Электролитический конденсатор: история, производство, конструкция

Содержание

Почему однофазный электродвигатель запускают через конденсатор

Статор электродвигателя с единственной обмоткой при пропускании переменного тока не сможет начать вращение, а лишь начнет подрагивать. Чтобы начать вращение, перпендикулярно основной обмотке размещают пусковую. В цепь этой обмотки включают компонент для сдвига фазы, такой, как конденсатор. Электромагнитные поля этих двух обмоток, прикладываемые к ротору со сдвигом по фазе, и обеспечат начало вращения.

https://youtube.com/watch?v=Ne4ccjbUY9M

В трехфазном двигателе обмотки и так размещены под углами 120 ° . Соответственно сориентированы и наводимые ими в роторе электромагнитные поля. Для начала вращения достаточно обеспечить сдвиг их работы по фазе, чтобы обеспечить пусковой момент вращения.

Подразделения конденсаторов по возможности изменения емкости

По данному параметру детали этой категории делят на:

Специфические названия определяют главные конструктивные особенности, целевое назначение. Типовой постоянный конденсатор создают из проводящих обкладок, свернутых в рулон для уменьшения габаритов. Между ними устанавливают диэлектрик. Сборку помещают в металлический корпус или заливают полимером для обеспечения необходимых параметров защищенности.

В переменных и подстроечных моделях применяют наборы из пластин с механическим приводом. Изменением положения рабочих элементов устанавливают необходимое значение емкости. Каждое изделие рассчитано на определенный диапазон рабочих параметров. Такие конденсаторы применяют для точной настройки колебательного контура. Их устанавливают в радиоэлектронных блоках, чтобы регулировать отдельные рабочие параметры в процессе эксплуатации.

Виды

«Электролиты» подразделяются на следующие типы элементов:

алюминиевые;
танталовые;
ниобиевые.

Каждый из видов рассчитан на определённые условия работы.

Алюминиевые электролитические конденсаторы (ЭК)

Алюминиевый ЭК включает в себя две ленты из алюминиевой фольги и бумагу, пропитанную электролитом. Всё это свёрнуто в рулон и помещено в металлический корпус. Диэлектрик в этой детали – окись алюминия. Чтобы увеличить площадь поверхности, фольгу протравливают в электролите под напряжением. При этом ёмкость увеличивается многократно. Конструкция герметически уплотняется резиновыми прокладками.

К сведению. Вторая полоска фольги нужна для улучшения контакта с электролитом (катодом) и для формирования минусового вывода.

Танталовые конденсаторы

Размер таких ЭК маленький, что позволяет использовать их в печатных платах с навесным монтажом. В качестве анода применяется тантал. У него пористая структура, даёт большую рабочую площадь. Диэлектриком является оксид того же тантала – Та2О5. Слой формируют, помещая заготовку в раствор кислоты с высокой температурой, после чего пропускают через них ток. Регулируя силу тока, контролируют толщину плёнки. Катодом служит диоксид марганца. Заготовку замачивают в растворе Mn(NO3)2 (нитрат марганца) и сушат.

Интересно. Катодный вывод делают, покрывая слой диоксида марганца графитом, его, в свою очередь, – слоем серебра. После чего к серебру припаивают отвод для установки выводов элемента в отверстия на плате. При изготовлении полярных SMD-конденсаторов формуют вывод-контакт из посеребрённой эпоксидной смолы.

Танталовый ЭК

Ниобиевые конденсаторы

В элементах этого типа в качестве анода используют ниобий. Остальная технология и свойства таких двухполюсников схожи с танталовыми собратьями.

Ниобиевый ЭК

Общая концепция

Конденсатор состоит из двух проводящих обкладок и диэлектрика между ними. И все, больше ничего. С виду простая радиодеталь, но работает на высоких и низких частотах по-разному.
Обозначается на схеме двумя параллельными линиями.

Принцип работы

Эта радиодеталь хорошо демонстрирует явление электростатической индукции. Разберем на примере.

Если подключить к конденсатору постоянный источник тока, то в начальный момент времени ток начнет скапливаться на обкладках конденсатора. Это происходит за счет электростатической индукции. Сопротивление практически равно нулю.

