Неполярный конденсатор

Для чего используют неполярный конденсатор?

Промышленная отрасль производит самые разнообразные конденсаторы, которые затем используются во многих областях. Они требуются в следующих отраслях:

• автомобилестроении;
• радиотехнике;
• электронике;
• электробытовой технике;
• приборостроении.

Конденсаторы можно назвать «сосудами» для хранения энергии. Они отдают энергию при коротких сбоях в питании. Кроме вышеперечисленного, специальный вид данных компонентов отделяет нужные сигналы, определяет частоту устройств, которые формируют сигналы. Конденсатор имеет быстрый период зарядки-разрядки.

Справка! Данный электрический элемент (конденсатор) располагает в своём составе парой проводников — это токопроводящие обкладки. При пропускании постоянного тока цепью его запрещено включать, так как это будет равносильно разрыву цепи.

В электроцепи переменного тока обкладки конденсатора попеременно заряжаются с частотой проходящего тока. Это можно объяснить следующим: зажимы данного источника тока время от времени подвергаются смене напряжения. Далее в цепи появляется ток переменного характера.

Подобно катушке, а также резистору, конденсатор оказывает переменному току сопротивление. Следует учесть, для токов различных частот оно будет разным. Например, проявляя хорошую пропускную способность для токов высокочастотных, он будет оказывать изолирующие свойства для токов низкочастотных.

Сопротивление электрического компонента взаимосвязанно с частотой, а также ёмкостью тока.

Определение неполярных конденсаторов

Данные устройства представляют собой пассивные элементы, способные накапливать и хранить электрический заряд. Их отличительной особенностью является сохранение корректной работы при любом порядке подключения выводов в цепь. Это объясняется отсутствием серьезных различий в характеристиках сред, образующихся с двух сторон границы обкладок и диэлектрика.

Полярные и неполярные конденсаторы — в чем отличие

Полярные конденсаторы имеют пару электродов: плюсовой и минусовой. Чтобы устройство могло функционировать, при его подсоединении в электроцепь необходимо соблюдение полярности. В противном случае элемент быстро придет в негодность или даже взорвется. Электролитические накопители этого типа имеют также черты полупроводникового элемента.
От неполярных эти устройства отличаются наличием существенной разницы физико-химических свойств между средами с двух сторон раздела, которые и создают полярность. В изготовлении обоих видов устройств применяются такие токопроводящие материалы, как алюминий и тантал.

Всевозможные типы конденсаторов, используемые сегодня практически всюду в электронике и электротехнике, в качестве диэлектрика содержат различные вещества. Однако, что касается конкретно электролитических конденсаторов, в частности также танталовых и полимерных, то для них при включении в схему важно строгое соблюдение полярности. Если такой конденсатор включить в цепь неправильно, то он не сможет нормально работать. Данные конденсаторы называются поэтому полярными.

В чем же заключается принципиальное отличие полярного конденсатора от неполярного, почему одним конденсаторам все равно как быть включенными в схему, а другим принципиально важно соблюдение полярности? В этом и попробуем сейчас разобраться.

Дело здесь в том, что процесс изготовления электролитических конденсаторов сильно отличается от, скажем, керамических или полипропиленовых. Если у последних двух как обкладки, так и диэлектрик однородны по отношению друг к другу, то есть нет различия в структуре на границе обкладка-диэлектрик с обеих сторон диэлектрика, то электролитические конденсаторы (цилиндрические алюминиевые, танталовые, полимерные) имеют различие в структуре перехода диэлектрик-обкладка с двух сторон диэлектрика: анод и катод отличаются по химическому составу и физическим свойствам.

Когда изготавливают электролитический алюминиевый конденсатор, то не просто скручивают в рулон две одинаковые обкладки из фольги, проложенные пропитанной электролитом бумагой.

Со стороны анодной обкладки (на которую подается +) присутствует слой оксида алюминия, нанесенный на травленую поверхность фольги особым способом. Анод призван отдавать электроны через внешнюю цепь катоду в процессе заряда конденсатора.

Отрицательная обкладка (катод) — просто алюминиевая фольга, на нее в процессе заряда приходят электроны по внешней цепи. Электролит здесь служит проводником ионов.

Так же обстоит дело и с танталовыми конденсаторами, где в качестве анода служит порошок тантала, на котором формируется пленка пентаоксида тантала (анод связан с оксидом!), несущего функцию диэлектрика, затем идет слой полупроводника — диоксида марганца в качестве электролита, затем серебряный катод, с которого будут уходить электроны в процессе разряда.

