Суперконденсатор или гибридный аккумулятор в авто. Керамические конденсаторы большой емкости

Пред история:
Отслуживший мне 4 года аккумулятор Varta C30 54Ah внезапно сдох, не завел авто при не больших морозах, предыдущей зимой я им конкретно занимался гонял и заряжал малым током снимал сульфаты с пластин, сверлил отверстия и мерил электролит, а перед этой зимой не нашлось времени с ним возится.

Сдал его под скидку и взял точно такой же выпуска июль 2015, но в качестве этого АКБ я засомневался сразу, после ночной стоянки при не большом минусе по началу 12.3 а после трех месяцев опустилось до 11.8 вольт.

Вообще я понял что для холодного климата Ca\Ca (кальциевые) АКБ это зло, с ними хорошо когда жарко и машина не глушится, но если вы ездите дом-работа-дом иногда в магазин то лучше не связываться с такими аккумуляторами.

Заинтересовался темой Суперконденсаторов, в Китае на них электобусы ездят.

Оказывается Камаз тоже делат Электробусы

Электробус Камаз

Заказал через Ebay вот такие конденсаторы 500F 2.7V 6шт.:

Китайские фейки на Samhwa Green Cap Ю. Корея

Но первый блин комом, после первых тестов присланных конденсатов я понимаю что деньги потратил зря, они оказались фейками с не понятными параметрами, не больше 50 Фарад или меньше с напряжением 2.0 Вольта, при зарядке до 2.5 Вольта переводят заряд в тепло, огромные токи утечки, батарея из 6 конденсаторов разряжается за 2 часа с 12.6В до 8В, токи этих Фейков минимальны 2-3А при кз. Китайцы выдают не качественные ионисторы за суперконденсаторы … качество только выбросить…
Долгая переписка с продавцом, деньги мне все же вернули.

Такой вариант возможен при идеальных условиях и оригинальных суперконденсаторах Samhwa Green Cap Ю. Корея

Попытка номер два…
Купил суперконденсаторы БУ Maxwell 1200F 2.7V 6шт. - сборка: 1200 фарад / 6шт. = 200 фарад 16.2 вольта.

Maxwell 1200F 2.7V

Тех данные: Срок службы 10 лет, количество циклов 1000000, максимальный ток 930 Ампер, ток при Коротком замыкании 4700 Ампер, Накопленная энергия 1.22 Вт/час, ESR 0.58 mΩ, рабочие температуры -40 - +65С

Зарядил до напряжения 14.7В через сутки напряжение 12.9, замерил токи утечки на напряжении 12.6В от 3 до 8mA, когда конденсаторы постоят заряженные и их несколько раз подзаряжаешь, саморазряд уменьшается до каких величин первые трое суток разряд с 16 вольт падает до 15 далее всё медленнее и через пол года заряд остается около 9 вольт.

тест ~200F 16.2V

Протестировал конденсаторы на Хомяке:

Первые полевые испытания, подключил только конденсаторы, проморозил машину ночью, запуск при -17 и 12.3 вольтах.

Прикинул емкость моей сборки, 140 Вт лампочек прогорели 63 сек при напряжении с 14.6 до 11в ~ емкость примерно 191 Фарад. токи утечки у Хомяка с сигнализацией 40мА, значит эта сборка может продержать заряд около 3-4 часов без использования Аккумулятора.

По расчетам, Конденсатор ёмкость 1Ф просаживается током в 1А на 1В за 1 секунду.
Значит при токе утечки 40мА (что совсем немного для авто с сигналкой) получится
(14.5В -11.5В)* 200Ф / 0,04А = 15000 секунд = 4 часа. Т.е. примерно каждые 4 часа авто будет просаживать конденсаторы с 14.5В до 11.5-ти.

Теперь я столкнулся с проблемой найти подходящий корпус для сборки суперконденсаторов.
Решил искать убитый мото АКБ, так как по размерам подходил корпус от 20Ah аккумуляторов.
Нашёлся человек с местного Droma который услышал мой клич и отдал мне два убитых мото АКБ.
Один АКБ я распилил и сделал из него корпус, второй удалось восстановить но не полностью, внутри у него отваливается одна банка, в общем это ему не особо мешает подпитывать суперконденсаторы.

Вот что у меня получилось:
И все же машина может жить без стартерного АКБ!
Поставил на Хомяка только конденсаторы, заряда с 14.5в до 11.5в хватает на три с половиной часа, далее сигнализация заводит авто по низкому напряжению 11.5в в борт сети, подзаряжает конденсаторы и подогревает двигатель.
Зимой не плохой вариант отказаться вообще от Стартерного Аккумулятора но если машина стоит на улице.

Сборка суперконденсаторов на Хомяке.

Наконец совершенство инженерной мысли гибридная связка Мото Delta 14Ah AGM VRLA аккумулятор 2008 года, по ампер часам показал себя как новый и это после простоя в один год, так же у него оторвана внутри одна банка (иногда отваливается контакт) + Суперконденсаторы Maxwell, крутят стартер бодрее чем новая Varta 54Ah.

Гибридный АКБ

При напряжении 12 вольт бодрый запуск двигателя, за несколько секунд напряжение подымается до 14.5-14.8 вольт, после глушения двигателя малый АКБ продалжает заряжаться некоторое время, пока напряжение АКБ и конденсаторов не уровняется… при 13-14 вольтах запуск очень бодрый…

Аргументы за использование суперконденсаторов в авто: возможность запустить двигатель в морозы даже с дохлым АКБ, поддержание заряда от маленького АКБ или солнечной батареи, зимой можно вообще отказаться от стартерного АКБ которые сейчас дохнут в лучшем случае на третью зиму, если конденсаторы подключить параллельно со стартерной АКБ срок службы этой АКБ возрастает в разы, весь токовый удар конденсаторы берут на себя.

