Цим словом в середовищі розробників електронної техніки зазвичай іменують комплектуючі вироби, які вважаються тривіальними, тобто давно відомими і застосовуються широко Зазвичай таким елементам в літературі не приділяють достатньої уваги Це насамперед випрямні діоди і діодні модулі, конденсатори, резистори і т д Бути може, нам теж має сенс піддатися загальній тенденції і відіслати читача до сайтів виробників і торгуючим фірмам Давайте все-таки не будемо поспішати: розмова цей не тільки можливий, а й принципово важливий, оскільки працездатність статичних перетворювачів електроенергії в значній мірі залежить від того, які саме елементи, що входять в клас «рассипухі», будуть обрані при проектуванні

Розмова про ці тривіальних компонентах ми почнемо з силових електролітичних конденсаторів Традиційно цей елемент використовується у вхідному ланці силової схеми статичних перетворювачів в якості фільтра пульсацій мережевої напруги (рис 271)

Рис 271 Фільтруючі конденсатори у складі статичного перетворювача

Обкладки конденсатора (катод і анод) виготовляються з алюмінієвої стрічки, між обкладинками прокладена спеціальна електролітична папір, просочений рідким електролітом Одна з обкладок має дуже тонкий шар оксиду алюмінію, що зявляється в результаті електролітичного окислення і що є діелектриком Цей оксидний шар має властивість односторонньої провідності, але в певному напрямку додатки електричного потенціалу він володіє відмінними діелектричними властивостями, а також малою товщиною, що дозволяє виготовляти конденсатори великих ємностей з невеликими розмірами Пристрій звичайного електролітичного конденсатора графічно ілюстровано на рис 272

У звязку з вищесказаним, переважна більшість що випускаються промисловістю електролітичних конденсаторів є полярними елементами, і при їх включенні в схему потрібно дотримуватися відповідну полярність Якщо обидві алюмінієві смуги мають на своїй поверхні шар оксиду, конденсатор стане неполярних Такі конденсатори теж серійно випускаються, але примі

Рис 272 Пристрій електролітичного конденсатора

няют їх значно рідше полярних Наприклад, фірма «Hitano» випускає неполярні електролітичні конденсатори серій ENR і ENA, мають діапазон ємностей від 0,47 до 1000 мкФ і робочою напругою до 160 В з температурним діапазоном від мінус 40 до +85 ° С Номенклатура вітчизняних конденсаторів серії K50-68H, що випускаються вітчизняним ВАТ «Елеконд» (гСарапул) [48], скромніше: від 2,2 мкФ до 22 мкФ в діапазоні напруг від 16 до 50 В (в тому ж самому діапазоні робочих температур)

Ємність алюмінієвого електролітичного конденсатора може наближено бути обчислена з наступної формули для плоскопараллельного конденсатора, відомого з шкільного курсу фізики:

де 8 – діелектрична проникність матеріалу діелектрика

S – площа діелектрика

d – товщина діелектрика

Очевидно, щоб досягти більш високої ємності конденсатора, діелектрична проникність і площа діелектрика повинні бути якомога більше, а товщина діелектрика – якомога менше У табл 271 показані значення діелектричних постійних і товщина матеріалів, що використовуються в різних типах конденсаторів

Але тут зявляється одна суттєва технічна проблема: чим тонше діелектрик, тим менше напруга його пробою У разі електролітичного конденсатора товщину діелектрика можна знижувати, розраховуючи її на певний максимальний робочий напруга і знижуючи габарити конденсатора Але чим тольше оксидна плівка, тим більш жорсткі вимоги предявляються до механічної стійкості й до їх надійності, довговічності, терміну служби

Тип конденсатора

Діелектрик

Діелектрична

проникність

Товщина діелектрика, мкм

Алюмінієвий електролітичний конденсатор

Оксид

алюмінію

7..10

0,0013..0,0015

Танталовий електролітичний конденсатор

Оксид танталу

24

0,001..0,0015

Плівковий конденсатор (металізований)

Поліестерна

плівка

3,2

0,5..2,0

Керамічний конденсатор (з високою діелектричної проникністю)

Титанат барію

500..20 000

5,0

Керамічний конденсатор (термокомпенсірованний)