Полимерные электролитические конденсаторы в качестве катода используют легкий проводящий полимер, а в остальном все процессы аналогичны. Суть — окислительная и восстановительная реакции, как в аккумуляторной батарее. Анод окисляется во время электрохимической реакции разрядки, а катод восстанавливается.

Когда электролитический конденсатор заряжен, то имеет место избыток электронов на его катоде, на минусовой обкладке, сообщающий как раз отрицательный заряд этой клемме, а на аноде — недостаток электронов, дающий положительный заряд, таким образом получаем разность потенциалов.

Если заряженный электролитический конденсатор замкнуть на внешнюю цепь, то избыточные электроны побегут от отрицательно заряженного катода к положительно заряженному аноду, и заряд будет нейтрализован. В электролите положительные ионы движутся в этот момент от катода к аноду.

Если включить такой полярный конденсатор в цепь неправильно, то описанные реакции не смогут нормально протекать, и конденсатор не будет нормально работать. Неполярные же конденсаторы могут работать в любом включении, поскольку в них нет ни анода, ни катода, ни электролита, и их обкладки взаимодействуют с диэлектриком одинаково, ровно как и с источником.

А что если под рукой есть только полярные электролитические конденсаторы, а нужно осуществить включение конденсатора в цепь тока с меняющейся полярностью? Для этого существует одна хитрость. Нужно взять два одинаковых полярных электролитических конденсатора, и соединить их между собой последовательно одноименными клеммами. Получится один неполярный конденсатор из двух полярных, емкость которого будет в 2 раза меньше каждого из двух его составляющих.

На этой основе, кстати, изготавливают неполярные электролитические конденсаторы, в которых слой оксида присутствует на обеих обкладках. По этой причине неполярные электролитические конденсаторы имеют значительно больший размер, чем полярные аналогичной емкости. Основываясь на данном принципе, изготавливают также электролитические пусковые неполярные конденсаторы, рассчитанные на работу в цепях переменного тока частотой 50-60 Гц.

Алюминиевые электролиты

Неполярный электролитический конденсатор с алюминиевыми обкладками отличается от других изделий довольно высоким показателем индуктивности. Она образуется вследствие скручивания обкладочных заготовок для более удобной установки в корпус-цилиндр. Несмотря на нецелесообразность индуктивных явлений в ряде случаев, изделия из алюминия пользуются популярностью, благодаря невысокой цене и доступности. Изготавливаются они в smd форме для монтажа на поверхность печатной плиты.

Главная сфера их применения – нивелирование пульсаций в цепях, где выпрямляется переменный ток. Также с помощью этих устройств пульсирующий электроток разделяется на постоянную и переменную компоненты (это применяется в устройствах, проигрывающих звукозаписи).

Важно! При выборе конденсатора желательно брать образец с меньшим значением ESR (эквивалентного последовательного сопротивления). Особенно это критично для систем, требующих фильтрации пульсаций с высокими частотами (например, блок питания ЭВМ).

Электролиты на основе тантала

Этот материал дает возможность создания высокоемких изделий, сохраняющих это свойство при значительных показателях рабочего напряжения. В отличие от предыдущего типа, они почти не имеют индуктивности, что обеспечивает им большую широту сферы применения. Изделия малогабаритны, работают стабильно, служат долго. Выпускаются в двух вариантах исполнения корпуса, заточенных под разные типы монтажа. Smd-варианты предназначены для размещения на поверхности платы. Они обладают высокой емкостью при миниатюрных размерах. Монтаж таких элементов осуществляется роботами. Есть изделия, снабженные длинными выводами, продеваемыми в дырочки на платах.

Изделия из полимеров

В таких устройствах вместо металлических обкладок применяются полимерные материалы, проводящие ток. В остальном по особенностям строения они идентичны ранее описанным категориям.

Особенности конструкции и включения НЭК

Отличительная особенность таких изделий – отсутствие постоянного смещения масс электронов на обкладочных элементах. Это достигается благодаря тому, что детали из алюминия подвергаются окислению с двух сторон диэлектрика.