Отъездив на гибридной сборке половину зимы, впечатления только положительные, машина с таким запасом по току ведет себя более стабильно, субъективно тяга двигателя увеличивается и кажется что машина рвет с места, расход не измерял но явно он должен уменьшится не намного, один раз пришлось подзарядить маленький АКБ, так как поездки были в основном не продолжительные. Есть небольшой минус, несколько секунд после запуска двигателя идет высокая нагрузка на двигатель, выпрямительные диоды, генератор и ремень генератора. На лето поставил назад большой АКБ…

У многих может возникнуть вопрос: А что будет с генератором и с электрооборудованием авто при таком вмешательстве? Давайте подумаем что происходит при подключенном аккумуляторе почти тоже самое вся разница в том что сборка конденсаторов 500F имеет сопротивление 3.6 mΩ а аккумулятор допустим свежий 3 - 5mΩ а ведь некоторые подключают два аккумулятора да ещё и 90Ah, токи зарядки этих АКБ в первые секунды будут то же максимальными, в современном авто система зарядки представляет из себя не просто генератор, а регулируемый источник тока, ну а насчет электрооборудования то оно будет работать наиболее стабильно и эффективно добавляя немного мощности двигателю.

Вторая зима, аккумулятор подключил тонкими проводами, акб нужна только чтобы поддерживать заряд 3-8mA на конденсаторах и питать сигналку с мозгами 38mA, если надо подзарядить малого, ни каких проблем, снимается за 30 сек, дома заряжается, машина остается с конденсаторами и полностью питается от них.

И так утром на улице -27С, температура двигателя -26С, масло 0W20, гелевый АКБ подмерз напряжение в борт сети 11.7в, при таком напряжении и температуре двигателя, конденсаторов 200 Фарад маловато для уверенного пуска, заснял видео запуска.

Но я подготовился к какой ситуации, был бы здесь просто АКБ, геморрой обеспечен, поиск кто прикурит или снимать АКБ тащить домой для отогрева. С конденсаторами такой ёмкости их нужно подзарядить напряжением выше 13в, что я и сделал повышающим преобразователем подключил его к акб от бесперебойника, 3 минуты и конденсаторы подзарядились до 12.8в.
По формуле накопленная энергия в конденсаторе растет не линейно а квадратично J=(C*U^2)/2 при C=200F если на конденсаторе 9V то он имеет запас энергии 8.1 кДж а если он заряжен до 14V то мы уже имеем заряд 19.6 кДж, зарядим до 16V будем иметь заряд энергии в 25.6 кДж.

Электрическая емкость земного шара, как известно из курса физики, составляет примерно 700 мкФ. Обычный конденсатор такой емкости можно сравнить по весу и объему с кирпичом. Но есть и конденсаторы с электроемкостью земного шара, равные по своим размерам песчинке - суперконденсаторты.

Появились такие приборы сравнительно недавно, лет двадцать назад. Их называют по-разному: ионисторами, иониксами или просто суперконденсаторами.

Не думайте, что они доступны лишь каким-то аэрокосмическим фирмам высокого полета. Сегодня можно купить в магазине ионистор размером с монету и емкостью в одну фараду, что в 1500 раз больше емкости земного шара и близко к емкости самой большой планеты Солнечной системы - Юпитера.

Любой конденсатор запасает энергию. Чтобы понять, сколь велика или мала энергия, запасаемая в ионисторе, важно ее с чем-то сравнить. Вот несколько необычный, зато наглядный способ.

Энергии обычного конденсатора достаточно, чтобы он мог подпрыгнуть примерно на метр-полтора. Крохотный ионистор типа 58-9В, имеющий массу 0,5 г, заряженный напряжением 1 В, мог бы подпрыгнуть на высоту 293 м!

Иногда думают, что ионисторы способны заменить любой аккумулятор. Журналисты живописали мир будущего с бесшумными электромобилями на суперконденсаторах. Но пока до этого далеко. Ионистор массой в один кг способен накопить 3000 Дж энергии, а самый плохой свинцовый аккумулятор - 86 400 Дж - в 28 раз больше. Однако при отдаче большой мощности за короткое время аккумулятор быстро портится, да и разряжается только наполовину. Ионистор же многократно и без всякого вреда для себя отдает любые мощности, лишь бы их могли выдержать соединительные провода. Кроме того, ионистор можно зарядить за считаные секунды, а аккумулятору на это обычно нужны часы.

Это и определяет область применения ионистора. Он хорош в качестве источника питания устройств, кратковременно, но достаточно часто потребляющих большую мощность: электронной аппаратуры, карманных фонарей, автомобильных стартеров, электрических отбойных молотков. Ионистор может иметь и военное применение как источник питания электромагнитных орудий. А в сочетании с небольшой электростанцией ионистор позволяет создавать автомобили с электроприводом колес и расходом топлива 1-2 л на 100 км.

Ионисторы на самую разную емкость и рабочее напряжение есть в продаже, но стоят они дороговато. Так что если есть время и интерес, можно попробовать сделать ионистор самостоятельно. Но прежде чем дать конкретные советы, немного теории.

Из электрохимии известно: при погружении металла в воду на его поверхности образуется так называемый двойной электрический слой, состоящий из разноименных электрических зарядов - ионов и электронов. Между ними действуют силы взаимного притяжения, но заряды не могут сблизиться. Этому мешают силы притяжения молекул воды и металла. По сути своей двойной электрический слой не что иное, как конденсатор. Сосредоточенные на его поверхности заряды выполняют роль обкладок. Расстояние между ними очень мало. А, как известно, емкость конденсатора при уменьшении расстояния между его обкладками возрастает. Поэтому, например, емкость обычной стальной спицы, погруженной в воду, достигает нескольких мФ.

