Лабораторная по физике №5 — оцениваем ток утечки электролитических конденсаторов
Началось всё, как это часто и происходит, с прихода знакомого радиолюбителя с вопросом «А правда ли что параметры электролитических конденсаторов меняются во времени?». После уточнения того, какие конкретно параметры подразумеваются, решили, что интересно изменение тока утечки конденсатора связанное со временем. Более же конкретно задача выражалась словами – «вот конденсатор и он, будучи поставленным в цепь катодного смещения первого каскада усилителя, добавляет в музыку шумы и потрескивание. Можно узнать, что в нём происходит? Или даже посмотреть?».
Наверное, можно, но сначала
Немного отправной информации
Смотрим справочную литературу. Например, в «Справочнике по электрическим конденсаторам» под редакцией Четверткова И.И. и Смирнова В.Ф. (рис.1) и у Дэммера Дж.В.А. с Норденбергом Г.М. в книге «Конденсаторы постоянной и переменной ёмкости» (рис.2) находим места, посвящённые току утечки.
В справочнике «Конденсаторы» Горячевой Г.А. и Добромыслова Е.Р. говорится ещё и о том, что в процессе тренировки следует менять полярность подаваемого напряжения (рис.3).
Глядя на даты выхода в свет указанных источников, можно предположить, что эти рекомендации относятся к старым конденсаторам, сделанным в прошлом веке, а сейчас технологии производства уже, наверное, другие и всё не так критично, чтобы обращать на это внимание. Но, заглянув в справочные данные на достаточно современные алюминиевые электролитические конденсаторы EPCOS (рис.4), находим и там информацию о токе утечки, времени хранения, формовке (формировании) конденсаторов (см. приложение к тексту).
Итак, некоторая информация есть. Теперь вопрос в том, как построить эксперимент.
Так как дело это небыстрое, то можно использовать программу SpectraPLUS и звуковую карту с открытыми входами – это позволит делать замеры уровня постоянного напряжения на протяжении 1 часа и сохранять данные. Сама проверочная схема состоит из 3-х резисторов и показана на рисунке 5. Значение резистора R3 выбрано избыточно большим с целью уменьшения протекающего тока и «растягивания по времени» происходящих процессов. Конденсаторы подключаются зажимами «крокодил» — во-первых, это ускоряет замену, а во-вторых, если нет пайки, то нет и нагрева исследуемого элемента и не надо ждать, пока он остынет.
До установки конденсатора в схему, на выходе источника питания выставляется напряжение формовки, равное указанному на корпусе конденсатора напряжению. Затем источник питания выключается, конденсатор зажимается «крокодилами» и источник включается. В этот момент через конденсатор начинают бежать два тока – зарядный и ток утечки и на резисторе R2 «падает» напряжение, соответствующее сумме этих токов. Оно подаётся в звуковую карту и отображается в окне «Time Series» («Осциллограф») программы SpectraPLUS в виде некоторого уровня напряжения, меняющегося во времени. Максимальный подаваемый в карту уровень определяется отношением сопротивлений делителя R3/R2 и выбранным напряжением источника питания — при установке 16 В это будет около 0,23 В. По прошествии часа источник питания выключается и данные сохраняются в виде скриншотов графиков.
Наверное, стоит уточнить, что основная задача эксперимента заключается не в отформовке конденсаторов, а в наблюдении самого процесса и в нахождении отличий его протекания при установке разных конденсаторов (если, конечно, эти отличия существуют).
Кроме принесённого конденсатора, дома нашлось ещё немало других, когда-то стоявших в старых блоках питания компьютеров и материнских платах (рис.6). Их тоже можно «померить» — все они более двух-трёх лет не были под напряжением и если рекомендации по обязательной формовки после длительного бездействия считать верной, то на примере нескольких выбранных экземпляров мы после подачи напряжения на конденсатор должны будем увидеть изменения в токе утечки.
