Конденсатор Электролитический: много лучше чем один, или Массив Конденсаторов

Конденсатор Электролитический Составной

Массив Электролитических КонденсаторовВместе нам веселей,
Вместе мы вдвое сильней!

 

Насколько массив электролитических конденсаторов целесообразней, чем один большой конденсатор?

Первым толчком к изучению вопроса, как водится, послужила извечная лень:

  • Во-первых, мне было никак не подобрать желаемые номиналы за разумные деньги;
  • Во-вторых, конструктивные изыски по монтажу разнокалиберных банок совершенно не радовали.

На тот момент я всё-же раскошелился на огромные банки от Kemet, и лишь чуть позже мне попался сюжет от Дэйва, где он разъясняет популярно (на Английском), почему несколько электролитов в параллель может оказаться лучшим решением. Ниже перечислю основные моменты в моей собственной интерпретации.

Паразитное сопротивление в разы ниже (Low ESR)

В простейшем случае эквивалентную схему конденсатора представляют из последовательно включённых идеальных конденсатора, индуктивности и активного сопротивления. Эту аппроксимацию можно усложнять добавляя сопротивление утечки, потери в диэлектрике, эффекты памяти и т.д. Но для наших целей упрощённой модели достаточно. Очевидно, что соединяя параллельно сопротивления и индуктивности мы в результате получаем суммарные значения во столько раз меньше, сколько конденсаторов мы соединили в параллель.

ESR большого элктролитического конденсатора высокого качества будет в районе одного-двух десятков миллиОм. ESR конденсаторов поменьше, но тоже приличного качества, обычно находится в пределах двух-трёх десятков миллиОм. Итого массив из десятка таких небольших конденсаторов по идее мог бы иметь ESR не более трёх-пяти миллиОм.

К сожалению, в данном случае начинают влиять сопротивление и индуктивность соединителей (об этом ниже). Дабы не сесть в ту же лужу, что большинство, мы берём двустороннюю плату с двойной толщиной меди, и для соединения конденсаторов в массив используем сплошную проводящую поверхность, покрывающую всю площадь, занимаемую конденсаторами. Проводящая поверхность на одной стороне платы подключена к положительным выводам, на другой - к отрицательным.

Рабочие токи в разы выше (High Ripple Current)

Сравним 9.1А Ripple Current одного большого электролита, и 3.2А маленького (здесь и далее все примеры из конкретных спецификаций, большой конденсатор близкий по ёмкости к сумме маленьких, и на такое же рабочее напряжение). Маленьких много (в нашем случае девять штук), они равномерно "разбирают" каждый по приблизительно одинаковому "кусочку" общего тока. Итого на всех получаем 28А. Это вряд-ли когда нам понадобится в реальной жизни, но чем больше запас - тем надёжней аппарат.

Улучшеный тепловой режим

Чем меньше греется электролитический конденсатор - тем больше срок его безотказной работы.

На низких частотах нагрев происходит в основном из-за выделения тепла от протекания тока через последовательное паразитное сопротивление. Как мы уже выяснили, суммарное ESR массива конденсаторов меньше, нежели одного большого. Отсюда автоматом получаем меньший нагрев.

Теперь посмотрим, как охлаждается конденсатор. Основной вклад в охлаждение вносят излучение и обдув воздухом. У большого конденсатора поверхность существенно меньше (он ближе по форме к фигуре с минимальным отношением поверхности к объёму - шару), нежели у стайки маленьких. В итоге у массива больше площать поверхности - лучше отдача тепла как излучением, так и через конвекцию и/или обдув.

Повышенная надёжность

Высыхание электролита, брак изготовителя, или нарушение контакта при монтаже - и один электролитический конденсатор уже в поле не воин. Если же не повезло одному из десятка, то отряд и не заметит потери бойца.

Упомяну ещё один, скорее эмпирический, но всё же фактор риска для больших электролитов: весьма велик шанс отломать, или повредить и не заметить этого, крепёж / контакты - и провода толстые, и сам конденсатор велик и создаёт больше усилия при всевозможных ускорениях (вибрациях). Тогда как распайка небольших колбочек на печатную плату ни у кого не вызывает особых затруднений.

Ниже стоимость

Если выбирать качественные компоненты, то сильно снизить стоимость не получается. И всё же выгода есть. Эффекта здесь два срабатывают:

  1. Количество одновременно закупаемых небольших конденсаторов велико и уже даёт ощутимую оптовую скидку у серьёзных поставщиков. Обычно от 10 штук уже дешевле, а если брать сотню и более - так и очень "вкусно" бывает 🙂
  2. Большие электролитические конденсаторы товар практически штучный, производители партии выпускают небольшие, в подтверждение можно посмотреть объёмы на складах крупных поставщиков. Тиражи же производства небольших конденсаторов гораздо выше - их потребляют все подряд: компьютеры, бытовая техника, промышленная автоматика, автомобильная электроника, всего и не перечислишь. При массовом производстве цена (при пересчёте на ту же ёмкость и напряжение - столько же фольги и изолятора) натурально снижается.