По сути своей ионистор состоит из двух погруженных в электролит электродов с очень большой площадью, на поверхности которых под действием приложенного напряжения образуется двойной электрический слой. Правда, применяя обычные плоские пластины, можно было бы получить емкость всего лишь в несколько десятков мФ. Для получения же свойственных ионисторам больших емкостей в них применяют электроды из пористых материалов, имеющих большую поверхность пор при малых внешних размерах.

На эту роль были перепробованы в свое время губчатые металлы от титана до платины. Однако несравненно лучше всех оказался… обычный активированный уголь. Это древесный уголь, который после специальной обработки становится пористым. Площадь поверхности пор 1 см3 такого угля достигает тысячи квадратных метров, а емкость двойного электрического слоя на них - десяти фарад!

Самодельный ионистор На рисунке 1 изображена конструкция ионистора. Он состоит из двух металлических пластин, плотно прижатых к «начинке» из активированного угля. Уголь уложен двумя слоями, между которыми проложен тонкий разделительный слой вещества, не проводящего электроны. Все это пропитано электролитом.

При зарядке ионистора в одной его половине на порах угля образуется двойной электрический слой с электронами на поверхности, в другой - с положительными ионами. После зарядки ионы и электроны начинают перетекать навстречу друг другу. При их встрече образуются нейтральные атомы металла, а накопленный заряд уменьшается и со временем вообще может сойти на нет.

Чтобы этому помешать, между слоями активированного угля и вводится разделительный слой. Он может состоять из различных тонких пластиковых пленок, бумаги и даже ваты.
В любительских ионисторах электролитом служит 25%-ный раствор поваренной соли либо 27%-ный раствор КОН. (При меньших концентрациях не сформируется слой отрицательных ионов на положительном электроде.)

В качестве электродов применяют медные пластины с заранее припаянными к ним проводами. Их рабочие поверхности следует очистить от окислов. При этом желательно воспользоваться крупнозернистой шкуркой, оставляющей царапины. Эти царапины улучшат сцепление угля с медью. Для хорошего сцепления пластины должны быть обезжирены. Обезжиривание пластин производится в два этапа. Вначале их промывают мылом, а затем натирают зубным порошком и смывают его струей воды. После этого прикасаться к ним пальцами не стоит.

Активированный уголь, купленный в аптеке, растирают в ступке и смешивают с электролитом до получения густой пасты, которой намазывают тщательно обезжиренные пластины.

При первом испытании пластины с прокладкой из бумаги кладут одна на другую, после этого попробуем его зарядить. Но здесь есть тонкость. При напряжении более 1 В начинается выделение газов Н2, О2. Они разрушают угольные электроды и не позволяют работать нашему устройству в режиме конденсатора-ионистора.

Поэтому мы должны заряжать его от источника с напряжением не выше 1 В. (Именно такое напряжение на каждую пару пластин рекомендовано для работы промышленных ионисторов.)

Подробности для любознательных

При напряжении более 1,2 В ионистор превращается в газовый аккумулятор. Это интересный прибор, тоже состоящий из активированного угля и двух электродов. Но конструктивно он выполнен иначе (см. рис. 2). Обычно берут два угольных стержня от старого гальванического элемента и обвязывают вокруг них марлевые мешочки с активированным углем. В качестве электролита употребляется раствор КОН. (Раствор поваренной соли применять не следует, поскольку при ее разложении выделяется хлор.)

Энергоемкость газового аккумулятора достигает 36 000 Дж/кг, или 10 Вт-ч/кг. Это в 10 раз больше, чем у ионистора, но в 2,5 раза меньше, чем у обычного свинцового аккумулятора. Однако газовый аккумулятор - это не просто аккумулятор, а очень своеобразный топливный элемент. При его зарядке на электродах выделяются газы - кислород и водород. Они «оседают» на поверхности активированного угля. При появлении же тока нагрузки происходит их соединение с образованием воды и электрического тока. Процесс этот, правда, без катализатора идет очень медленно. А катализатором, как выяснилось, может быть только платина… Поэтому, в отличие от ионистора, газовый аккумулятор большие токи давать не может.

Тем не менее, московский изобретатель А.Г. Пресняков (http://chemfiles.narod .r u/hit/gas_akk.htm) успешно применил для запуска мотора грузовика газовый аккумулятор. Его солидный вес - почти втрое больше обычного - в этом случае оказался терпим. Зато низкая стоимость и отсутствие таких вредных материалов, как кислота и свинец, казалось крайне привлекательным.

Газовый аккумулятор простейшей конструкции оказался склонен к полному саморазряду за 4-6 часов. Это и положило конец опытам. Кому же нужен автомобиль, который после ночной стоянки нельзя завести?

И все же «большая техника» про газовые аккумуляторы не забыла. Мощные, легкие и надежные, они стоят на некоторых спутниках. Процесс в них идет под давлением около 100 атм, а в качестве поглотителя газов применяется губчатый никель, который при таких условиях работает как катализатор. Все устройство размещено в сверхлегком баллоне из углепластика. Получились аккумуляторы с энергоемкостью почти в 4 раза выше, чем у аккумуляторов свинцовых. Электромобиль мог бы на них пройти около 600 км. Но, к сожалению, пока они очень дороги.

Керамические конденсаторы являются естественным элементом практически любой электронной схемы. Они применяются там, где необходимы способность работать с сигналами меняющейся полярности, хорошие частотные характеристики, малые потери, незначительные токи утечки, небольшие габаритные размеры и низкая стоимость. Там же, где подобные требования пересекаются, керамические конденсаторы практически незаменимы. Но проблемы, связанные с технологией их производства, отводили этому типу конденсаторов, в основном, нишу устройств малой емкости. Действительно, керамический конденсатор на 10 мкФ еще недавно воспринимался как удивительная экзотика, и стоило такое чудо как горсть алюминиевых электролитических тех же емкости и напряжения, либо как несколько аналогичных танталовых.