Электрическое поле за счет электростатической индукции притягивает разноименные заряды на две противоположные обкладки. Это свойство материи называется емкостью. Емкость есть у всех материалов. И даже у диэлектриков, но у проводников она значительно больше. Поэтому обкладки конденсатора выполнены из проводника.

Основное свойство конденсатора — это емкость. Она зависит от площади пластин, расстояния между ними и материала диэлектрика, которым заполняют пространство между обкладками.

По мере накопления зарядов, поле начинает ослабевать, а сопротивление нарастает. Почему так происходит? Места на обкладках все меньше, одноименные заряды на них действуют друг на друга, а напряжение на конденсаторе становится равным источнику тока. Такое сопротивление называется реактивным, или емкостным. Оно зависит от частоты тока, емкости радиодеталей и проводов.

Когда на обкладках не останется места для электрического тока, то и ток в цепи прекратится. Электростатическая индукция пропадает. Теперь остается электрическое поле, которое держит заряды на своих обкладках и не отпускает их. А электрическому току некуда деваться. Напряжение на конденсаторе станет равным ЭДС (напряжению) источнику тока.

А что будет, если повысить ЭДС (напряжение) источника тока? Электрическое поле начнет все сильнее давить на диэлектрик, поскольку места на обкладках уже нет. Но если напряжение на конденсаторе превысит допустимые знания, то диэлектрик пробьет. И конденсатор станет проводником, заряды освободятся, и ток пойдет по цепи. Как тогда использовать конденсатор для высоких напряжений? Можно увеличить размер диэлектрика и расстояние между обкладками, но при этом уменьшается емкость детали.

Между обкладками находится диэлектрик, который препятствует прохождению постоянного тока. Это именно барьер для постоянного тока. Потому, что постоянный ток создает и постоянное напряжение. А постоянное напряжение может создавать электростатическую индукцию только при замыкании цепи, то есть, когда конденсатор заряжается.

Так конденсатор может сохранять энергию до тех пор, пока к нему не подключится потребитель.

Конденсатор и цепь постоянного тока

Добавим в схему лампочку. Она загорится только во время зарядки.
Еще одна важная особенность — когда происходит процесс зарядки током, то напряжение отстает от тока. Напряжение как бы догоняет ток, поскольку сопротивление нарастает плавно, по мере зарядки. Электрические зарядам нужно время, чтобы переместиться к обкладкам конденсатора. Так называется время зарядки. Оно зависит от емкости, частоты и напряжения.

По мере зарядки, лампочка начинает тусклее светиться.

Лампочка затухает при полной зарядке.

Постоянный электрический ток не проходит через конденсатор только после его зарядки.

Цепь с переменным током

А что если поменять полярность на источнике тока? Тогда конденсатор начнет разряжаться, и снова заряжаться, поскольку меняется полярность источника.

Электростатическая индукция возникает постоянно, если электрический ток переменный. Каждый раз, когда ток начинает менять свое направление, начинается процесс зарядки и разрядки.

Поэтому, конденсатор пропускает переменный электрический ток.

Чем выше частота — тем меньше реактивное (емкостное) сопротивление конденсатора.

Принцип работы и характеристики конденсаторов

Устройство конденсатора представляет собой две металлические пластинки-обкладки, разделенные тонким слоем диэлектрика. Соотношение размеров и расположения обкладок и характеристика материала диэлектрика определяет показатель емкости.

Разработка конструкции любого типа конденсатора преследует целью получение максимальной емкости в расчете на минимальные размеры для экономии пространства на печатной плате устройства. Одна из наиболее популярных по внешнему виду форм — в виде бочонка, внутри которого скручены металлические обкладки с диэлектриком между ними. Первый конденсатор, изобретенный в городе Лейдене (Нидерланды) в 1745 году, получил название «Лейденской банки».

Принципом работы компонента является способность заряжаться и разряжаться. Зарядка возможна благодаря нахождению обкладок на малом расстоянии друг от друга. Близкорасположенные заряды, разделенные диэлектриком, притягиваются друг к другу и задерживаются на обкладках, а сам конденсатор таким образом хранит энергию. После отключения источника питания компонент готов к отдаче энергии в цепи, разряду.