Оксид титану

15..250

5,0

Створення оксидної плівки відбувається за допомогою гальванічного травлення в хлориде алюмінію при пропущенні змінного (АС) або постійного (DC) струму, або поперемінного чергування АС і DC струмів Існує два основних типи травлення: поверхневе травлення, що є в основному продуктом АС електролізу (виконується для конденсаторів з низьким значенням допустимого робочого напруги), і тунельний травлення, виходять в результаті DC електролізу (застосовується для конденсаторів з середнім і високим значенням допустимої напруги) Потім діелектрик поміщається в розчин борної кислоти для очищення поверхонь

Навіщо в електролітичному конденсаторі присутня електроліт Чи не простіше було б окислити обкладки і прокласти між ними сухий папір, згорнувши потім цей «бутерброд» в трубочку Виявляється, так робити не можна Конденсатор, виготовлений подібним способом, буде мати невелику і дуже нестабільну ємність, так як обкладки вийдуть відстають один від одного досить далеко, прилягати вони будуть нерівномірно Тому папір просочується спеціальним електролітом – рідиною, що проводить струм Одна з алюмінієвих обкладок в результаті просочення стає вторинним катодом, а власне катод виходить з паперу, просоченої електролітом Таким чином, в якості діелектрика виступає оксидний шар, і досягається висока ємність конденсатора

До електролітичної рідини для просочення конденсаторного паперу предявляються такі основні вимоги: по-перше, вона повинна володіти хорошими струмопровідними властивостями по-друге, відновлювати дефекти оксидного шару по-третє, – не звертаючи

зовивать хімічної реакції з фольгою анода і катода по-четверте, – не повинна створювати тиск усередині оболонки конденсатора при нормальній роботі З урахуванням наведених вимог розроблені різні типи електролітичних рідин для роботи при різних напругах і різних температурах

Кілька слів про точність витримки номінальних параметрів конденсаторів Стандартний допуск ємності електролітичних конденсаторів звичайно становить ± 20% (група M) і навіть 50%, однак випускаються конденсатори з жорсткішим допуском ± 10% (група К), які слід використовувати обгрунтовано, тобто там, де це дійсно необхідно

Можливо, читач вже задав собі питання – до чого всі ці розповіді про технології виробництва електролітичних конденсаторів Справа в тому, що чистота матеріалу обкладок, якість електролітичної рідини, щільність прилягання просоченого паперу до обкладок – все це впливає на так звані еквівалентні параметри конденсаторів І якщо в багатьох випадках для застосування того чи іншого «електроліту» досить провести його вибір за значенням номінальної ємності і номінальної напруги, то при розробці силової перетворювальної техніки цього явно недостатньо Необхідно брати до уваги ще ряд параметрів, про які ми далі поговоримо

Отже, до групи основних параметрів електролітичних конденсаторів включаються: еквівалентний послідовний опір (ESR) і тангенс кута втрат (tg 5) Ці параметри визначають, по суті, повний імпеданс конденсатора (Z), складові еквівалентної схеми якого наведено на рис 273

На рис 273 позначені: С – власна ємність конденсатора r – опір витоку електроліту R – еквівалентний послідовний опір L – еквівалентна послідовна індуктивність

Рис 273 Еквівалентна схема конденсатора

На низьких частотах (у діапазоні 0,05 .. 1,00 кГц) еквівалентна послідовна індуктивність L зазвичай не враховується в силу своєї незначності, і ESR має чисто активний характер Такий випадок зазвичай зустрічається при використанні конденсаторів для

фільтрації низькочастотних пульсацій напруги Тангенс кута втрат в цьому випадку визначається за формулою

i

Відзначимо, що опір R обумовлено, головним чином, опором фольги обкладок і зовнішніх висновків, а індуктивність L (у деяких випадках вона позначається як ESL) – паразитної індуктивністю обкладок Характер поведінки різних складових повного опору конденсатора залежно від частоти наведено на рис 274