Эксперименты
Повторюсь, что время снятия графиков около 1 часа – это шкала «X» (около 3600 секунд). Указанные на шкале «Y» значения напряжений на самом деле следует делить в 10 раз — т.е. отметке «1,500 В» соответствует входное напряжение 150 мВ (это следует учитывать, если требуется посчитать протекающий через R2 ток).
Сначала были получены графики токов через конденсаторы на номинальное напряжение 16 В. Они показаны на рисунке 7. Сверху вниз – 3300×16 зелёный TEAPO, 3300×16 коричневый Su`scon, 2200×16 чёрный Fuhjyyu, 2200×16 чёрный VENT, 2200×16 чёрный SC (или CS), 1500×16 коричневый Elite. Видно, что вид графиков нельзя строго привязать к емкостному значению проверяемых конденсаторов – многое зависит от тока и попадаются экземпляры как с малым током утечки, так и с большим.
На рисунке 8 – токи конденсаторов на напряжение 10 В – 3900×10 зелёный TEAPO, 3300×10 чёрный OST IQ, 3300×10 коричневый LXJ, 2200×10 коричневый Su`scon. Привязать вид графиков к ёмкости тоже никак нельзя. Всплески у TEAPO – это результат процессов, происходящих в конденсаторе.
Токи через конденсаторы на 6,3 В – на рисунке 9 (3300×6 синий OST, 2200×6 зелёный TEAPO, 2200×6 коричн Nichicon, 1500×6 зелёный SANYO, 1200×6 зелёный CHOYO, 1000×6 голубой TEAPO). Всплески у CHOYO – это тоже результат внутренних процессов и это как раз тот самый конденсатор, что был принесён знакомым радиолюбителем и, надо полагать, что именно эти процессы вызывают шумы и трески в усилителе.
Спустя некоторое время был проверен К50-35 4700х16 1994 года выпуска, пролежавший без дела более 20 лет. График оказался «неплохой» (рис.10), а дав постоять конденсатору под напряжением несколько часов, в результате получили график с достаточно малым током утечки (рис.11), что видно даже за первую минуту контроля.
Перед многочасовой формовки К50-35 на нём было проверено влияние температуры на ток утечки – конденсатор в течении 4 минут нагревался горячим воздухом из паяльного фена. На рисунке 12 это участок до вертикальной черты (с наведёнными помехами от нагревательного элемента, питающегося через симисторный регулятор). Затем, после прекращения обдува, ещё некоторое видно увеличение тока (связанное, скорее всего с внутренним прогревом конденсатора), а потом следует его уменьшение по мере охлаждения корпуса. Если усреднить шумы графика, то увеличение тока утечки можно оценить в 3-4 раза.
Также, следуя рекомендациям по формированию конденсаторов EPCOS, были сняты два измерения с бОльшим формовочным током (сопротивления резисторов R2 и R3 уменьшены до значений 15 Ом и 100 Ом соответственно). Графики (рис.13) получились разными по току и сходные с графиками, показанными выше, что говорит о принципиальной верности измерений, проведённых с малым током.
Про шумы
Во время снятия графиков напряжений одновременно проводился и анализ шумов этих напряжений. Так как применялась звуковая карта с большим собственным шумом и открытым входом, спектры получились не очень информативные (рис.14), но всё же показывающие понижение шумов на низких частотах по прошествии часовой формовки, даже если получить малый ток утечки не удавалось. Тёмные спектры сняты спустя 2 минуты после подачи напряжения, светлые спектры – в конце часа формовки.
Чтобы убедиться в том, что по уровню шумов можно оценивать «активность» тока утечки, у конденсатора К50-35 анализ спектра был проведён на менее шумящей карте (рис.15). Здесь тёмный спектр соответствует шуму конденсатора, прошедшего часовую формовку, а светлый – это шум после многочасового нахождения под напряжением.
