимает несколько секунд, в течение которых сопротивление на цифровом дисплее будет расти — показания на нём будут увеличиваться. Это будет продолжаться до тех пор, пока конденсатор полностью не зарядится. Если значение измеряемого сопротивления перевалило за 100 килоОм, то в большинстве случаев можно с достаточной уверенностью судить об исправности проверяемого элемента.

Одной из рядовых неисправностей электролитических конденсаторов является частичная потеря ёмкости. В таких случаях его ёмкость заметно меньше, чем указанная на корпусе. Определить такую неисправность при помощи омметра сложно. Я бы сказал, что невозможно. Для точного обнаружения такой неисправности, как потеря ёмкости потребуется измеритель ёмкости, который есть не в каждом мультиметре.

Также с помощью омметра трудно обнаружить такую неисправность конденсатора как обрыв.

Для полярных электролитических конденсаторов косвенным признаком обрыва может служить отсутствие изменения показаний на дисплее мультиметра при замере сопротивления.

Для неполярных конденсаторов малой ёмкости обнаружить обрыв практически невозможно, поскольку исправный конденсатор имеет очень высокое сопротивление. Заряд ёмкости такого конденсатора проходит очень быстро и из-за этого невозможно определить имеет ли конденсатор хоть какую-то ёмкость. На дисплее мультиметра показания меняться не будут, как это происходит при заряде ёмкого электролитического конденсатора.

Как вы уже поняли, обнаружить обрыв в неполярном конденсаторе можно лишь с помощью прибора для измерения ёмкости.

На практике обрыв в конденсаторах встречается довольно редко, в основном такое бывает при механических повреждениях. Куда чаще при ремонте аппаратуры приходиться заменять конденсаторы, имеющие электрический пробой либо частичную потерю ёмкости.

Проверка конденсатора стрелочным омметром.

Ранее, когда среди радиолюбителей были распространены стрелочные омметры, проверка конденсаторов проводилась похожим образом. При этом конденсатор заряжался от батареи омметра и сопротивление, показываемое стрелкой прибора, росло. В конечном итоге величина его достигала значения сопротивления утечки.

По скорости отклонения стрелки измерительного прибора от нуля и до конечного значения оценивали и емкость электролитического конденсатора. Чем дольше проходила зарядка (дольше отклонялась стрелка прибора), тем, соответственно, была больше ёмкость. Для конденсаторов с небольшой ёмкостью (1 – 100 мкф) стрелка измерительного прибора отклонялась достаточно быстро, что свидетельствовало о небольшой ёмкости, а вот при проверке конденсаторов с ёмкостью от 1000 мкф и более, стрелка отклонялась значительно медленнее.

Проверка конденсаторов с помощью омметра является косвенным методом. Более точную и правдивую оценку об исправности конденсатора и его параметрах позволяет получить мультиметр с возможностью измерения электрической ёмкости.

Возможно, вы слышали, что электролитические конденсаторы – это не самый лучший выбор? Но насколько это утверждение верно? Давайте дадим электролитическим конденсаторам еще один шанс.

Алюминиевые электролитические конденсаторы прославились коротким сроком службы и ненадежностью. Частично эта репутация связана с кражей формулы электролита пятнадцатилетней давности, но с другой стороны, они действительно служат не так долго, как другие типы конденсаторов. Но неужели они настолько плохи?

Скандальная репутация

В начале 2000-х годов алюминиевые электролитические конденсаторы терпели неудачи с гораздо более высокой скоростью, чем ожидалось, явление широко и драматично известное как конденсаторная чума. Причина была отслежена до интересной истории промышленного шпионажа, где формула электролита для конденсаторов была украдена, но затем использовалась неправильно. В результате миллионы плохих конденсаторов попали во всевозможные электронные устройства.

Эта история, несомненно, придала алюминиевым электролитам плохую репутацию ненадежных компонентов, и эта дурная слава еще больше усиливалась из-за того, что даже правильно изготовленные алюминиевые электролитические конденсаторы имеют относительно короткий срок службы по сравнению с пленочными конденсаторами (которые также могут иметь высокую ёмкость и высоковольтные характеристики, такие как у алюминиевых электролитов).

Например, семейство KXG алюминиевых электролитических конденсаторов от United Chemi-Con (которое включает в себя конденсаторы емкостью от 6,8 мкФ до 330 мкФ и напряжением от 160 В до 450 В) имеют заявленный срок службы от 8 000 до 10 000 часов, в то время как семейство EPCOS B32798 пленочных конденсаторов (которое включает в себя конденсаторы емкостью от 18 мкФ до 75 мкФ и напряжением от 250 В до 400 В) рассчитано на срок службы 60 000 часов.

Рисунок 1 – Вздутие электролитических конденсаторов, которые уже вышли из строя или близки к этому

Похоже, что репутация алюминиевых электролитов как ненадежных устройств на самом деле оправдана. Но действительно ли это так?

Оценка срока службы компонентов

Для правильной оценки продолжительности жизни компонента требуется больше, чем просто посмотреть на заявленный срок службы. Влияние воздействий (тепло, ток, напряжения), которые будет испытывать устройство во время работы, также должно быть включено в анализ. Оказывается, что номинальный срок службы обычно указывается для случаев при довольно сильном воздействии.

Если устройство будет использоваться при более низких температурах, напряжении или токе, срок службы может быть пересчитан. Этот перерасчет учитывает реальные рабочие температуру, напряжение и ток, и часто, если эти параметры ниже номинальных, пересчитанный срок службы будет во много раз длиннее номинального срока службы.

Производители конденсаторов, как правило, предоставляют расчеты и графики на основе своих исследований и полевых испытаний. Часто эти вычисления не включаются в техническое описание компонента, а вместо этого находятся в отдельном документе характеристик конденсатора (причина этого, вероятно, в том, что тогда в техническое описание пришлось бы включить слишком много дополнительной информации).