Параметры и свойства, определяющие рабочие характеристики, качество и долговечность работы:

электрическая емкость;
удельная емкость;
допускаемое отклонение;
электрическая прочность;
собственная индуктивность;
диэлектрическая абсорбция;
потери;
стабильность;
надежность.

Способность накапливать заряд определяет электрическую емкость конденсатора. При расчете емкости нужно знать:

площадь обкладок;
расстояние между обкладками;
диэлектрическую проницаемость материала диэлектрика.

Для повышения емкости нужно увеличить площадь обкладок, уменьшить расстояние между ними и использовать диэлектрик, материал которого обладает высокой диэлектрической проницаемостью.

Для обозначения емкости используется Фарад (Ф) — единица измерения, получившая свое название в честь английского физика Майкла Фарадея. Однако 1 Фарад — слишком большая величина. Например, емкость нашей планеты составляет менее 1 Фарада. В радиоэлектронике используются меньшие значения: микрофарад (мкФ, миллионная доля Фарада) и пикофарад (пФ, миллионная доля микрофарада).

Watch this video on YouTube

Удельная емкость рассчитывается из отношения емкости к массе (объему) диэлектрика. На этот показатель влияют геометрические размеры, и повышение удельной емкости достигается за счет снижения объема диэлектрика, но при этом повышается опасность пробоя.

Допускаемое отклонение паспортной величины емкости от фактической определяет класс точности. Согласно ГОСТу, существует 5 классов точности, определяющих будущее использование. Компоненты высшего класса точности применяются в цепях высокой ответственности.

Электрическая прочность определяет способность удерживать заряд и сохранять рабочие свойства. Заряды, сохраняющиеся на обкладках, стремятся друг к другу, воздействуя на диэлектрик

Электрическая прочность — важное свойство конденсатора, определяющее длительность его использования. В случае неправильной эксплуатации произойдет пробой диэлектрика и выход компонента из строя

Собственная индуктивность учитывается в цепях переменного тока с катушками индуктивности. Для цепей постоянного тока не берется в расчет.

Диэлектрическая абсорбция — появление напряжения на обкладках при быстром разряде. Явление абсорбции учитывается для безопасной эксплуатации высоковольтных электрических устройств, т.к. при коротком замыкании существует опасность для жизни.

Потери обусловлены малым пропусканием тока диэлектриком. При эксплуатации компонентов электронных устройств в разных температурных условиях и разной влажности свое влияние оказывает показатель добротности потерь. На него также влияет рабочая частота. На низких частотах сказываются потери в диэлектрике, на высоких — в металле.

Стабильность — параметр конденсатора, на который также оказывает влияние температура окружающей среды. Ее воздействия делятся на обратимые, характеризуемые температурным коэффициентом, и необратимые, характеризуемые коэффициентом температурной нестабильности.

Надежность работы конденсатора в первую очередь зависит от условий эксплуатации. Анализ поломок говорит о том, что в 80% случаев причиной выхода из строя является пробой.

В зависимости от назначения, типа и области применения различаются и размеры конденсаторов. Самые маленькие и миниатюрные, размерами от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, используются в электронике, а самые крупные — в промышленности.

Преимущества и недостатки

Преимущества электролитических конденсаторов:

Большая емкость;
Компактность.

Недостатки:

Со временем электролит высыхает, теряется емкость;
Работает только на низких частотах;
Ограничения по эксплуатационным условиям и риск вздутия/взрыва.

Разберём подробнее преимущества и недостатки электролитов.

Большая емкость

Электролитические конденсаторы обладают большой емкостью, и это их отличительная и самая главная особенность среди остальных конденсаторов.

Емкость обозначается в микрофарадах (мкФ), поскольку электролиты с меньшими значениями не выпускают.

Они обычно выпускаются от нескольких мкФ, до нескольких Ф (1 000 000 мкФ).

Компактность

Благодаря химическим источникам, конденсаторы большой емкости намного компактнее, чем если бы их делали керамическими или пленочными.