Конструкция

Из-за особенностей строения рассматриваемые устройства можно сравнить с парой встречно соединенных полярных электролитических элементов, не имеющих заряда на обкладочных поверхностях. Поэтому, когда такой конденсатор подсоединяется в цепь, потребности в жесткой привязке к потенциалам не возникает. Таким образом, эти изделия способны функционировать на разных участках электроцепи и поддерживать нужные емкостные показатели.

Особенности включения

Если при подключении полярного устройства перепутать местами плюсовой и минусовой выводы, оно не сможет заряжаться и разряжаться. Поэтому нормально работать такой элемент не будет. Неполярные электролитические устройства способны работать при подключении в разные схемы без внимания к полярности. Это связано с их строением – у них отсутствуют анод и катод (пластинки с отрицательным и положительным зарядами).

Помимо электролитических, есть другая разновидность неполярных устройств. Их конструкция включает в себя пару обкладочных поверхностей (без поляризации) с вмонтированным промеж них диэлектриком. В электроцепях такие детали ставятся в роли малоемких элементов с функциями разделения тока на компоненты, блокировки и задания времени.

Маркировка

Существует три основных параметра, характеризующие конденсатор: показатель  номинальной емкости, допуска и штатного напряжения. В большинстве случаев применяется два метода маркировки – буквенно-числовой и числовой.

В первом случае буква обозначает величину емкости (μ, nF, pF) и играет роль десятичной запятой. Например, если неполярный конденсатор имеет маркировку 1 μ, значит это деталь с емкостью 1 мкф, а надпись 3μ3 – 3,3 мкФ.

Для обозначения допуска может использоваться буквенная кодировка, ее расшифровка представлена на рисунке 8.

Рисунок 8. Расшифровка буквенной маркировки допуска

Рабочее напряжение емкости также может обозначаться буквенным кодом, ниже приведена его раскодировка.

Таблица: расшифровка буквенной маркировки допустимого напряжения

Емкости небольшого размера, например, в SMD исполнении принято маркировать трехзначным цифровым кодом.

Трехзначный цифровой код параметра емкость

Чтобы не запоминать все значения таблицы, воспользуйтесь следующим правилом расшифровки: значения приводятся в пикофарадах, первое и второе значение – мантисса, третье – степень с основанием 10. Например, надпись 331 будет означать 330 пФ (33*10).

Делаем неполярный конденсатор из полярного

Порой случаются ситуации, когда для усилителя или иного прибора нужно применить неполярный конденсаторный элемент, но под рукой присутствуют исключительно полярные. Заменить неполяризованный конденсатор можно парой изделий с полюсами с емкостью, вдвое превышающей ту, которая требуется в схеме. Они соединяются друг с другом встречно-последовательно: идентичные (положительные или отрицательные) выводы соединяются между собой, другие два запаиваются в схему.

Схожий принцип имеет строение НЭК с окисями на обеих обкладках. За счет этого такие продукты имеют более крупные габариты, чем полярные изделия с тем же параметром электролитической емкости. Базируясь на этом же механизме, производят НЭК с опцией пуска, заточенные под эксплуатацию в цепях переменного тока.

Причин для нештатного применения электролитов может быть несколько, начиная от отсутствия неполярных конденсаторов и заканчивая необходимостью собрать схему, обеспечивающую подключение трехфазного электродвигателя к однофазной сети.

Решить проблему можно за счет встречного включения двух электролитов так, как показано на рисунке ниже. У обоих элементов должны совпадать как емкость, так и номинальное напряжение.

Пример соединения двух электролитов для работы в цепи переменного тока

Следует принимать во внимание, что общая емкость такого соединения «С» будет половинной от указанного номинала элементов «С1» и «С2». То есть, если имеются два электролита на 10 мкф каждый, мы получим неполярный электролитический конденсатор на 5 мкф (учитывая допустимую погрешность 4 мкф – 4,7 мкф). Что касается напряжения, то необходимо учитывать амплитуду переменного тока, то есть, для цепи 220 Вольт, следует подбирать элементы с номинальным напряжением минимум 400 Вольт.

Приведенную выше схема не совершенна, ее можно немного модернизировать, зашунтировав емкости диодами так, как изображено на рисунке ниже, это обеспечит защиту от пробоя.

Добавление шунтирующих диодов

Указанный выше принцип можно использовать для замены вышедшего из строя пускового конденсатора для электродвигателя. Не рекомендуем производить подобную замену для звука, поскольку электролиты, как и керамические емкости в силу их особенностей стараются не использовать в аудиотехнике.