Определение понятия «выход из строя» для конденсатора

Первое, что нужно определить, как производитель определяет, что конденсатор вышел из строя. Выход из строя обычно не определяется как «больше не работает» – он обычно определяется как определенное процентное изменение характеристик конденсатора. Это определение важно знать, чтобы можно было провести между конденсаторами надлежащее сравнение.

Например, Vishay для своих алюминиевых электролитов использует стандарт CECC 30301, который определяет конец срока службы, как момент, когда емкость снизилась на 30%, коэффициент рассеяния превышает более, чем в 3 раза, верхний предел, или импеданс более, чем в 3 раза, выше установленного предела. Между тем, TDK определяет конец срока службы своих пленочных конденсаторов серии B32798, как момент, когда емкость уменьшилась на 10%, коэффициент рассеяния превысил более, чем в 4 раза, верхний предел, или сопротивление изоляции упало ниже 1500 МОм.

Рисунок 2 – Неисправный конденсатор не всегда выглядит так

Определение метода «пересчета» для конденсатора

Во-вторых, необходимо определить, как производитель пересчитывает срок службы компонента. В общем случае конденсаторы (и многие другие устройства) могут быть пересчитаны следующим образом:

• срок_{реальный} – это ожидаемый срок службы при рабочих температуре, напряжении и токе;
• срок_{заявленный} – это ожидаемый срок службы при номинальных температуре, напряжении и токе;
• K_{температуры} : для обоих типов конденсаторов (и для алюминиевых электролитических, и для пленочных) снижение температуры на 10°C приводит к удвоению ожидаемого срока службы. Таким образом, температурный коэффициент составляет (2^<0.1(T_m-T_c)>) . Где Tm – это номинальная температура, а Tc – это рабочая температура;
• K_{напряжения} увеличивает срок службы, поскольку рабочее напряжение ниже максимального номинального напряжения. По данным United Chemi-Con напряжение гораздо меньше влияет на срок службы алюминиевых электролитов (если оно не превышает номинальный максимум);
• K_тока увеличивает срок службы, поскольку рабочий ток ниже максимального номинального тока. На алюминиевые электролиты ток оказывает более существенное влияние, чем на пленочные конденсаторы, из-за их высокого эквивалентного последовательного сопротивления (ESR). Потери мощности, вызванные ESR, будут равны (I<_^<2>>R_) , и все эти потери мощности приводят к самонагреванию, что повлияет на срок службы.

Выполнение расчета срока службы: пример выбора конденсатора

Вооружившись этими формулой и коэффициентами, можно провести надлежащее сравнение сроков службы у разных конденсаторов. Чтобы проиллюстрировать это сравнение, давайте посмотрим конкретный пример.

Предположим, что мы проектируем выпрямитель для системы зарядки аккумулятора. Эта аккумуляторная система работает при постоянном напряжении 400 В, и мы определили, что нам для фильтрации нужен конденсатор емкостью 300 мкФ. После некоторых исследований по подбору компонентов, которые отвечают этим требованиям к напряжению и емкости, а также имеют наилучшую комбинацию размера и стоимости, мы находим два возможных решения.

Мы можем использовать три алюминиевых электролитических конденсатора по 100 мкФ от United Chemi-Con (номер детали EKXG451ELL101MM40S) или четыре пленочных конденсатора по 75 мкФ (номер детали B32798G2756K). Компромисс между двумя этими вариантами заключается в том, что алюминиевые электролиты будут стоить около $10, но будут иметь номинальный срок службы 10 000 часов, в то время как пленочные конденсаторы будут стоить около $120, но будут иметь номинальный срок службы 60 000 часов.

Если нам понадобится, чтобы это зарядное устройство проработало не менее четырех лет, похоже, что придется выбрать более дорогой вариант.

Надеемся на перерасчет срока службы

Но постойте! Мы не должны опираться на этот номинальный срок службы, потому что система будет работать при температуре и напряжении ниже номиналов, указанных для конденсаторов. Это означает, что мы можем пересчитать ожидаемый срок службы, и он на самом деле будет больше.

Еще раз, формула пересчета срока службы конденсатора:

Для простоты предположим, что коэффициент напряжения и коэффициент тока равны 1 (вероятно, они больше 1), и перерасчет зависит только от температуры. Если пересчитанный срок службы еще не достаточно большой, мы можем подставить коэффициенты напряжения и тока, чтобы выполнить еще более точный расчет.

Номинальная температура обоих конденсаторов составляет 105°C, поэтому, если рабочая температура оценивается в 75°C (что очень много для подобной системы), разница между номинальной и рабочей температурами составит 30°C.

Эта разница в 30°C приводит к тому, что срок службы трижды увеличится в два раза. Другими словами, реальный срок службы будет в 2 3 = 8 раз больше номинального срока службы. Для алюминиевых электролитических конденсаторов это означает, что ожидаемый срок службы составит 80 000 часов, что составляет 9 лет непрерывной работы.

Заключение

Алюминиевые электролитические конденсаторы имеют репутацию ненадежных компонентов с небольшим сроком службы. Эта репутация оправдана, если вы смотрите только на номинальный срок службы, но реальные условия работы часто намного более благоприятны по сравнению с номинальными.

Эти лучшие условия означают, что оценка срока службы может быть увеличена (пересчитана). При правильном выборе (с учетом номинальной температуры, напряжения и тока) можно подобрать компоненты, у которых фактические сроки службы намного превышают сроки, указанные в технических описаниях. Этот перерасчет срока службы может позволить нам найти алюминиевые электролитические конденсаторы, которые могут действительно соответствовать требованиям к ожидаемому сроку службы для большинства систем.