Емкость конденсатора можно увеличить только за счет его обкладок, диэлектрика и геометрии. Поэтому электролиты лидируют по соотношению емкость/габариты.

Ионисторы

Разновидность электролитических конденсаторов — это ионисторы. Они обладают большей емкостью (например, 3000 Ф), и работают в основном как резервный или автономный низковольтный источник питания схемы. А также поддерживает схему в спящем режиме без другого источника.

Высыхание электролита

Основная проблема таких конденсаторов – это высыхание электролита. Обычно такая проблема проявляется из-за того, что техникой долго не пользуются или нарушаются условия эксплуатации (перегрев корпуса). Из-за этого электролит начинает высыхать, поэтому происходит потеря емкости.

Можно восстановить емкость конденсатора путем разбавления засохшего электролита дистиллированной водой (как аккумулятор), но это не выгодно. Лучше и надежнее всего заменить старый на новый, аналогичный по параметрам.

Работа на низких частотах

Это скорее особенность, чем недостаток. Большие емкости — это высокое реактивное сопротивление для высоких частот.

Поэтому, такие конденсаторы используются в низкочастотных цепях. Например, в блоках питания в качестве фильтров и сглаживания пульсаций.

Когда конденсатор вздувается и взрывается

Так как конденсаторы такого типа являются химическими источниками, то необходимо соблюдать полярность подключения.

Если вы подключите минус источника к плюсу конденсатора и плюс источника к минусу конденсатора, то сразу же начнется вскипание электролита. Такой эффект возникает из-за обратной химической реакции. Конденсатор может взорваться.

В старых конденсаторах типа К-50 корпус монолитный, и он взрывался громко и достаточно разрушительно.

В современных электролитах на корпусе есть небольшой надрез, который в случае вскипания электролита позволяет горячему пару выйти наружу.

Иногда они просто вдуваются без нарушения герметизации, а бывают и такие случаи, когда конденсатор полностью теряет герметичность.

На корпусах современных конденсаторов вертикальной чертой указывается минусовой контакт.

Внимательно устанавливайте и записывайте прежнее положение, ибо многие производители ставят свои обозначения.

Например, среди радиолюбителей обычно минусовые контакты рисуют в виде квадрата.

А производители печатных плат наоборот, рисуют квадратные контактные площадки под плюс конденсатора. И то, так делают не все.

Так как есть такая путаница среди и радиолюбителей и производителей, всегда обращайте на то. где указан плюсовой контакт. И записывайте прежнее положение детали, иначе это чревато взрывом.

Виды и классификация конденсаторов

Конденсаторы различных типов приспособлены к разным условиям работы, направлены на выполнение определенных задач и обладают различными побочными эффектами.

Основной признак, по которому классифицируют конденсатор, – это вид диэлектрика. Именно диэлектрический материал определяет многие характеристики конденсатора.

Электролитические конденсаторы

В электролитических конденсаторах анодом служит металлическая пластина, диэлектриком – оксидная пленка, а катодом – твердый, жидкий или гелеобразный электролит. Наличие гелеобразного электролита делает устройство полярным, то есть ток через него может протекать только в одном направлении. Представители этого семейства – алюминиевые и танталовые конденсаторы.

Алюминиевые электролитические конденсаторы имеют емкость от 0,1 до нескольких тысяч мкФ. Обычно они применяются на звуковых частотах. Электрохимическая ячейка плотно упакована, что обеспечивает большую эффективную индуктивность, которая не позволяет использовать алюминиевые накопители на сверхвысоких частотах.

В танталовых конденсаторах катод изготавливается из диоксида марганца. Сочетание значительной площади поверхности анода и диэлектрических характеристик оксида тантала обеспечивает высокую удельную емкость (емкость в единице объема или массы диэлектрика). Это значит, что танталовые конденсаторы гораздо компактнее алюминиевых такой же емкости.