Про ёмкость
Перед началом экспериментов ёмкости всех конденсаторов были измерены программой RLC-meter и все показания были близки к указанным на корпусах. После экспериментов замеры повторили и у большинства конденсаторов ёмкость имела примерно такое же значение, а у некоторых заметно подросла. Например, у К50-35 оказалась даже больше номинальной — 4740 мкФ (рис.16). Эквивалентное сопротивление, конечно, великовато, но учитывая, что конденсатору 25 лет, это можно считать нормальным, т.е. соответствующим возрасту, значением.
Подведение итогов
Итог простой — при более-менее ответственном подходе к конструированию радиоаппаратуры не следует пренебрегать формовкой (формированием/тренировкой) электролитических конденсаторов, как это и указано в технической литературе.
Также, наверное, следует внимательнее относится к аппаратуре, если она новая или долгое время простояла без работы. К примеру, если УНЧ полгода-год пролежал в кладовке или под столом, то следует дать ему постоять включенным некоторое время, прежде чем слушать. Возможно, что процесс формовки конденсаторов входит в то, что в аудиофильском мире называется словами «аппарат приигрывается».
Что такое ток утечки конденсатора и как его уменьшить
Конденсатор является наиболее распространенным компонентом электроники и используется практически во всех электронных устройствах. На рынке доступно множество типов конденсаторов для различных целей в любой электронной схеме. Они доступны во многих различных номиналах от 1 пикофарада до конденсатора 1 фарад и суперконденсатора. Конденсаторы также имеют разные типы номиналов, такие как рабочее напряжение, рабочая температура, допуск номинального значения и ток утечки.
Ток утечки конденсатора является решающим фактором для приложения, особенно если он используется в силовой электронике или аудиоэлектронике. Конденсаторы разных типов имеют разные значения тока утечки. Помимо выбора идеального конденсатора с надлежащей утечкой, схема также должна иметь возможность контролировать ток утечки. Итак, сначала мы должны иметь четкое представление о токе утечки конденсатора.
Связь с диэлектрическим слоем
Ток утечки конденсатора находится в прямой зависимости от диэлектрика конденсатора. Давайте посмотрим на изображение ниже —
На изображении выше показана внутренняя конструкция алюминиевого электролитического конденсатора. Алюминиевый электролитический конденсатор состоит из нескольких частей, заключенных в компактную герметичную упаковку. Детали: анод, катод, электролит, диэлектрический слой изолятора и т. Д.
Диэлектрический изолятор обеспечивает изоляцию проводящей пластины внутри конденсатора. Но поскольку в этом мире нет ничего идеального, изолятор не является идеальным изолятором и имеет допуск на изоляцию. Из-за этого через изолятор будет протекать очень небольшой ток. Этот ток называется током утечки.
Изолятор и протекание тока можно продемонстрировать с помощью простого конденсатора и резистора.
Резистор имеет очень высокое значение сопротивления, которое можно определить как сопротивление изолятора.и конденсатор используется для копирования реального конденсатора. Поскольку резистор имеет очень высокое значение сопротивления, ток, протекающий через резистор, очень мал, обычно в несколько наноампер. Сопротивление изоляции зависит от типа диэлектрического изолятора, поскольку разные типы материалов изменяют ток утечки. Низкая диэлектрическая проницаемость обеспечивает очень хорошее сопротивление изоляции, что приводит к очень низкому току утечки. Например, конденсаторы полипропиленового, пластикового или тефлонового типа являются примером низкой диэлектрической проницаемости. Но у этих конденсаторов емкость намного меньше. Увеличение емкости также увеличивает диэлектрическую проницаемость. Электролитические конденсаторы обычно имеют очень высокую емкость, а также высокий ток утечки.
Зависимые факторы тока утечки конденсатора
Ток утечки конденсатора обычно зависит от следующих четырех факторов:
- Диэлектрический слой
- Температура окружающей среды
- Температура хранения
- Приложенное напряжение
1. Слой диэлектрика не работает должным образом.