Однако, развитие технологий позволило сразу нескольким фирмам к настоящему времени сразу нескольким фирмам заявить о достижении их керамическими конденсаторами емкости в 100 мкФ и анонсировать начало производства еще больших значений еще до конца этого года. А сопровождающее этот процесс непрерывное падение цен на все изделия данной группы заставляет внимательнее присмотреться ко вчерашней экзотике, чтоб не отстать от технического прогресса и сохранить конкурентоспособность.

Несколько слов о технологиях. Говоря о керамических конденсаторах, мы будем рассматривать многослойные керамические конденсаторы. На рис.1 представлена структура такого конденсатора, а на рис.2 фотография сильно увеличенного среза изделия одного из мировых лидеров их производства - японской фирмы Murata

Их емкость определяется формулой:
, (1)
где
ε 0 - константа диэлектрической проницаемости вакуума,
ε - константа диэлектрической проницаемости используемой в качестве диэлектрика керамики,
S 0 - активная площадь одного электрода,
n - число слоев диэлектрика,
d - толщина слоя диэлектрика.

Таким образом, увеличения емкости конденсатора можно добиться уменьшением толщины слоев диэлектрика, увеличением числа электродов, их активной площади, увеличением диэлектрической проницаемости диэлектрика.
Уменьшение толщины диэлектрика и связанная с этим возможность увеличения количества электродов - основной способ увеличения емкости керамических конденсаторов. Но снижение толщины диэлектрика приводит с снижению напряжения пробоя. Потому конденсаторы большой емкости трудно найти на высокое рабочее напряжение.
Увеличение числа слоев - процесс технологически связанный с уменьшением толщины единичного слоя. Рис.3 отображает технологические тенденции последних лет в этой области, представленные фирмой Murata.

Увеличение активной площади одного электрода - это увеличение габаритных размеров конденсатора - крайне неприятное явление, приводящее к резкому росту стоимости изделия.
Увеличение диэлектрической проницаемости при заметном увеличении емкости приводит к существенному ухудшению температурной стабильности и сильной зависимости емкости от приложенного напряжения.
Теперь рассмотрим возможности и особенности применения керамических конденсаторов большой емкости. Перед началом обсуждения стоит обратить внимание на уже имеющиеся предложения и ближайшие планы лидеров отрасли фирм Murata и Samsung Electro-Mechanics, представленные ниже.

Естественной областью применения подобного спектра керамических конденсаторов большой емкости может быть замена ими танталовых и алюминиевых конденсаторов для поверхностного монтажа в схемах подавления пульсаций, разделения постоянной и переменной составляющих электрического сигнала, интегрирующих цепочках. Однако, при этом необходимо учитывать принципиальные различия между этими группами деталей, делающие, в большинстве случаев, бессмысленными замены типа: электролитический конденсатор номиналx напряжения на аналогичные номиналx напряжение керамического конденсатора. Рассмотрим коротко основные причины этого.

Частотные свойства конденсаторов определяет зависимость их импеданса и эквивалентного последовательного сопротивления (ESR)от частоты. Типичные зависимости такого рода для керамических, танталовых и алюминиевых конденсаторов приведены на рис.4 и рис.5.

Таким образом, для обеспечения одинакового с танталовым конденсатором в 10 мкФ уровня подавления пульсаций частотой 1 МГц можно использовать керамический конденсатор емкостью 1,0-2,2 мкФ. Экономия места на плате и денег очевидна.

Низкое эквивалентное последовательное сопротивление и связанные с ним малые потери позволяют значительно сильнее нагружать керамические конденсаторы, нежели электролитические, несмотря на их значительно более скромные габаритные размеры, не вызывая при этом критического для детали разогрева. Сравнительные кривые разогрева конденсаторов токами пульсации различной частоты приведены на рис.6.

Еще одним и немалым плюсом керамических конденсаторов является их способность кратковременно держать высокие напряжения перегрузки, многократно превышающие номинальные. Тот, кто выбирал сглаживающие конденсаторы для импульсных источников питания, знает как это важно! Ибо там в моменты запуска и выключения могут генерироваться импульсы до нескольких значений выходного напряжения, заставляя использовать электролитические конденсаторы с большим запасом по напряжению.

Сравнительную характеристику напряжения пробоя для различных типов конденсаторов по результатам тестов, проведенных фирмой Murata, приведены на рис.7

Теперь несколько слов о грустном. При всех своих достоинствах, керамические конденсаторы большой емкости производятся с использованием диэлектриков типа X7R/X5R и Y5V. Их отличительной особенностью является сильная зависимость диэлектрической проницаемости, а с ней, согласно (1), и емкости от температуры и приложенного напряжения. Типичные зависимости такого рода для конденсаторов разных типов показаны на рисунках 8 и 9.

Из них видим, что при достаточно жестких требованиях к стабильности номинала, например во времязадающих цепях, или при развязке постоянной и переменной составляющих, на замену электролитическим конденсаторам можно рекомендовать только керамические с диэлектриками X5R/X7R, последний из которых может оказаться еще более интересным, если принять во внимание его допустимый диапазон рабочих температур: -55°С +125°С, позволяющий ему найти применение как в аппаратуре, рассчитанной на работу на улице в условиях севера, так и в автомобильной технике, с ее жесткими требованиями к сохранению работоспособности при высоких температурах.

Однако, для сглаживающего конденсатора стабильность номинала не является критическим параметром. Потому можно рассчитывать на высокую востребованность и емкостей на основе менее стабильной керамики Y5V, из которой можно получить детали меньшего габарита и стоимости.

Валерий Степуков

Конденсаторы (постоянной и переменной емкости) имеются практически в любом электронном приборе. Основные величины, характеризующие конденсатор, - это его емкость и рабочее напряжение. Третьей важной характеристикой, определяющей область применения конденсаторов, является способность их работать в це­пях с токами высокой частоты. Конструкция конденсато­ров в зависимости от назначения и величины емкости может быть самой разнообразной.