Рис 274 Характер поведінки Xc, Z, X ^ R від частоти

З графіка добре видно, що падіння повного опору конденсатора відбувається до певної частоти, після чого падіння сповільнюється, стабілізується на певному рівні, близькому до активного опору, і починає рости Зростання повного опору відбувається внаслідок наявності індуктивності L Саме тому електролітичні конденсатори погано «працюють» в якості фільтрів на високих частотах, і їх доводиться додатково шунтировать неполярними конденсаторами

При виборі електролітичних конденсаторів достатню увагу потрібно приділяти струмів витоку Причина їх появи криється в недосконалому характері поляризації електроліту, наявності вологи в діелектрику, наявності невидалених сполук хлору і металевих домішок Величина струму витоку може бути зменшена лише на етапі виготовлення конденсатора, і з поліпшенням рівня технології його частка стає все менше і менше, проте повністю струми витоку виключити не вдається Більш того, струми витоку прогресують у часі, вони залежать від величини прикладеної напруги, температури навколишнього середовища Якщо є необхідність тривалого зберігання електричного заряду, має сенс звернути увагу на значення цього параметра і здійснити вибір типу конденсатора за величиною струму витоку (наприклад, для бутстрепних конденсаторів драйверів це дуже важливо)

Ми вже знаємо, що в алюмінієвих електролітичних конденсаторах застосовується рідкий електроліт, який, як будь-яка інша рідина, володіє вязкістю і провідністю На ці параметри зовнішнє середовище надає істотний вплив Електрична провідність електроліту збільшується з збільшенням температури і знижується при її зниженні Розглянемо вплив температури на ємність конденсатора, тангенс кута втрат, ESR, повний опір і струм витоку

Ємність алюмінієвих електролітичних конденсаторів збільшується при збільшенні температури і, відповідно, зменшується при її падінні Звязок між значенням ємності і температурою навколишнього середовища приведена на рис 275

Рис 275 Типова залежність ємності від температури

Еквівалентний послідовний опір (ESR), а отже, і тангенс кута втрат, і повний опір (Z) змінюються при зміні температури і частоти Найбільш типовий характер зміни тангенса кута втрат для електролітичних конденсаторів показаний на рис 276 Добре видно, що з ростом частоти ростуть і втрати

Електролітичні конденсатори обмежені в режимах роботи з пульсуючими струмами Простіше кажучи, пульсація напруги на виводах конденсатора не повинна перевищувати величини, що задається в

Рис 276 Типова залежність тангенса кута втрат від частоти

технічної документації Справа в тому, що зазвичай пульсації повязані з циклічним характером роботи конденсатора в режимі «заряд-розряд» Відбуваються у цей час реактивні струми виділяють на опорі ESR тепло – конденсатор розігрівається Тому вкрай необхідно розраховувати величину фактичного реактивного струму і порівнювати її з допустимою на даний тип конденсатора Зрозуміло, що конденсатори з дротяними висновками допускають порівняно невеликі величини струмів, а от для роботи в потужних силових пристроях спеціально випускаються конденсатори з різьбовими втулками і притискними гвинтами

Іноді для збільшення допустимої напруги електролітичні конденсатори включають послідовно Так однозначно доведеться поступити при розробці силової схеми перетворювача з живленням від трифазної мережі змінного струму 380 В 50 Гц Амплітудне значення напруги на конденсаторах вхідного фільтра в цьому випадку може досягати 540 В, у той час як знайти «електроліт» з допускаються напругою понад 450 У вкрай складно Хоча, в принципі, деякі фірми випускають електролітичні конденсатори на номінальну напругу 550 В, проте число таких фірм можна перерахувати по пальцях, і в разі необхідності ремонту, що вийшов з ладу перетворювача підібрати адекватну заміну з номенклатури інших фірм виявиться складніше На рис 277 показаний варіант послідовно-паралельного включення конденсаторів Щоб збалансувати конденсатори за струмами витоку, включаються додаткові вирівнюють резистори RVSR, Величина яких розраховується за емпіричною формулою:

Якщо у вказану формулу підставити ємність конденсатора в мкФ, то розрахована величина резистора буде в кОм