Конструкция конденсатора требует химического процесса. Диэлектрический материал является основным разделителем между проводящими пластинами. Поскольку диэлектрик является основным изолятором, ток утечки во многом зависит от него. Следовательно, если диэлектрик закаляется во время производственного процесса, он напрямую способствует увеличению тока утечки. Иногда диэлектрические слои имеют примеси, что приводит к ослаблению слоя. Более слабый диэлектрик уменьшает ток, что дополнительно способствует медленному процессу окисления. Не только это, но и неправильное механическое напряжение также способствует снижению диэлектрической проницаемости конденсатора.
2. Температура окружающей среды
Конденсатор рассчитан на рабочую температуру. Рабочая температура может варьироваться от 85 до 125 градусов Цельсия или даже больше. Поскольку конденсатор представляет собой устройство с химическим составом, температура имеет прямую связь с химическим процессом внутри конденсатора. Ток утечки обычно увеличивается, когда температура окружающей среды достаточно высока.
3. Хранение конденсатора.
Хранение конденсатора без напряжения в течение длительного времени нехорошо для конденсатора. Температура хранения также является важным фактором тока утечки. Когда конденсаторы хранятся, оксидный слой подвергается воздействию материала электролита. Оксидный слой начинает растворяться в материале электролита. Химический процесс отличается для разных типов электролитов. Электролит на водной основе нестабилен, тогда как электролит на основе инертного растворителя способствует меньшему току утечки из-за уменьшения окислительного слоя.
Однако этот ток утечки носит временный характер, поскольку конденсатор обладает свойствами самовосстановления при подаче напряжения. Во время воздействия напряжения окислительный слой начинает восстанавливаться.
4. Приложенное напряжение
Каждый конденсатор имеет номинальное напряжение. Поэтому использовать конденсатор с напряжением выше номинального — плохо. Если напряжение увеличивается, увеличивается и ток утечки. Если напряжение на конденсаторе выше номинального, химическая реакция внутри конденсатора создает газы и разрушает электролит.
Если конденсатор хранится в течение длительного времени, например, в течение многих лет, конденсатор необходимо вернуть в рабочее состояние, подав номинальное напряжение в течение нескольких минут. Во время этого этапа слой окисления нарастает снова и восстанавливает конденсатор в рабочем состоянии.
Как уменьшить ток утечки конденсатора, чтобы увеличить срок его службы
Как обсуждалось выше, конденсатор зависит от многих факторов. Первый вопрос: как рассчитывается срок службы конденсатора? Ответ заключается в подсчете времени до тех пор, пока не закончится электролит. Электролит расходуется окислительным слоем. Ток утечки является основным компонентом для измерения степени повреждения слоя окисления.
Следовательно, уменьшение тока утечки в конденсаторе является основным ключевым компонентом срока службы конденсатора.
1. Производство или производственное предприятие — это первое место в жизненном цикле конденсатора, где конденсаторы тщательно изготавливаются с учетом низкого тока утечки. Необходимо соблюдать меры предосторожности, чтобы диэлектрический слой не был поврежден или поврежден.
2. Второй этап — хранилище. Конденсаторы необходимо хранить при надлежащей температуре. Неправильная температура влияет на электролит конденсатора, что еще больше ухудшает качество оксидного слоя. Убедитесь, что конденсаторы эксплуатируются при надлежащей температуре окружающей среды, ниже максимального значения.
3. На третьем этапе, когда конденсатор припаян к плате, температура пайки является ключевым фактором. Потому что для электролитических конденсаторов температура пайки может стать достаточно высокой, выше точки кипения конденсатора. Температура пайки влияет на диэлектрические слои на выводных выводах и ослабляет окислительный слой, что приводит к высокому току утечки.. Чтобы избежать этого, к каждому конденсатору прилагается технический паспорт, в котором производитель указывает безопасную температуру пайки и максимальное время выдержки. Для безопасной работы соответствующего конденсатора нужно быть осторожным с этими номиналами. Это также применимо к конденсаторам устройств поверхностного монтажа (SMD), пиковая температура пайки оплавлением или пайки волной не должна превышать максимально допустимый номинал.