К сожалению, печатная плата и необходимость сборки отъедают свою долю в финальном ценнике. Но не стоит забывать и про весомый вклад, если не в цену, то во время разработки (а моё время дорогого стоит), всех плясок с бубном вокруг монтажа больших электролитов.

Удобство монтажа

Признаюсь как на духу (вы уже наверняка догадались 🙂 ), жуть как невзлюбил я монтировать большие электролиты с самого начала моей карьеры в электронике:

  • Нужно изобрести, как его прикрепить к корпусу;
  • И даже когда в комплекте идут крепёжные пояса или придумал удобную держалку - попробуй найди ему подходящее место;
  • При подключении проводов под винт необходимо разделать провода и, что самое главное, не свернуть при этом бошку клеммы этому самому дорогущему кондею;
  • Если же выводы под пайку - то и того хуже: перегреть нельзя, провода (а мы же здесь все как-никак за High-End'ом собрались 😉 ) так и норовят выломать выводы на корню. Если печать - то каждый раз разводи под хитровыдуманные размеры 😉

Печатную плату под массив можно изготовить произвольных размеров, с удобным размещением крепёжных отверстий. Так, к примеру, мой вариант согласуется по крепежу с фильтрами питания. К тому же несколько таких плат легко собрать в компактную этажерку.

На той же плате предусмотрены как крепления провода под винт, так и колодки-терминалы. Да и шунтирующие плёночные конденсаторы нашли себе местечко, и нет необходимости их городить на проводах.

Доступность

Только что проверил на Mouser:

  • 2200uF 63V - 24 разновидности (18, если ограничиться габаритами, под которые у меня плата разведена)
  • 22000uF 63V - лишь один тип в наличии

Несколько мешков с самыми ходовыми небольшими электролитами покроют подавляющее большинство нужд разработчика, особенно когда под рукой есть платка, на которой их можно собрать в массив. Большими же конденсаторами на все случаи жизни, увы, не напасёшься.

Неожиданный эффект

Вопрос:

Заменил в питании усилителя старые полудохлые конденсаторы на Ваш массив с новейшими электролитами, а усилитель стал гудеть ещё больше, чем то было раньше!

Ответ:

В обычной схеме трансформаторного источника питания заряд накопительного конденсатора происходит не всё время, а только в моменты, когда выпрямленное напряжение с моста превышает оставшееся к тому моменту напряжение на конденсаторе. В момент включения диодов ток весьма резко возрастает от нуля до максимума, и ограничен лишь активным сопротивлением обмоток трансформатора, да паразитными сопротивлениями выпрямителя и конденсаторов. Внутреннее паразитное Последовательное Сопротивление (ESR) старых электролитов играло роль демпфера, смягчало эти броски зарядного тока. С новым, качественным накопительным конденсатором, ESR которого может быть на порядки ниже старого, броски зарядного тока могут увеличиться в разы. И если есть пути проникновения этих помех в сигнал (а очевидно всё было не очень хорошо и ранее, раз усилитель заметно гудел и до обновления конденсаторов), то с новыми конденсаторами всё стало лишь хуже. Возможные пути устранения проблемы:

  1. Убирать пути проникновения помехи из питания в сигнал (детали опустим для краткости, тема достойна отдельного опуса)
  2. Искусственно ввести сопротивление, ограничивающее броски зарядного тока.

Пункт №2 - мой излюбленный приём 🙂 Мы как бы добавляем обратно паразитное сопротивление конденсатора, но лишь со стороны зарядного тока. Нагрузке же (усилителю) предоставляем низкий импеданс качественного конденсатора во всей красе!

Для скептиков

На просторах Сети встретилась мне на первый взгляд грамотная статья: "Массив конденсаторов – мифы и реальность". Автор сего опуса очевидно знаком с измерениями, и весьма старателен. Странно только, что он ходит по тем граблям, которые сам же тщательно вымеряет и разъясняет: печатная плата под массив разведена "гребёнкой". Сопротивление и индуктивность длинных "зубчиков" этой гребёнки на печатной плате губят на корню основные преимущества массива.

Анекдот:
- Вы любите кошек?
- Нет.
- Просто Вы не умеете их готовить!

В погоне за дешевизной (за счёт применения односторонней печатной платы), подобные гребёнки лепят все подряд любители сэкономить, особенно те, что родом из Клуба_Недоучек_Радиогубителей. Вот ещё пример такого же безграмотного  массива электролитов, который между прочим идёт как горячие пирожки на Алибабе:

Неудачный массив электролитов, вид сверху

Неудачный массив электролитов, вид снизу 1

 

Увы, сейчас подобных плат множество на сайтах типа иБэй и Алибаба. Будьте осторожны - не ведитесь на безграмотную дешёвку!

