Хождение по граблям
20 ноября 2020
Электролитические конденсаторы по сравнению с конденсаторами с твердотельными диэлектриками имеют существенно более высокую удельную емкость. Она достигается за счет тонкой окисной пленки на аноде конденсатора. Несоблюдение полярности тока приводит к ее разрушению. Иногда появляется желание использовать их в высоковольтных цепях переменного тока для уменьшения габаритов конструкции.
Попытка включить их в цепь переменного тока как неполярные конденсаторы приводит к быстрому перегреву и взрыву. На просторах интернета можно встретить советы, как можно обойти это препятствие. В этой заметке рассмотрим некоторые разновидности граблей, которые ожидают нас в темном чулане.
Наиболее частый совет, который мы встречаем в литературе или слышим от друзей, "тут все просто, включи два конденсатора встречно и будет тебе счастье". Плюс - к плюсу, или минус - к минусу.
Давайте попробуем включить. Возьмем из справочника характеристики конденсаторов и обратим внимание на емкость. Кого-то может удивить, что она может отличаться от той, что указана его корпусе как в большую сторону в два (!) раза, так и в меньшую на 10...20%, но это норма для таких изделий. Как раз высокая точность - исключение. Пронумеруем грабли. Про паспортную емкость были грабли №1. Вот еще пара. У некоторых типов конденсаторов со временем электролит высыхает и емкость может уменьшиться и на 30 и на 50 , а то и до 0. Это грабли №2 по порядку, но не по силе удара по лбу. Хуже этого только грабли №3, когда конденсатор превращается в резистор. Если повезет, то его сопротивление будет большим и он не закипит.
Из законов физики известно, что если включить два конденсатора последовательно, то напряжение между ними распределится обратно пропорционально их емкости. При равной емкости оно распределится поровну. Проблема именно в равной емкости. Она не равна не только для свежих конденсаторов. Электролитические конденсаторы, в отличие от керамических, полистирольных, бумажных и тем более слюдяных, стареют каждый по-своему. Один через 20 лет все еще конденсатор, а другой уже через 5 лет конденсатор только на половину, третий совсем не конденсатор.
Вспомнили физику, теперь берем пару конденсаторов С1 и С2, включаем их последовательно, как и задумали, чтобы полярность была встречная. Общая емкость пары Co найдется по известной формуле Co=C1*C2/(C1+C2). Все ли так хорошо? А если С1 в два раза больше по емкости, чем написано на корпусе? А если звезды так сложились, что еще и С2 на 20% меньше номинала, указанного на корпусе? Это соответствует паспорту на конденсатор и претензии не предъявишь.
Вполне реально, что мы получим по причине технологического разброса параметров конденсаторов напряжение на одном из них в 2 раза больше, чем на втором и общую емкость в полтора раза отличающуюся от той, что хотели. Сделаем вывод из опыта ходьбы по граблям: рабочее напряжение каждого из последовательно соединяемых конденсаторов должно быть рассчитано на полное напряжение цепи, в которую они включаются. Каждого конденсатора, на полное напряжение для сети 230В оба должны быть на напряжение 400В не меньше.
Встречаются советы включить параллельно каждому конденсатору диод, см *) и рис.1, так, чтобы полярность напряжения на конденсаторе не нарушалась. Этого, якобы, достаточно, чтобы избежать неприятностей. На самом деле ничего кардинально не поменяется. Главный рулевой тут - закон о распределении напряжения обратно пропорционально емкости. Диоды, включенные параллельно конденсаторам действительно предотвратят разрушение электролита (взрыв), но распределение напряжения между конденсаторами останется обратно пропорциональным их емкости. (Рис.1). Отличие такого включения в том, что в точке соединения появится постоянное напряжение, величина которого будет зависеть от того, каково соотношение емкостей пары. При полном их равенстве постоянное напряжение будет равно половине амплитудного значения напряжения питания. Это напряжение вы можете использовать в качестве индикатора соотношения емкостей. На вопрос, а кому это надо, я ответить не смогу.
Рис.1 Осциллограмма напряжений для конденсаторов равной емкости. Красный луч - полное напряжение, синий луч - напряжение в средней точке (модель "PROTEUS"). Желтый луч-напряжение на нагрузке 10 Ом для индикации тока в цепи. Оси всех лучей совмещены.
Поэтому каждый решает сам, нужны ли грабли. А если нужны, то какие из них лучше. В любом случае надо помнить, что полярность включения конденсаторов должна быть встречной, рабочее напряжение каждого обязательно должно быть рассчитано на полное напряжение сети, а допустимая частота переменного тока должна соответствовать паспорту на конденсаторы. И пожалуй, самый полезный совет - не верьте тому, что напечатано на конденсаторе, не забывайте о разбросе параметров емкости +100%...-20%. Т.е. купите пару десятков и найдите 2 одинаковых. Удачи!
*) Какой попало диод не подойдет. Обратное напряжение для этого диода должно быть выше амплитудного значения напряжения цепи. Для синусоиды это значение в 1.41 раза больше действующего. Если действующее значение (напряжение в розетке) равно 230В, то амплитудное равно 320В. Ток через диод можно примерно рассчитать через реактивное сопротивление Xc конденсатора емкостью С на частоте f источника напряжения по формуле Xc=1/(2*pi*f*C). Если я не ошибаюсь, для емкости 33uF сопротивление на промышленной частоте 50Hz будет чуть менее 100 Ом и импульсный ток может составить более 3.4А. Было бы хорошо, если бы это так и было.
Есть еще одно НО. При подключении к сети любого устройства процесс происходит многократно. Это селяви. Связана проблема с неидеальными контактными поверхностями. Не всегда, но случается: при подключении конденсаторы успели зарядиться. Потом из-за плохого контакта произошло повторное подключение, когда напряжение в сети достигло максимально противоположной величины. Вот вам удвоение расчетного напряжения. Поэтому если увидите рукомендации брать диоды на 1000В, не удивляйтесь. Вам могут рассказать еще более страшные вещи о коммутационных помехах в сети, которые зачастую превышают напряжение 1кВ.