4. Поскольку напряжение конденсатора является важным фактором, напряжение конденсатора не должно превышать номинальное напряжение.
5. Балансировка конденсатора при последовательном соединении. Последовательное соединение конденсаторов — это немного сложная задача для балансировки тока утечки. Это связано с дисбалансом токов утечки, делением напряжения и разделением между конденсаторами. Разделенное напряжение может быть разным для каждого конденсатора, и может быть вероятность того, что напряжение на конкретном конденсаторе может быть выше номинального напряжения, и конденсатор начнет работать со сбоями.
Чтобы преодолеть эту ситуацию, к отдельному конденсатору добавляются два резистора высокого номинала, чтобы уменьшить ток утечки.
На изображении ниже показан метод балансировки, при котором два последовательно соединенных конденсатора балансируются с помощью резисторов большого номинала.
Используя технику балансировки, можно контролировать разницу напряжений, на которую влияет ток утечки.
Форумы сайта "Отечественная радиотехника ХХ века"
Как известно, утечка — одна из самых неприятных проблем конденсаторов. Чаще всего страдают ей бумажные негерметичные конденсаторы и электролиты, но случается такое и у слюдяных (миграция серебра), и даже у современных плёночных (многократное самовосстановление после пробоев). Утечка может приводить к смещению режимов последующего каскада вплоть до критической перегрузки по току (a.k.a. «малиновый анод»), изменению постоянной времени RC-цепей, паразитному шунтированию сигнала и т.д.
Обычный омметр для проверки конденсаторов, как правило, бесполезен, поскольку прикладывает очень небольшое напряжение, при котором ток утечки оказывается меньше чувствительности прибора. Может помочь высоковольтный испытатель изоляции, но это специфический и довольно редкий прибор. Выпускались промышленные тестеры конденсаторов, но к сожалению, их любительские недорогие версии — в основном не в нашей стране:
До недавнего времени я проверял конденсаторы на утечку с помощью неоновой лампы и источника высокого напряжения — этот способ позволяет обнаружить утечку от долей микроампера (десятки МОм), что не всегда достаточно, да и неудобно — слабое свечение газа в неонке заметно только в полной темноте. К тому же все «высоковольтные» способы довольно опасны.
Сегодня я предлагаю вниманию коллег тестер утечек, обладающий очень высокой чувствительностью, простой и удобный в использовании, и к тому же низковольтный и безопасный:
Принцип его работы основан на оценке утечки с помощью УПТ на составном транзисторе. При применении транзисторов с большим коэффициентом передачи тока (≥300), его чувствительность оказывается столь высока, что прибор способен обнаружить ток в единицы наноампер. Это позволяет выявлять даже небольшие утечки при приложении относительно низкого и безопасного испытательного напряжения (30 вольт).
Собственно испытатель — правая часть схемы, транзисторы VT3/VT4. Переключаемые резисторы R20. R22 выбирают предел чувствительности и ток (время) заряда конденсатора. Ток утечки, усиленный составным транзистором, течёт через «сверхъяркий» красный светодиод HL3 с прозрачным корпусом. Обычно у таких диодов выраженное «тление» кристалла хорошо заметно при токе от нескольких микроампер, что будет указывать на наличие утечки в пределах выбранного диапазона, а по яркости свечения можно оценить величину утечки. Эта часть схемы является основной; её в простейшем случае можно использовать отдельно, питая напряжением 27. 30 вольт.
Если же ток через светодиод HL3 упадёт до нуля (отсутствие утечки), напряжение на его катоде приблизится к напряжению питания и вызовет срабатывание компаратора на микросхеме D3 и зажигание зелёного светодиода HL2 «Утечка отсутствует».