Общепринятой международной единицей измерения емкости является фарада (Ф). Однако фарада как единица емкости очень велика и для практических целей мало пригодна. Поэтому емкость конденсаторов обычно из­меряется в производных величинах - в микрофарадах (мкФ) при относительно большом значении емкости (1 Ф = 10 6 мкФ) и в пикофарадах (пФ) - при малом (1 мкФ=10 6 пФ).

Допускаемое отклонение емкости от номинала обыч­но указывают -в процентах, но на конденсаторах очень малых емкостей допускаемое отклонение от номинала обозначают в пикофарадах. Если на конденсаторе ука­зано «100± 10%», это означает, что емкость его не может быть меньше 90,и больше НО пФ. Если в маркировке допуск не указан, то у такого конденсатора допускаемое отклонение от номинала ±:20%. На конденсаторах, из­готовляемых только с одним, определенным допускае­мым отклонением от номинала, например, оксидных (старое название - электролитические) конденсаторов серии КЭ, сегнетокерамических КДС, допуск также не указы­вается.

При работе конденсатора в цепи, где имеется и пе­ременная и постоянная составляющие, общая сумма напряжения постоянного тока и амплитудного значения на­пряжения, переменного тока не должна превышать номинального напряжения. Если переменная составляю­щая напряжения мала (что имеет место во всех каска­дах усиления высокой и промежуточной частот приемни­ка), то, выбирая конденсатор, достаточно учитывать только постоянное напряжение на нем. Но. в цепях око­нечного каскада и выпрямителя надо учитывать также и переменную составляющую..

Следует, однако, иметь в виду, что запас по напряже­нию не должен слишком завышаться, так как у конден­саторов с большим номинальным напряжением обычно больше габариты, что приводит к увеличению габаритов всего устройства в целом, а также в конечном итоге к повышению стоимости устройства.

Оксидные (или как их ранее называли - электроли­тические) конденсаторы не рекомендуется использовать при напряжениях переменной составляющей, близких к половине рабочего напряжения конденсатора. Это объяс­няется особенностями устройства и режимом их работы.

При нормальной температуре фактическая емкость оксидного конденсатора может быть на 20% меньше и на 80% больше обозначенной на его корпусе. При макси­мальной рабочей температуре, которая для конденсато­ра широкого применения составляет 70 - 80° С, емкость может увеличиваться на 20 - 30% по сравнению с изме­ренной при нормальной температуре. У конденсаторов, предназначенных для бытовой аппаратуры, емкость при температуре - 10° С может уменьшиться в два раза но сравнению с емкостью при нормальной температуре (конденсаторы К50-6, К50-7). В аппаратуре для поле­вых, условий работы используются конденсаторы (К50-3, К50-ЗА, К50-ЗБ), у которых емкость снижается не более чем в два раза при температуре - 40 ... - 60° С.

Оксидные конденсаторы полярны. Они хорошо работают в цепях постоянного и пульсирующего напряжения. Вместе с тем выпускаются и неполярные оксидные конденсаторы с алюминиевыми и танталовыми фольговыми электродами. Такие конденсаторы могут работать в це­пях переменного тока.

Номинальные напряжения выпускаемых промышлен­ностью оксидных конденсаторов находятся в пределах от 3 до 450 В, а номинальные емкости - от долей микро­фарады до нескольких тысяч микрофарад, причем кон­денсаторы с большой емкостью, как правило, имеют меньшие номинальные напряжения.

Так. как максимально допустимое напряжение вклю­чает в себя и амплитуду переменной составляющей, то для полярных оксидных конденсаторов с рабочим напря­жением 100 - 450 В величина переменной составляющей не должна превышать 8% от этих напряжений. Чем больше емкость и номинальное напряжение, тем меньше допустимая амплитуда переменного тока. Если пере­менная составляющая имеет большую величину, оксидный конденсатор перегревается. В таких случаях оксид­ные конденсаторы следует заменять конденсаторами дру­гих типов, например, бумажными большой емкости.

К особенностям оксидных конденсаторов относится и то, что в фильтрах выпрямителей их можно -применять лишь на частотах до 1000 Гц. При повышении частоты (выше 50 Гц) действующая емкость их будет становиться все меньше и меньше по отношению к номинальной, При более высоких частотах допустимая амплитуда пе­ременной составляющей также уменьшается обратно пропорционально частоте. Так, при частоте 100 Гц допус­тимая амплитуда вдвое меньше, чем при частоте 50 Гц.

Оксидные конденсаторы имеют сравнительно низкое сопротивление изоляции. При номинальном для данного типа конденсаторов рабочем напряжении ток утечки мо­жет доходить до 0,1 мА на каждую микрофараду емко­сти. Утечка свыше этой нормы свидетельствует о пло­хом качестве конденсатора. Такой конденсатор необхо­димо заменить.

Оксидные конденсаторы применяют преимущественно в фильтрах блоков питания, в развязывающих фильт­рах, а в транзисторной аппаратуре - в цепях связи меж­ду транзисторными каскадами и для шунтирования ре­зисторов в цепях эмиттеров транзисторов. Используются они также для шунтирования резисторов в цепях катодов электронных ламп.

Как и для других радиодеталей, требования к жест­кости допускаемых отклонений емкости от номинального значения определяются для конденсаторов в зависимости от того, какую функцию они выполняют в том или дру­гом аппарате. Так, для конденсаторов, шунтирующих ре­зисторы в цепях катодов ламп усилителей ВЧ и ПЧ, конденсаторов фильтра и блокирующих в анодных и экранных цепях, емкости могут быть сколь угодно боль­шие, но не меньше номинальной, указанной на схеме; для разделительных конденсаторов, применяемых в уси­лителях низкой частоты, отклонения от номинала могут составлять 20 - 30%. Емкость конденсаторов, применяе­мых в корректирующих цепях, улучшающих частотную характеристику усилителей низкой частоты, не должна отличаться более чем на ±10% от расчетной. Столь же жесткие требования предъявляются и к конденсаторам, используемым в супергетеродинных приемниках для со­пряжения контуров.

