Сегодня смотрю, а небольшой телевизор в режиме ожидания – перестал гореть светодиод. Разобрал и даже без тестера понял – электролит вздулся. Заменил, гоняю, работает… Поговорим о них более подробно.
Электролитические конденсаторы давно заслужили репутацию самых ненадежных компонентов в электронных схемах. По некоторым данным, на их долю приходится до 70% всех отказов компьютеров и компьютеризированных систем. Эта печальная статистика заставляет инженеров и разработчиков электроники с особым вниманием относиться к выбору и эксплуатации этих элементов. Чтобы понять причины такой низкой надежности, необходимо глубоко разобраться в особенностях конструкции, принципах работы и факторах, влияющих на срок службы электролитических конденсаторов.
Особенности конструкции и принципа работы
Электролитические конденсаторы принципиально отличаются от других типов конденсаторов своей конструкцией и принципом действия. В отличие от керамических или пленочных конденсаторов, где диэлектриком служит твердый материал, в электролитических конденсаторах используется жидкий или гелеобразный электролит, который и определяет многие их недостатки.
Основу конструкции составляет анод из алюминиевой или танталовой фольги, на котором электрохимическим способом формируется тонкий слой оксида, выполняющий роль диэлектрика. Этот слой отделяет анод от катода, которым служит сам электролит. Такая конструкция позволяет достигать очень высоких значений емкости при относительно небольших габаритах, но одновременно делает конденсатор уязвимым к различным внешним воздействиям.
Через диэлектрик, состоящий из окисла электролита (сепаратор), протекает ионный ток. Ионы движутся намного медленнее электронов, а длина их пробега, несмотря на небольшую толщину сепаратора, в десятки тысяч раз превышает толщину последнего. Это фундаментальное отличие в принципе работы приводит к целому ряду проблем, которые мы рассмотрим далее.
Основные причины низкой надежности
Главные факторы, снижающие надежность электролитических конденсаторов, можно разделить на конструктивные, технологические и эксплуатационные. Рассмотрим каждый из них подробнее.
Деградация электролита
Сердце электролитического конденсатора — его электролит — представляет собой химически активное вещество, которое со временем неизбежно изменяет свои свойства. В процессе эксплуатации электролит постепенно высыхает из-за испарения через уплотнения, даже в так называемых «герметичных» корпусах. Это приводит к увеличению эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) и уменьшению фактической емкости конденсатора.
Особенно быстро этот процесс происходит при повышенных температурах. «В первом приближении можно считать, что интенсивность отказов конденсатора возрастает вдвое при увеличении температуры на каждые 8—15 градусов». Именно поэтому срок службы электролитических конденсаторов обычно указывается для конкретной температуры, чаще всего 85°C или 105°C.
Чувствительность к перенапряжениям
Электролитические конденсаторы крайне чувствительны даже к кратковременным превышениям рабочего напряжения. «Для электролитических конденсаторов особенно опасны даже небольшие кратковременные превышения напряжения. Вероятность пробоя сильно повышается при превышении напряжения постоянного тока на 10—20% относительно номинального значения».
В высоковольтных конденсаторах ситуация еще более критичная — «превышение допустимого напряжения (даже на несколько миллисекунд) способно привести к немедленному повреждению высоковольтного алюминиевого электролитического конденсатора или же необратимому ухудшению его характеристик».
Полярность напряжения
Большинство электролитических конденсаторов являются полярными, то есть требуют соблюдения правильного подключения к источнику напряжения. Подача обратного напряжения даже в несколько вольт может привести к катастрофическому отказу. Когда напряжение, приложенное конденсатором, превышает его выдерживаемое напряжение или когда полярность напряжения полярного электролитического конденсатора меняется на обратную, ток утечки конденсатора резко возрастает, что приводит к увеличению внутреннего тепла.
Температурные воздействия
Температура — один из главных врагов электролитических конденсаторов. С повышением температуры ускоряются все процессы деградации: значительно ускоряются процессы старения, увеличивается тангенс угла потерь, снижается электрическая прочность, сопротивление изоляции и начальное напряжение возникновения ионизации.
Для герметизированных конденсаторов дополнительную опасность представляет тепловое расширение — «с повышением температуры увеличивается вероятность нарушения герметичности, деформации уплотняющих прокладок».