Левая часть схемы — дроссельный преобразователь напряжения, служит для получения требуемых 30 вольт при питании от обычной 9-вольтовой «Кроны». Схема очень экономичная, ток потребления от батарейки составляет 8. 15мА в зависимости от стадии измерений/индикации.
При разряде батареи ниже 7 вольт скважность ШИМ достигает предела и начинает снижаться вторичное напряжение, что ухудшает работу испытателя. Чтобы этого не произошло, используется микросхема-супервизор D1, которая при снижении напряжения ниже 7,3 в зажигает оранжевый светодиод HL1 «Батарея».
Видео работы устройства:
Испытание конденсатора КБГ-И на среднем пределе 600 МОм, конденсатор исправен и утечка в этом пределе отсутствует.
Что такое ток утечки конденсатора
_________________
У кошки 4 ноги и хвост-плюс,минус,вход,выход,а хвост-земля. Надо переходить с китайской бурды на канифоль.
Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет
Ведущий производитель электрического оборудования компания MORNSUN выпустила серию источников питания на DIN-рейку LI100-20BxxPR3 c выходами на 12, 15, 24 и 48 В. ИП позиционируются для умных домов, а так же используются в составе оборудования для промышленной автоматизации, различных производственных машин, рельсовых систем транспортировки и другого оборудования, работающего в условиях неблагоприятной окружающей среды.
Компания MEAN WELL продолжает активное развитие номенклатуры, осваивая новые направления и обновляя существующую продукцию с учетом возрастающих требований. В настоящий момент в Компэл представлено множество недавно вышедших новинок MEAN WELL.
MEAN WELL выпустил ряд таких новинок как мощные высоковольтные управляемые источники питания, DC/DC-преобразователи со сверхшироким входом (с креплением на DIN-рейку и на шасси), полностью обновил линейку зарядных устройств (ЗУ), DC/AC-преобразователей (инверторов) и ИБП для охранно-пожарных систем. Кроме того, выпущены специальные источники питания с выходным напряжением в виде ШИМ для светодиодных лент и модулей управляемых по DALI2 и 0…10 В, а также другая продукция.
Что тут представлять.ТОК утечки конденсатора.Вопрос:как измеряется ток?
Не обязательно.Если конденсатор с утечкой,он покажет утечку при небольшом напряжении.Да и при большом напряжении в момент заряда будет проходить большой ток.И если используется простой тестер-мультиметр,его можно вывести из строя.
Ужас. Не надо вспоминать физику, все эти I, U. Пока надо в сути разобраться.
Сразу надо заметить, что K@T описал бредовый и, даже более, вредный способ подбора конденсатора.
Ток утечки электролитического конденсатора — постоянный ток, который протекает между его обкладками при постоянном напряжении на конденсаторе. Т.е. когда зарядили конденсатор, между обкладками идет ток утечки, как будто резистор между ними повесили. Такой ток есть почти у всех конденсаторов (почти, т.к. у некоторых он пренебрежимо мал), но у идеального (воображаемого) конденсатора его нет.
Из этого, методика измерения в чистом виде. Подключили последовательно с конденсатором амперметр (измеритель тока), соблюдая полярность подключили источник питания к получившейся цепи. На амперметре видим ток утечки.
В реалистичном виде. У конденсаторов ток утечки очень мал, от единиц до (обычно, думаю) тысяч микроампер. Зарядный же ток очень велик. То есть, в вышеприведенной цепи при включении у стрелочного микроамперметра, скорее всего, погнет или сорвет стрелку, а то и обмотка сгорит. А грубым прибором, выдерживающим зарядный ток, тока утечки не увидеть. Так что сначала нужно закоротить прибор, потом дать ток, подождать, пока зарядится конденсатор и снять закоротку с прибора.
При всем этом помните, что электролитические конденсаторы в большинстве своем имеют полярность, подключение против полярности ведет к выходу конденсатора из строя и, зачастую, вонючему взрыву.