183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195

Раздел 16 Импульсные источники питания

Выбор пассивных компонентов

Алюминиевые электролитические конденсаторы

Алюминиевые электролитические конденсаторы производятся по самой «старой» и наиболее широко распространённой технологии. Они лучше всего подходят для использования в первичном источнике автономного сетевого источника питания. Электролитические конденсаторы имеют высокую ёмкость, большое номинальное напряжение, малые габариты и применяются в цепях питания и на звуковых частотах. Такие характеристики относятся к несомненным достоинствам алюминиевых электролитов.

Все алюминиевые электролитические конденсаторы представляют собой «сэндвич», состоящий из слоя алюминиевой фольги (анод конденсатора), бумажной прокладки, ещё одного слоя алюминиевой фольги (катод конденсатора) и ещё одного слоя бумаги. Этот «сэндвич» сворачивается в рулон и помещается в герметичный контейнер. Для подключения к внешней цепи к анодному и катодному фольгированным слоям привариваются проводники. Кроме того, катодный и анодный слои алюминиевой фольги химически протравливаются с целью увеличения площади их поверхности и соответственно ёмкости конденсатора. При этом ёмкость высоковольтных конденсаторов возрастает примерно в 20 раз, а низковольтных конденсаторов — даже в 100 раз. Диэлектрик в алюминиевом электролитическом конденсаторе представляет собой слой оксида алюминия, образованный на поверхности «анодной» фольги. От глубины оксидирования зависят номинальное напряжение и ёмкость конденсатора. Оксидный слой формируется следующим методом: алюминиевая фольга помещается в раствор находящегося под электрическим напряжением электролита и протягивается через него. Катодный слой протравливается, чтобы улучшить электрический контакт с жидким электролитом. Жидкий электролит обычно служит отрицательным выводом конденсатора.

Сэндвич сворачивается в рулон, который затем погружается в электролит, состоящий из растворителя и солей. Растворителем обычно служат этиленгликоль, диметилформальдегид или гаммабутиролацетон, а в качестве соли используются борат аммония или другие соли аммония. Тип применяемого растворителя определяет температурные характеристики конденсатора. После того как рулон впитает в себя жидкий электролит, он помещается в алюминиевую банку. Небольшие конденсаторы производятся с резиновой пробкой внизу банки, чтобы закупорить электролит и обеспечить защитный отвод. Большие конденсаторы имеют фенопластовый или нейлоновый колпачок с уплотнительным кольцом для герметизации. Пластиковый уплотнитель обычно имеет защитный дренаж1. Защитный дренаж может быть также создан рифлением алюминиевой банки, чтобы в банке образовывались трещины по линиям насечки. Электрические контакты выводятся через нижний уплотнитель конденсатора. Присутствие в электролите небольшого количества воды позволяет конденсатору самовосстанавливаться после электрического пробоя. При пробое внутри конденсатора протекает большой ток, который разлагает воду на водород и кислород. Кислород реагирует с алюминием, заново создавая оксидный слой и восстанавливая конденсатор, а водород выходит в атмосферу через защитный дренаж.

Главной причиной выхода из строя алюминиевого электролитического конденсатора является его перегрев. Когда температура конденсатора достигает точки кипения электролита, внутреннее давление возрастает и некоторое количество электролита уходит наружу через дренаж. Вследствие потери электролита увеличивается ЭПС, что становится причиной ещё большего разогрева. Эта положительная обратная связь приводит к быстрому выходу конденсатора из строя. Вследствие потери электролита в электролитических конденсаторах происходит обрыв цепи.

Диод в эквивалентной схеме фактически работает как стабилитрон. Когда напряжение превышает номинальное значение, конденсатор постепенно начинает проводить ток и напряжение остаётся относительно постоянным. Протекание тока вызывает повышение температуры, что в свою очередь приводит к выходу конденсатора из строя. Обратное напряжение пробоя эквивалентного диода составляет около 1.5 В, и если сместить конденсатор в обратном направлении на эту или большую величину, то это приведёт к выходу его из строя по причине перегрева.

Диэлектрическая проницаемость оксидного слоя падает с ростом частоты, поэтому ёмкость также снижается. ЭПС конденсатора в основном зависит от свойств электролита. ЭПС снижается с ростом частоты и температуры.
Большое влияние на ЭПС и ёмкость конденсатора оказывают низкие температуры. ЭПС при температуре —40°С обычно возрастает в 100 раз. Снижение ёмкости при температуре —40°С может составлять до 40% в зависимости от характеристик конденсатора. Увеличение ЭПС в свою очередь снижает предельно допустимый ток пульсаций конденсатора.

Надёжность импульсных и входных сетевых фильтрующих конденсаторов в первую очередь зависит от их предельно допустимого тока пульсаций. Ток пульсаций, текущий в ЭПС, разогревает конденсатор. Конденсатор, работающий на пределе своих температурных возможностей, может продержаться неделю-две и выйти из строя. Важно при выборе алюминиевого электролита уметь пользоваться взятыми из справочных данных производителя графиками расчёта срока службы, чтобы быть уверенными в том, что источник питания удовлетворит требованиям надёжности. Обычно конденсатор с номинальной температурой 85°С имеет при такой температуре срок службы 2000 часов. Для того чтобы получить срок непрерывной службы несколько лет, максимальную рабочую температуру для этого конденсатора необходимо значительно снизить. Многие производители выпускают серии конденсаторов, предназначенных для работы при повышенной температуре. Обычно там, где максимальная температура составляет 80°С, используют конденсатор с номинальной температурой 105°С. Работа конденсатора при температуре на 25°С ниже номинальной повышает срок его службы в 1000 раз.

Алюминиевые электролитические конденсаторы обычно не выпускаются для поверхностного монтажа. При пайке электролит может закипеть, и образующиеся вследствие этого химически активные вещества будут разъедать корпус. Некоторые производители всё же выпускают электролитические конденсаторы для поверхностного монтажа, но с очень строгими требованиями к процессу автоматической пайки.

Индуктивность алюминиевых электролитов в первую очередь обусловливается индуктивностью выводов. Самую низкую ЭПИ (порядка 20 нГн) имеют конденсаторы с монтажом на поверхность, а самые большие значения ЭПИ — у компонентов с аксиальными2 выводами (порядка 200 нГн) ЭПИ обычно не принимается во внимание, так как преобладающее влияние на полное сопротивление конденсатора оказывает его ЭПС.

1 Для отвода газов, возникающих в процессе электрохимических реакций в электролите.

2 То есть осевыми — когда выводы конденсатора расположены на одной оси с противоположных торцов цилиндрического корпуса.

183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195