Как проверить неполярный конденсатор мультиметром

Эксплуатация радиоэлектроники подразумевает и устранение неисправностей в оборудовании. Поэтому, рассматривая неполярные емкости, нельзя абстрагироваться от темы диагностики их работоспособности.

Как показывает практика, в большинстве случаев причиной выхода из строя емкости является пробой, что приводит к уменьшению сопротивления утечки. То есть, элемент становится, практически, проводником. Такую неисправность часто можно определить по внешнему виду емкости (см. рисунок 5), если это не помогло, потребуется простейший цифровой или аналоговый мультиметр.

Рисунок 5. «Выгоревшая» (пробитая) емкость

С помощью прибора следует замерить сопротивление утечки, в рабочих элементах оно должно быть бесконечно большим.  Проверка выполняется следующим образом:

• необходимо полностью демонтировать деталь, или отпаять один из ее выводов, чтобы исключить влияние других элементов цепи на показания мультиметра;
• устанавливаем на приборе режим прозвонки или измерения сопротивления (выбираем максимальный предел);
• подключаем щупы к выходным контактам (рисунок 6), при этом стараемся не прикасаться к ним, в противном случае прибор покажет сопротивление кожи;

Рисунок 6. Подключение емкости к измерительному прибору

Проводим измерение, если емкость исправна на экране отобразится единица (рисунок 7), что свидетельствует о бесконечно большом сопротивлении между обкладками.

Рисунок 7. Прибор в режиме прозвонки показывает бесконечно большое сопротивление

К сожалению, данным способом можно только проверить емкость на пробой, для определения внутреннего обрыва такой метод не подходит. В этом случае отличить поломанную деталь от работоспособной, можно измерив ее емкость, некоторые модели мультиметров имеют такую функциональную возможность. Принцип проверки практически не отличается от тестирования на пробой, за исключением того, что прибор необходимо перевести в режим измерения емкости.

Как проверить емкость конденсатора мультиметром

Одной из основных характеристик любого конденсатора является «емкость». Для того чтобы понять рабочий конденсатор или нет необходимо измерить данную характеристику и сравнить показатели с теми которые указаны производителем на корпусе устройства.

Если под рукой есть хороший прибор, то измерить емкость конденсатора мультиметром не составит труда. Но здесь есть свои нюансы.

Если пытаться измерить емкость с помощью щупов (как в моем случае с мультиметром DT9208A) то у Вас ничего не получится. Дело в том, что емкость нельзя проверить, просто подключив щупы к конденсатору. Так как проверить емкость конденсатора мультиметром и можно ли вообще это сделать?

Для этой цели на мультиметре есть специальные разъемы «гнезда» -CX+. «-» и «+» означают полярность подключения.

Давайте проверим емкость керамического кондера «104К». Напомню, маркировка 104 расшифровывается: 10 – значение в пФ, 4-количество нулей (100000 пФ = 100 нФ = 0.1 мкФ).

Выставляем переключатель мультиметра на необходимую отметку – ближайшее большее значение (я установил на отметке 200 нФ). Берем конденсатор и вставляем ножки в разъемы мультиметра -CX+.

Какой стороной вставлять не важно, так как данный кондер – неполярный. На дисплее мы видим значение емкости – 102.6 нФ. Что соответствует номинальным характеристикам.

Следующий экземпляр электролитический конденсатор с номинальной емкостью 3.3 мкФ. Переключатель выставляем на отметке 20 мкФ.

Теперь нужно правильно «воткнуть» кондер в разъемы с соблюдением полярности. Для этого нужно знать какая ножка «плюс», а какая «минус». Узнать это не составит труда, так как производитель уже позаботился об этом.

Если присмотреться на корпусе видно специальная отметка – черная полоса с обозначением нуля. Со стороны этой ножки располагается «минус», с противоположной «плюс».

Вставляем наш конденсатор в посадочные гнезда мультиметра. На фото видно, что емкость данного экземпляра равна 3.58 мкФ, что соответствует номинальным параметрам. Таким простым способом выполняется проверка конденсатора мультиметром.

Другой пример кондер емкостью 5.6 мкФ. При проверке данный экземпляр показал емкость 5.9 мкФ, что тоже соответствует норме.

Кондер МБГО, емкостью 1 мкФ показал результат 1.08, что также соответствует норме.

Если при замерах окажется что емкость сильно отличается от номинальных значений (или вовсе равна нулю) это значит, что конденсатор неисправен и его нужно заменить.