Тип диэлектрика, используемого в конденсаторе, игра­ет решающую роль при определении области применения конденсатора. В колебательных контурах диапазона длинных и средних волн можно использовать практиче­ски конденсаторы самых разных типов, в том числе и со слюдяным диэлектриком, хотя такие конденсаторы не всегда обладают достаточно малыми потерями.

Во всех цепях токов высокой частоты можно приме­нять керамические конденсаторы (при емкостях до 1000 - 5000 пФ) или безындукционные бумажные (при емкостях более 1000 - 5000 пФ).

В цепях экранирующих сеток ламп и в анодных филь­трах высокочастотных, каскадов для развязывания це­пей допустимо применять безындукционные бумажные конденсаторы; при этом должна быть заземлена или соединена с проводом общего минуса наружная обклад­ка конденсатора (этот вывод помечается соответствую­щим знаком на корпусе или торце безындукционных конденсаторов). В низкочастотных каскадах все конден­саторы могут быть бумажные.

Конденсаторы переменной емкости для настройки ко­лебательного контура приемников желательно иметь с воздушным диэлектриком. Еще в большей мере это от- носится к колебательным контурам измерительных при­боров. Из подстроечных конденсаторов лучшими являют­ся конденсаторы с воздушными и керамическими ди­электриками.

Основные неисправности конденсаторов: пробой изо­ляции (короткое замыкание между обкладками), боль­шой ток утечки (плохая изоляция между обкладками), обрыв выводов, а у оксидных (электролитических) - и потеря емкости.

Проверка исправности конденсаторов. Неисправности конденсаторов, особенно большой емкости, такие, как по­теря емкости, короткое замыкание и большой ток утеч­ки, могут быть легко обнаружены с помощью мегаомметра, а также омметра или даже простейшего пробника.

Если конденсатор большой емкости исправен, то при подключении к нему пробника стрелка прибора сначала резко отклонится вправо, причем отклонение это будет тем больше, чем больше емкость конденсатора, а затем относительно медленно начнет возвращаться влево и установится над одним из делений в начале шкалы. Если же конденсатор неисправен, то есть потерял емкость или имеет утечку, то в первом случае стрелка прибора вооб­ще не отклонится вправо, а во втором - отклонится почти на всю шкалу, а затем установится на одном из делений в конце ее в зависимости от величины сопротивления утечки. Проверяя конденсатор этим способом, следует всегда обращать внимание на то, не превышает ли напряжение питания прибора допустимого напряжения конденсатора, иначе в конденсаторе может произойти пробой изоляции уже при проверке.

Состояние изоляции у конденсаторов емкостью по­рядка микрофарад, а иногда и десятых долей микрофа­рады может быть оценено и по интенсивности искры, если конденсатор подключить сначала к источнику напряже­ния и зарядить, а затем замкнуть его выводы. Таким спо­собом можно проверять конденсаторы любых типов (кро­ме электролитических).

В ряде случаев вызывает затруднение проверка кон­денсаторов малой емкости (порядка десятков и сотен пикофарад), у которых искра при разряде незначитель­на, а сопротивление утечки настолько велико, что конден­сатор с обрывом вывода может быть легко принят за вполне исправный с высоким сопротивлением утечки.

Рис. 8. К описанию способа измерения емкости электролитического конденсатора

Если имеется несколько однотипных конденсаторов небольшой емкости, то выбрать из них конденсатор с наименьшей утечкой можно с помощью обычного лампо­вого приемника. Антенну в этом случае отсоединяют от приемника, а регулятор громкости устанавливают в по­ложение максимальной громкости. Каждый из конден­саторов, пробивное напряжение которых должно быть больше, чем напряжение на экранной сетке лампы, при­соединяют одним выводом к шасси приемника, а дру­гим - к экранной сетке лампы.

Если утечка конденсатора мала, то щелчок будет слышен только при первом прикосновении к экранной сетке лампы, а все последующие прикосновения не будут сопровождаться щелчками. Если же конденсатор имеет значительную утечку, то щелчком будет сопровождаться каждое прикосновение. Этим способом можно проверять конденсаторы емкостью от 50 пФ до 0,1 мкФ.

Конденсаторы, включенные в цепь высокого напряже­ния, можно проверять другим способом - с помощью вольтметра постоянного тока (на 500 - 600 В), например авометра. Для этого необходимо отпаять вывод конден­сатора, соединенный с шасси приемника или усилителя, и подключить между этим выводом и шасси вольтметр. Затем.приемник или усилитель включают в сеть. Если конденсатор исправен, то стрелка прибора после прогре­ва ламп отклонится на несколько делений, а за­тем вернется на нуль. Ес­ли же стрелка на нуль не возвращается, это указы­вает на наличие утечки в конденсаторе, причем ве­личина тока утечки- в из­вестной мере пропорцио­нальна показаниям вольт­метра.

С помощью омметра или авометра в режиме измерения сопротивлений можно в случае необходимости определить полярность оксидного конденсатора (типа К50-6 и др.). При подключении к конденсатору прибор в. зависимости от того, как подключены щупы, в одном положении покажет большее, а в другом меньшее сопро­тивление. Большее сопротивление соответствует тому случаю, когда плюсовой щуп прибора соединен с поло­жительным полюсом конденсатора.

