В электротехнике и радиотехнике не обойтись без использования конденсаторов. Если в первом случае главное требование — это надежность и долговечность, то во втором случае особое внимание уделяется еще и размерам. Миниатюризация радиотехнических и электронных приборов стала возможна с изобретением танталовых и ниобиевых конденсаторов, размеры которых составляют всего несколько миллиметров.
Тантал способствовал прогрессу
С самого зарождения радиоэлектроники велись исследования, которые были направлены на уменьшение размеров конструктивных элементов. Основное направление в этом вопросе — это увеличение рабочей частоты сигнала. Если сравнить два силовых трансформатора с частотой работы 50 и 400 Гц, то второй примерно в 8 раз меньше по размерам, чем первый.
Устаревшие конструкции конденсаторов представляют собой свернутые рулоны тонкой фольги из алюминия, которые помещаются в электролит. Достижение большой емкости было возможно только за счет увеличения размеров самого элемента. Еще один недостаток такой конструкции — это большая паразитная индуктивность при работе на частотах 100 кГц и выше.
Прорыв в производстве конденсаторов большой емкости и малого размера был достигнут при использовании тантала. Этот редкоземельный металл дороже золота и его добыча довольно сложная, но требуется его для изготовления одного элемента очень мало — не более нескольких микрограммов. Постепенно танталовые электролитические конденсаторы вытеснили устаревшие на основе алюминиевой фольги, так как их производство усовершенствовалось, а стоимость стала довольно низкой.
И это еще не предел для прогресса и усовершенствования конструкции конденсаторов. Приемниками танталовых стали ниобиевые конденсаторы, которые по своей конструкции и технологии производства идентичны предшественникам, но превосходят их по эксплуатационным характеристикам.
Конструктивные особенности устройства
Физико-химические свойства, которыми обладают тантал и ниобий, позволяют создавать из них анод особой пористой структуры. Такие структуры имеют внутреннюю поверхность в несколько десятков раз больше, чем наружную. А это дает возможность накапливать значительный электрический заряд.
Любой современный электролитический конденсатор состоит их трех конструктивных элементов:
- катода и анода;
- диэлектрического слоя;
- одного из видов электролита (щелочи, кислоты, воды, твердого или мягкого вещества).
В роли диэлектрика выступает тончайшая оксидная пленка. Ее получают методом электрохимической коррозии при пропускании электрического тока через анод на стадии производства.
Электролитом служит твердое вещество — диоксид марганца. Он имеет малый коэффициент линейного расширения, не вытекает и не высыхает, как жидкие электролиты. Внутренняя часть катода изготавливается из серебра для увеличения проводимости.
Вся внутренняя начинка заливается похожим на пластмассу веществом с диэлектрическими свойствами — компаундом.
Достоинства и недостатки
Как и танталовые, так и ниобиевые конденсаторы имеют свои положительные и отрицательные качества. Главное их достоинство — это малый размер при относительно большой емкости. А недостаток, который значительно ограничивает сферу их применения, это малая электрическая прочность. Самые мощные образцы способны стабильно и надежно функционировать при напряжениях до 35 В.
Принятая стандартная маркировка танталовых конденсаторов состоит из указания плюсового контакта и численного значения. А цвет корпуса указывает рабочее напряжение. Например:
- розовый цвет — напряжение до 35 В;
- белый цвет — до 30 В;
- серый цвет — до 35 В;
- голубой цвет — до 20 В;
- зеленый цвет — до 16 В;
- черный цвет — до 10 В;
- желтый цвет — до 6,3 В.
Система старой маркировки более сложная и неудобная, поэтому от нее отказались. Она состояла из трех полос и точки разного цвета. Цвет полос соответствовал численному значению, а цвет точки указывал множитель, на который умножалось численное значение. Такая система часто вводила в заблуждение радиотехников и требовала повышенного внимания при работе с конденсаторами, поэтому от нее и отказались и разработали новую маркировку.
Диагностика возможных неисправностей
Чаще всего встречается такая неисправность, как пробой диэлектрической пленки на аноде. Ее толщина составляет всего несколько тысяч ангстрем, а это тоньше человеческого волоса примерно в 500 раз.
Незначительный скачок напряжения может привести к пробою, при котором диэлектрическая пленка приобретает кристаллическую структуру и становится проводником электричества. В этом случае конденсатор становится проводником и сопротивление между анодом и катодом приближается к нулевому значению. На корпусе при пробое часто визуально заметно потемнение и иногда обугливание защитного покрытия из краски.
Более сложно диагностировать потерю номинального значения емкости. В домашних условиях выявить такую неисправность невозможно, для этого требуется специализированное диагностическое оборудование.
Стоимость танталовых и ниобиевых конденсаторов настолько мала, что проводить сложные измерительные работы нет смысла. Подозрительный элемент просто заменяют на новый или заведомо исправный.