У танталовых конденсаторов есть свои недостатки. Устройства ранних поколений грешат отказами, возможны возгорания. Они могут произойти при подаче слишком высокого пускового тока, который меняет структурное состояние диэлектрика. Дело в том, что оксид тантала в аморфном состоянии является хорошим диэлектриком. При подаче большого пускового тока оксид тантала из аморфного состояния переходит в кристаллическое и превращается в проводник. Кристаллический оксид тантала еще больше увеличивает силу тока, что и приводит к возгоранию. Современные танталовые конденсаторы производятся по передовым технологиям и практически не дают отказов, не вздуваются, не возгораются.

Пленочные и металлопленочные конденсаторы

Пленочные конденсаторы имеют диэлектрический слой из полимерной пленки, расположенный между слоями металлофольги.

Такие устройства имеют небольшую емкость (от 100 пФ до нескольких мкФ), но могут работать при высоких напряжениях – до 1000 В.

Существует целое семейство пленочных конденсаторов, но для всех видов характерны небольшие емкость и индуктивность. Благодаря малой индуктивности, эти приборы используются в высокочастотных схемах.

Основные различия между конденсаторами с разными типами пленок:

Керамические конденсаторы

В керамических конденсаторах в качестве диэлектрика используются керамические пластины.

Керамические конденсаторы отличаются небольшой емкостью – от одного пФ до нескольких десятков мкФ.

Керамика имеет пьезоэлектрический эффект (способность диэлектрика поляризоваться под воздействием механических усилий), поэтому некоторые виды этих конденсаторов обладают микрофонным эффектом. Это нежелательное явление, при котором часть электроцепи воспринимает вибрации, как микрофон, что становится причиной помех.

Бумажные и металлобумажные конденсаторы

В качестве диэлектрика в этих конденсаторах используется бумага, часто промасленная. Устройства с промасленной бумагой отличаются большими размерами. Модели с непромасленной бумагой более компактны, но они имеют существенный недостаток – увеличивают энергопотери под воздействием влаги даже в герметичной упаковке. В последнее время эти детали используются редко.

Использование электролитических конденсаторов

Конденсаторы с диэлектриком из бумаги отличаются малой удельной емкостью и значительными габаритами. Для двигателя даже не самой большой мощности они будут занимать много места. Теоретически их можно заменить электролитическими, обладающими в несколько раз более высокой удельной емкостью.

Разновидности устройства электролитического конденсатора

Для этого электрическую схему придется дополнить несколькими элементами: диодами и резисторами. Такой вариант неплох для эпизодически работающего двигателя. Если же планируются продолжительные нагрузки, то от экономии места и веса лучше отказаться — при случайном выходе диода из строя он начнет пропускать на накопитель переменный ток, что приведет к его пробою и взрыву.

Выходом могут служить полипропиленовые конденсаторы с металлическим напылением серии СВВ, разработанные для использования в качестве пусковых.

Простые способы подключения электродвигателя

Самый простой способ подключения трехфазного электродвигателя к бытовой электросети – применение частотного преобразователя. Потери мощности будут минимальны, но стоит такое устройство зачастую дороже самого двигателя.

Частотный преобразователь станет экономически эффективным лишь при большом объеме использования оборудования.

При другом способе для преобразования питающего напряжения используется обмотка самого асинхронного электродвигателя. Схема получится громоздкая и массивная. Конденсатор для запуска электродвигателя подключают по одной из двух популярных схем

Подключение двигателя по схемам «звезда» и «треугольник»

При реализации подключения этими способами важно свести к минимуму потери по мощности

Как подключать конденсаторы

Подключение любого вида конденсаторов должно производиться по точной схеме. Рабочий конденсатор подключается снизу, а пусковой выше параллельно ем.

Кроме того, важно не забыть подключить кнопку пуска, при этом следите за последовательностью проводов

При помощи такой схемы можно подключать и конденсаторы на проверку. При суммировании мощностей рабочего и пускового конденсаторов будет получаться, что мощность меняется.

Здесь уже требуется наблюдать за состоянием работы непосредственно самого электродвигателя. Если он работает хорошо, то выбрана нужная мощность.

Также можно подключать последовательно несколько конденсаторов пускового типа и смотреть за двигателем.