Рис. 9. Прибор для проверки конденсаторов

Достаточно простым способом - с помощью вольт­метра (авометра) и секундомера можно определить не­известную емкость оксидного конденсатора. Измеритель­ный прибор должен иметь при этом сопротивление не менее 10 кОм/В. Собрав схему рис. 8, конденсатор через размыкающую кнопку Кн1 подключают к источнику постоянного напряжения и заряжают. Если после этого нажать кнопку, то конденсатор начнет разряжаться через вольтметр, причем напряжение на нем будет уменьшаться по экспоненциальному закону. Время, в течение которого напряжение достигнет 0,37 первоначального значения, называется постоянной времени Т. Емкость конденсатора в этом случае рассчитывают по формуле:

C = T/R,

где С - неизвестная емкость конденсатора, мкФ;

Т - постоянная времени, т. е. продолжительность разряда конденсатора до 0,37 первоначального значения, с;

R - сопротивление разрядной цепи, МОм; практиче­ски для схемы рис. 8 R равно сопротивлению добавочного резистора, включенного последова­тельно с рамкой подвижной системы вольтметра. Простой прибор для проверки конденсаторов. Для проверки конденсаторов (емкостью от долей микрофарады до десятков микрофарад) может быть использован также простой прибор, схема которого приведена на рис. 9. Прибор может быть применен для проверки кон­денсаторов разных типов, в том числе и оксидных (элект­ролитических), однако в последнем случае необходимо следить за полярностью их включения. Следует помнить также, что проверять этим способом низковольтные конденсаторы нельзя, так как напряжение, подаваемое на конденсатор, относительно высоко - от 90 до 210 В. Так как в приборе нет разделительного трансформатора, то подключение к нему конденсаторов во избежание по­ражения током следует производить только при пол ном-отключении прибора от сети.

Рис. 10. Способ «подстройки» конденсатора постоянной емко­сти

При проверке подключенных к прибору конденсато­ров переключатель В2 должен быть разомкнут. В слу­чае исправных конденсаторов неоновая лампа вспыхи­вает на короткое время, а затем сразу же погасает. Если конденсатор имеет утечку, лампа погасает медленно. Если конденсатор пробит, лампа светится не погасая.

В случае когда проверяются конденсаторы очень ма­лой емкости, прибор может показать лишь утечку и ко­роткое замыкание.

При проверке конденсаторов большой емкости, на­пример конденсаторов фильтров, переключатель В2 сле­дует замкнуть. Процедура проверки остается прежней. Конденсаторы большой емкости после проверки этим прибором следует разря­жать, так как на них может оставаться заряд.

Подстройка конденсато­ра постоянной емкости. При настройке приемника часто приходится подбирать кон­денсаторы гетеродинных и входных контуров. Если в приемнике используются конденсаторы КТК, то под­бор емкости конденсаторов в этих контурах можно упро­стить. Для этого на корпус конденсатора рядом с выво­дом наматывают плотно несколько витков провода ПЭЛ 0,3 (рис. 10) и один из концов этой спиральки подпаива­ют к выводу конденсаторов. Раздвигая и сдвигая витки спиральки, можно в небольших пределах регулировать емкость конденсатора. Может случиться, что, подключив конец спиральки к одному из выводов конденсатора, до­биться изменения емкости не удается. В этом случае спи­раль следует подпаять к другому выводу.

Замена конденсаторов. При отсутствии конденсатора соответствующей емкости его часто удается заменить двумя (или несколькими) последовательно или парал­лельно соединенными конденсаторами. Общая емкость двух конденсаторов при последовательном соединении может быть рассчитана по формуле:

C Общ =(С1-С2)/(С1 + С2)

где С1 и С2 - емкости каждого из последовательно сое­диненных конденсаторов.

Если конденсаторы соединены параллельно, то общая емкость равна сумме их емкостей.

Оксидные (электролитические) конденсаторы, имеющие полярные выводы, также могут быть включены и параллельно и последовательно. Однако при последовательном их включении всегда следует принимать дополнительные меры для предотвращения пробоя изоляции. Особенно это важно, когда при отсутствии оксидных кон­денсаторов на нужные рабочие напряжения их заменяют конденсаторами меньшего рабочего напряжения. Чтобы выровнять напряжения, параллельно каждому из последовательно соеди­ненных конденсаторов (рис. 11, а) подключают резисто­ры одинакового сопротивле­ния (0,5 - 1,5 МОм). Потери, которые вызываются под­ключением таких резисто­ров, незначительны, и прак­тически не отражаются на работе выпрямителя. Об­щая емкость двух одинако­вых по емкости конденсато­ров, последовательно соеди­ненных по схеме рис. 11, а, равна половине емкости каждого из них.

Оксидные конденсаторы можно включать также встречно-последовательно (рис. 11, б), подсоединяя параллельно каждому из них диоды, рассчитанные на соответствующее напряжение, не меньшее номинальных напряжений каждого из кон­денсаторов. Таким образом соединенные конденсаторы могут работать в цепи переменного тока. При двух оди­наковых по емкости конденсаторах общая емкость их равна емкости одного конденсатора, а общее для всей цепи напряжение - номинальному значению напряжения одного конденсатора.

Рис. 11. Способы включения оксидных конденсаторов:

а - последовательное соединение; б - встречно-последовательное соединение

<< >>

Copyright V.F.Gainutdinov , 2006 - 2016. Все права защищены.
Разрешается републикация материалов сайта в Интернете с обязательным указанием активной ссылки на сайт http://сайт и со ссылкой на автора материала (указание автора, его сайта).

Конденсатор встречается в наборах Мастер Кит (да и вообще в электронных устройствах) почти так же часто, как и резистор. Поэтому важно хотя бы в общих чертах представлять его основные характеристики и принцип работы.