Определение напряжения при помощи мультиметра

Проверить исправную работу конденсатора возможно благодаря измерению напряжения, сравнив затем полученный результат с номиналом. Для выполнения диагностики, необходим источник питания, у которого напряжение должно быть немного меньше, чем у исследуемого элемента.

Например, если у конденсатора показатель в 25 В, то подойдёт 9-вольтный источник. Подсоединяют щупы к ножкам, предварительно обращая внимание на полярность, затем ждут немного времени — примерно несколько секунд. Случается, что время прошло, а просроченный компонент всё еще функционирует, хотя характеристики приведены иные. В подобном случае его требуется систематически контролировать.

Мультиметр следует настроить на режим определения напряжения и производят диагностику. При быстром появлении на дисплее значения равного номинальному, элемент полностью годен к использованию. В противоположном случае конденсатор надлежит поменять.

Проверка без приборов

Без измерения параметров о неисправности свидетельствуют дефекты внешнего вида:

• пятна на поверхности корпуса;
• вздутие, деформация верхней насечки на импортных электролитических конденсаторах;
• протечка электролита.

Другие способы контроля неисправности применяют в домашних условиях. Следует:

• подключить к источнику питания, напряжение не должно превышать номинальное;
• взять светодиод (низковольтную лампу с двумя проводами), дотронуться выводами светодиода до ножек конденсатора;
• вспышка светодиода (кратковременное свечение лампы) подтвердят исправность.

Для определении работоспособности конденсатора большой ёмкости:

• подключить к источнику питания, напряжение которого меньше номинального;
• снять заряд металлическим предметом.

Наличие искры при разряде подтвердит годность. При снятия заряда соблюдать осторожность, принимать защитные меры, так как разряд сопровождается мощной искрой и звуком. Для уменьшения искры применяют разряд через резистор.

Рекомендации по проверке конденсаторов

Есть у конденсаторных деталей одно неприятное свойство — при пайке после воздействия тепла они восстанавливаются очень редко. В то же время качественно проверить элемент можно только выпаяв его со схемы. Иначе его будут шунтировать элементы, находящиеся рядом. По этой причине следует учитывать некоторые нюансы.

После того как проверенный конденсатор будет впаян в схему, нужно ввести в работу ремонтируемое устройство. Это даст возможность проследить за его работой. Если его работоспособность восстановилась или оно стало функционировать лучше, проверенный элемент меняют на новый.

Комбинированный прибор мультиметр, особенно оснащенный режимом проверки емкости, дает возможность точно, быстро, а главное достоверно проверить конденсаторные детали

Чтобы сократить проверку, выпаивают не два, а только один из выводов конденсатора. Необходимо знать, что для большинства электролитических элементов этот вариант не подходит, что связано с конструктивными особенностями корпуса.

Если схема отличается сложностью и включает большое число конденсаторов, неисправность определяют посредством измерения напряжения на них. Если параметр не соответствует требованиям, элемент, вызывающий подозрения, необходимо изъять и выполнить проверку.

При обнаружении сбоев в схеме нужно проверить дату выпуска конденсатора. Усыхание элемента в течение 5 лет работы в среднем составляет около 65%. Такую деталь, даже если она в рабочем состоянии, лучше заменить. В противном случае она будет искажать работу схемы.

Для мультиметров нового поколения максимумом для измерения является емкость до 200 мкФ. При превышении этого значения контрольный прибор может выйти со строя, хотя он и оснащен предохранителем. В аппаратуре последнего поколения присутствуют smd электроконденсаторы. Они отличаются очень маленькими размерами.

Среди конденсаторов в корпусах smd самой популярной является серия FK. Они обладают емкостью 1500 мФ максимум, предельным рабочим напряжением 100 В. Имеют автомобильный сертификат AEC-Q200

Отпаять один из выводов такого элемента очень сложно. Здесь лучше приподнять один вывод после отпаивания, изолировав его от остальной схемы, или отсоединить оба вывода.

Нет смысла приобретать сложное оборудование для диагностики конденсаторов. Вполне можно использовать с этой целью мультиметр с соответствующим диапазоном измерений. Главное — уметь грамотно применить все его возможности.

Хотя это и не узкоспециализированный прибор и пределы его ограничены, для обследования и ремонта большого числа популярных радиоэлектронных устройств, этого достаточно.