Конденсаторы в промышленности

Применение конденсаторов в промышленности

Конденсатор представляет собой пассивный радиоэлектронный компонент, двухполюсный, имеющий определенное или переменное значение емкости, малую проводимость, способен накапливать заряд и энергию электро поля, или же проще – в нужный момент заряжаться или разряжаться. Переводится с латыни, как уплотнитель, загуститель (не в смысле пищевой промышленности, конечно). Самый конструкционно простой вариант конденсаторов – это два электрода в виде пластин (обкладки), которые разделены диэлектрическим компонентом очень малой толщины по сравнению с обкладками. Конденсаторы, используемые на практике, в промышленности состоят из многих диэлектрических слоев и многослойных электродов, могут быть в виде ленты, цилиндра, параллелепипеда.

Прототипом современных конденсаторов считается «лейденская банка». Такое название данный «прибор» получил по названию города, где и было создано первое устройство, похожее на конденсатор, каноником Эвальдом Юргеном фон Клейстом. А почему банка – элементарно, приборчик и был обычной банкой, обернутой фольгой, закрытой деревянной крышкой, с воткнутыми металлическими стержнями. Но известно, что еще немногим раньше Эпинус создал свой конденсатор с двумя проводниками, разделенными диэлектриком.

Промышленное использование конденсаторов в радиотехнике, электронике и прочих областях достаточно обширно. Любая электрическая, электронная схема содержит этот важный радиоэлектронный компонент. Конденсатор можно смело именовать основой радиоэлектронной промышленности.

Применение конденсаторов в различных областях промышленного производства

Современная электронная, радиотехническая промышленность, как и в прошлые года прошлого века остро нуждается в конденсаторах. Применение их широко и разнообразно. Вот малая толика сфер, где применяются приборы, содержащие конденсаторы:

Телевизионная и радиотехническая аппаратура и оборудование. Здесь данный радиоэлектронный компонент необходим, чтобы реализовывать колебательные контуры, блокировать их, а также для настройки оборудования, его правильной работы. Применяют также, чтобы разделять разно частотные цепи. Выпрямительные фильтры также не работают без конденсаторов.

В радиолокации. Без использования конденсаторов практически невозможно сформировать импульсы значительной мощности.

Телеграф, телефон, телефония, в том числе и мобильная. В этом случае кондеры нужны, чтобы разделить цепи, по которым идет постоянный/переменный токи, разно частотные электро токи, при симметрировании различных кабелей, для гашения искры в контактах.

Телемеханика, автоматика – реализация некоторых датчиков, работающих по емкостному принципу. Конденсаторы в этой сфере разделяют цепи, по которым идет пульсирующий/постоянный токи, также для гашения искры. Тиатронные импульсные генераторы содержат конденсаторы.

Электронно-вычислительные машины современного образца, прочие счетные устройства, специальные запоминающие устройства.

Электронная, измерительная аппаратура и оборудование. Здесь, конденсаторы применяют, чтобы получать образцы емкости, создавать переменные емкости, например, лабораторные приборы переменной емкости, создание измерительного оборудования, имеющего емкостную основу.

Особую важность имеет использование конденсаторов в лазерных приборах. В этом случае этот РЭК помогает формировать мощные импульсы

Конденсаторы чрезвычайно необходимы в электроэнергетической сфере. Их применяют, когда необходимо:

Повысить коэффициент мощности в промышленных установках.
Создать продольную компенсационную емкость линий высоковольтных электрических передач.
Регулировать напряжение в распределительной сети.
Защищать сеть от перенапряжения.
Гасить возможные радиопомехи, которые могут создавать электрооборудование и электротранспорт.

Кроме того, конденсаторы применяют и в не электротехнических сферах народного хозяйства и технического производства. В металлопромышленности РЭК позволяет обеспечивать стабильную работу в высокочастотных установках, используемых при плавке и термообработке различных металлов.

Угольная промышленность, добыча руд и металлов – в этом случае, конденсаторы применяются в оборудовании и транспорте, помогающем добывать эти полезные ископаемые, ну и электровзрывные устройства тоже имеют в своем составе столь «волшебные» кондеры.

Вообще-то, можно сделать простой вывод – практически любое устройство, оборудование, транспорт, приборы – везде, во всех сферах применяются конденсаторы.

Электролитический конденсатор