Як приклад розглянемо декілька тіпономіналов електролітичних конденсаторів, що застосовуються для побудови силових схем статичних перетворювачів На рис 278 показаний зовнішній вигляд серій конденсаторів типу B43566 і B43586, вироблених фірмою «Epcos» Ці конденсатори спеціально спроектовані для застосування в статичних перетворювачах електроенергії і відповідають всім вимогам, що предявляються до конденсаторів такого класу По-перше, конденсатори мають потужні висновки для підключення силових шин, оснащені гвинтовими затискачами, що дозволяє зєднувати їх у блоки, накладаючи зверху плоску токоведущую шину (у тому числі і багатошарову) По-друге, конструктивно вони спроектовані так, щоб забезпечити мінімальні значення паразитних ESR і ESL По-третє, терміни служби конденсаторів досить великі (фірма гарантує працездатність протягом 250 тис годин при температурі +40 ° С), що, звичайно, є великою підмогою для створення довговічного статичного перетворювача Досвідчені розробники електронної апаратури знають, що електролітичні конденсатори традиційно є одним з найбільш нетривких електронних компонентів – вони «сохнуть» і втрачають свою ємність Тому будь-які кроки, спрямовані на продовження їх термінів служби, заслуговують особливої ​​уваги

Наведені типи конденсаторів випускаються на діапазон номінальних напруг 350 .. 450 В, витримують перевантаження по напрузі не більше 10% від номінального Діапазон ємностей конденсаторів становить 470 .. 6800 мкФ Висновки конденсаторів витримують максимальні змінні значення струмів (залежно від виконання тіпономінала) отЗОдо 70A Середні значення ESLjym конденсаторовсоставляют: 15 нГндляісполненійдіаметром 51,6 мм 20 нГндляіспол-

Рис 277 Послідовно-паралельне включення конденсаторів

Рис 278 Зовнішній вигляд конденсаторів B43566 і B43586

нений 79,6 і 91 мм Значення ЕБЯдля кожного номіналу конденсатора різні Наприклад, для тіпономінала 680 мкФ з номінальною напругою 450 В це значення становить 350 мОм, а для тіпономінала 3300 мкФ на той же номінальна напруга – 70 мОм (вимірювання проведені для частоти 100 Гц) Характеристика залежності ESR від частоти показана на рис 279 На представленому графіку крива «а» відноситься до конденсаторамсдіаметром 76,9 і 91 мм, крива «Ь» – до конденсаторів сдіаметром 64,3 мм, крива «с» – до конденсаторів сдіаметром 51,6 мм Графік нормований до значення ESR на частоті 100 Гц

Рис 279 Залежність ESR від частоти для конденсаторів B43566 і B43586

Так як конденсатори «працюють» у режимі перезарядки силовими струмами значної величини, їх конструкція виконана таким чином, щоб забезпечити при необхідності надійне охолодження корпусу На рис 2710 показано, що конденсатор при необхідності можст встановлюватися на тепловідвід через ізолюючу теплопроводящую прокладку

Другий приклад конденсатора типу K50-77, що випускає ВАТ «Елеконд», показаний на рис 2711 Конденсатори випускаються в діапазоні номінальних ємностей від 1000 до 100 000 мкФ і забезпечують роботу в діапазоні напруг від 16 до 450 В (також залежно від конкретного типовиконання) Значення ESL в даному випадку становить для всіх типів порядку 115 нГн, тобто майже на порядок вище, ніж у описаних вище конденсаторів Повний опір тіпономінала K50-77 з номінальною ємністю 1500 мкФ і номінальною напругою 450 В (найближчий аналог конденсаторів, вироблених

Рис 2710 Установка конденсатора на теплопроводящую прокладку

«Epcos»), виміряний на частоті 10 кГц, становить 70 мОм Конструктивно конденсатор має кілька виконань, в тому числі і з різьбовий шпилькою, розрахованої на кріплення дна алюмінієвого склянки Інші виконання передбачає кріплення конденсатора за допомогою додаткового хомута, що охоплює корпус (хомути можуть поставлятися разом з конденсатором)

І, тим не менш, незважаючи на досить середні технічні характеристики, конденсатор може служити прикладом вдалої вітчизняної розробки, яку можливо застосовувати в перетворювальної техніки

Джерело: Семенов Б Ю Силова електроніка: професійні рішення – М: СОЛОН-ПРЕСС, 2011 – 416 c: Ил