Принцип работы конденсатора

В простейшем варианте конструкция состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок. Чем больше отношение площади пластин к толщине диэлектрика – тем выше ёмкость конденсатора. Чтобы избежать физического увеличения размеров конденсатора до огромных размеров, конденсаторы изготавливают многослойными: например, сворачивают ленты пластин и диэлектриков в рулон.
Так как любой конденсатор имеет диэлектрик, то он не способен проводить постоянный ток, но он может сохранять электрический заряд, приложенный к его обкладкам, и в нужный момент отдавать его. Это важное свойство

Давайте договоримся: радиодеталь мы называем конденсатором, а его физическую величину – ёмкостью. То есть правильно сказать так: «конденсатор имеет ёмкость 1 мкФ», но некорректно сказать: «замени на плате вон ту ёмкость». Вас, конечно, поймут, но лучше соблюдать «правила хорошего тона».

Электрическая ёмкость конденсатора – это главный его параметр
Чем больше ёмкость конденсатора, тем больший заряд он может сохранить. Электрическая ёмкость конденсатора измеряется в Фарадах, обозначается F.
1 Фарад - очень большая ёмкость (земной шар имеет ёмкость менее 1Ф), поэтому для обозначения ёмкости в радиолюбительской практике используются следующие основные размерные величины - префиксы: µ (микро), n (нано) и p (пико):
1 микроФарад - 10-6 (одна миллионная часть), т.е. 1000000µF = 1F
1 наноФарад - 10-9 (одна миллиардная часть), т.е. 1000nF = 1µF
p (пико) - 10-12 (одна триллионная часть), т.е. 1000pF = 1nF

Как и Ом, Фарад – это фамилия физика. Поэтому, как культурные люди, пишем прописную букву «Ф»: 10 пФ, 33 нФ, 470 мкФ.

Номинальное напряжение конденсатора
Расстояние между пластинами конденсатора (особенно конденсатора большой ёмкости) очень мало, и достигает единиц микрометра. Если приложить к обкладкам конденсатора слишком высокое напряжение, слой диэлектрика может быть нарушен. Поэтому каждый конденсатор имеет такой параметр, как номинальное напряжение. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Но лучше, когда номинальное напряжение конденсатора несколько выше напряжения в схеме. То есть, например, в схеме с напряжением 16В могут работать конденсаторы с номинальным напряжением 16В (в крайнем случае), 25В, 50В и выше. Но нельзя ставить в эту схему конденсатор с номинальным напряжением 10В. Конденсатор может выйти из строя, причём часто это происходит с неприятным хлопком и выбросом едкого дыма.
Как правило, в радиолюбительских конструкциях для начинающих не используется напряжение питания выше 12В, а современные конденсаторы чаще всего имеют номинальное напряжение 16В и выше. Но помнить о номинальном напряжении конденсатора очень важно.

Типы конденсаторов
О разнообразных конденсаторах можно написать много томов. Впрочем, это уже сделали некоторые другие авторы, поэтому я расскажу только самое необходимое: конденсаторы бывают неполярные и полярные (электролитические).

Неполярные конденсаторы
Неполярные конденсаторы (в зависимости от типа диэлектрика подразделяются на бумажные, керамические, слюдяные…) могут устанавливаться в схему как угодно – в этом они похожи на резисторы.
Как правило, неполярные конденсаторы имеют относительно небольшую ёмкость: до 1 мкФ.

Маркировка неполярных конденсаторов
На корпус конденсатора нанесён код из трёх цифр. Первые две цифры определяют значение ёмкости в пикофарадах (пФ), а третья – количество нулей. Так, на изображённом ниже рисунке на конденсатор нанесён код 103. Определим его ёмкость:
10 пФ + (3 нуля) = 10000 пФ = 10 нФ = 0,01 мкФ.

Конденсаторы ёмкостью до 10 пФ маркируются по-особенному: символ «R» в их кодировке обозначает запятую. Теперь Вы можете определить ёмкость любого конденсатора. Приведённая ниже табличка поможет Вам проверить себя.

Как правило, в радиолюбительских конструкциях допустима замена некоторых конденсаторов на близкие по номиналу. Например, вместо конденсатора 15 нФ набор может комплектоваться конденсатором 10 нФ или 22 нФ, и это не отразится на работе готовой конструкции.
Керамические конденсаторы не имеют полярности и могут устанавливаться в любом положении выводов.
Некоторые мультиметры (кроме самых бюджетных) имеют функцию измерения ёмкости конденсаторов, и Вы можете воспользоваться этим способом.

Полярные (электролитические) конденсаторы
Есть два способа увеличения ёмкости конденсатора: либо увеличивать размер его пластин, либо уменьшать толщину диэлектрика.
Чтобы минимизировать толщину диэлектрика, в конденсаторах большой ёмкости (выше нескольких микрофарад) применяется специальный диэлектрик в виде оксидной плёнки. Этот диэлектрик нормально работает только при условии правильно приложенного напряжения на обкладках конденсатора. Если перепутать полярность напряжения, электролитический конденсатор может выйти из строя. Метка полярности всегда маркируется на корпусе конденсатора. Это может быть либо значок «+», но чаще всего в современных конденсаторах полосой на корпусе маркируется вывод «минус». Другой, вспомогательный способ определения полярности: плюсовой вывод конденсатора длиннее, но ориентироваться на этот признак можно только до того, как выводы радиодетали обрезаны.
На печатной плате также присутствует метка полярности (как правило, значок «+»). Поэтому при установке электролитического конденсатора обязательно совмещайте метки полярности и на детали, и на печатной плате.
Как правило, в радиолюбительских конструкциях допустима замена некоторых конденсаторов на близкие по номиналу. Также допустима замена конденсатора на аналогичный с бОльшим значением допустимого рабочего напряжения. Например, вместо конденсатора 330 мкФ 25В набор можно применить конденсатор 470 мкФ 50В, и это не отразится на работе готовой конструкции.

Внешний вид электролитического конденсатора (правильно установленный на плату конденсатор)