Влияние влажности
Влажность окружающей среды также существенно влияет на срок службы электролитических конденсаторов. «Повышенная влажность среды, в которой эксплуатируется конденсатор, вызывает коррозию металлических частей, способствует развитию микроорганизмов (грибки, плесень и т. д.), снижает электрическую прочность, увеличивает потери, повышает токи утечки».
Особенно опасна комбинация высокой влажности и электрической нагрузки для негерметизированных конденсаторов. Производители рекомендуют использовать такие конденсаторы только в герметизированных блоках аппаратуры или в блоках, покрытых влагозащитными компаундами.
Последствия отказов и их влияние на аппаратуру
Отказы электролитических конденсаторов не только приводят к выходу из строя самого компонента, но и могут вызвать серьезные повреждения окружающей схемы. В отличие от многих других пассивных компонентов, электролитические конденсаторы часто отказывают «катастрофически», то есть со вздутием корпуса, вытеканием электролита или даже взрывом.
Всем пользователям хорошо знакомы „глюки“ мониторов, компьютеров, телеприёмников и т.д. — это наглядная и негативная работа электролитических конденсаторов (любых производителей). Самые нелепые неполадки радиоаппаратуры происходящие в электронной природе провоцируют исключительно электролиты.
Выход из строя конденсатора в блоке питания может привести к выходу из строя дорогостоящих микросхем или процессоров. Вытекающий электролит часто имеет коррозионную активность и может повредить печатную плату и соседние компоненты. Порча соседних компонентов, дорожек и маски печатной платы химически агрессивными компонентами электролита, короткое замыкание силовых цепей и выводов компонентов — типичные последствия отказа электролитического конденсатора.
Сравнение с другими типами конденсаторов
Чтобы лучше понять, почему именно электролитические конденсаторы заслужили репутацию самых ненадежных, полезно сравнить их с другими типами конденсаторов.
Керамические конденсаторы, например, практически не имеют ограничений по сроку службы, если не считать механических повреждений. Они не содержат жидких компонентов, которые могли бы высохнуть или изменить свои свойства со временем. Керамические конденсаторы — сплавные по природе своей. Типичным материалом для электрода в них является никель. Переход на него, совпавший с постепенным отказом от использования драгоценных металлов позволил повысить устойчивость системы в перегрузкам».
Танталовые конденсаторы, хотя и относятся к электролитическим, демонстрируют значительно более высокую надежность. Конденсаторы, диэлектрик которых изготовлен из тантала, имеют исключительно долгий срок службы. Будучи полностью твердыми эти компоненты практически не изнашиваются механически. Но их применение ограничено высокой стоимостью и особыми требованиями к схеме включения.
Пленочные конденсаторы также значительно превосходят алюминиевые электролитические по надежности. Пленочные конденсаторы, изготовленные на основе металлизированной полиэфирной или полипропиленовой слюды, имеют самый продолжительный срок службы. Их способность к самовосстановлению после слабых пробоев диэлектрика делает их особенно надежными в ответственных применениях.
Методы повышения надежности
Несмотря на все перечисленные недостатки, электролитические конденсаторы остаются незаменимыми во многих областях электроники благодаря своей высокой удельной емкости и относительно низкой стоимости. Поэтому производители постоянно работают над улучшением их характеристик и надежности.
Один из подходов — использование твердых полимерных электролитов вместо жидких. Твердые полимерно-алюминиевые или органические полимерные конденсаторы очень отличаются в сроках службы. В их составе нет электролита. Вместо этого катод изготавливается из твердого вещества — проводящего полимера. Такие конденсаторы демонстрируют значительно более высокую надежность, особенно в условиях вибрации и механических нагрузок.
Другой подход — совершенствование конструкции и материалов для уменьшения испарения электролита. Современные конденсаторы с увеличенным сроком службы используют улучшенные уплотнительные материалы, более стабильные составы электролитов и оптимизированную конструкцию корпуса.
Важную роль играет и правильный выбор параметров при проектировании схем. Использование конденсаторов с запасом по напряжению, обеспечение хорошего охлаждения, защита от обратного напряжения — все это может значительно продлить срок службы электролитических конденсаторов в аппаратуре.
Лайк за кондеры не забудьте! :)