 

Эффективное решение

Для компенсатора постоянной составляющей как раз необходимы мне были конденсаторы на десятки тысяч микрофарад, при чём высокая надёжность была одним из основных требований. Очень хотелось так же, чтобы компенсатор удобно крепился в паре с моими фильтрами питания. Разработал я плату, набрав необходимую ёмкость в каждом плече из девяти небольших электролитов в параллель. Посмотрел на сие творение и тут же понял, что уникального от компенсатора постоянки там лишь три диодика, остальное - отличный массив электролитических конденсаторов. Причём полезное место не пропадает зря: на место зенеров прекрасно встают плёночные шунтирующие конденсаторы.

На фото ниже детали ещё не напаяны на плату, просто собраны для проверки компоновки. Диаметр конденсаторов 18мм.

Массив Электролитических Конденсаторов

Печатная плата представляет собой по сути четыре проводника: по две полосы шириною в половину платы с каждой стороны. Толщина меди 70µm. Обработка контактных площадок - позолота ENIG.

Конденсаторы можно применять с расстоянием между выводами 3.5мм, 5мм, и 7.5мм.

 

Комментарии ВКонтакте

17 thoughts on “Конденсатор Электролитический: много лучше чем один, или Массив Конденсаторов

  1. Для удобности охлаждении можно проделать дополнительные дырки на плате?
    Например на месте «состиковок» C8-C14-C15, C9-C15-C16, C10-C16-C17…
    Это улучшит охлаждение при горизонтальном монтаже плати (или при перпендикулярном обдуве плоскости платы ).

    • Vakhtang, блародарю, идея действительно хороша!
      В оправдание того, что я так делать не стал, скажу лишь, что стараюсь использовать литы в режимах, где нагрев незначительный. Если самонагрев конденсатора ощущается рукой — надо что-то править срочно, в серию такое устройство выпускать нельзя.

  2. Сергей,СПАСИБО!доходчиво и живо! с уважением Захар СПб

    • Захар, приветствую на сайте!
      Заглядывайте почаще 🙂

  3. Насчёт обдува через доп отверстия- я бы не волновался. Такой массив емкостей вряд ли нагреется сильнее обычной банки.
    Меня другое смущает: разница в мощности разряда при проверке банки » на искру» между старинными конденсаторами и новомодными крохотульками внушительная. Если старая банка оставляет на отвёртке лунные кратеры, то такая же на ту же ёмкость новая реагирует серией коротких слабых трескучих разрядиков, заставляющих думать, что деталь дохлая.. А она новая. Что-то видимо, круто поменялось в технологии деталей, если они так себя ведут.
    Сама идея параллелить банки малой ёмкости-замечательная. индуктивности параллелятся, полоса у малоемкостных банок широченная, цена проекта выходит в разы скромнее одного монстра такой же ёмкости. Так что, я — за.

    • Александр, благодарю за поддержку! 🙂
      В последние лет -дцать я самыми жёсткими методами отучаю себя проверять литы «на искру». Такая проверка с высокой вероятностью может фатально повредить конденсатор, а при замерах на скорую руку эти повреждения могут проскочить незамеченными.
      Но, каюсь, кто не грешен 😉 Эффект «многоискровости» тоже замечал. Я склонен относить это к низкому качеству лита — эффект памяти конденсатора. Диэлектрическая адсорбция ли это, аккумуляторный ли эффект — кто знает наверняка, расскажите?

  4. Сергей, есть ещё наблюдение: чиню домофонную технику , блоки питания в том числе.И там есть блоки питания с двумя выпрямителями на 12 и 18 в. Обычная беглая проверка- пинцетом на искру. и сразу ясно, живы кондёры или нет.
    Так вот. Раньше туда ставили большие ёмкости, они здорово бахали в ответ.
    А сейчас с миниатюрными емкостями- какое-то жалкое «многоискрение» Смотрю пульсации под нагрузкой- да
    вроде порядок, а замыкаю- странное ощущение, что банка битая.

  5. Как обычно — интересно и доходчиво! Спасибо что вновь пишите для нас!
    ждём новых и новых статей!

  6. Сергей, в одном журнале Радио в начале 2000-х была умная статья насчёт проверки емкостей на частотные свойства и ESR . Методика несложная: от генератора дать сигнал 10 вольт через 1 килоом, повышая частоту и контролируя сигнал на выводах конденсатора милливольтметром. Находим частоту, на которой минимум напряжения, а дальше оно снова растёт из-за превращения емкости в индуктивность. Эта частота у каждого конденсатора своя, а величина остаточного напряжения показывает нам ESR.
    Сразу ясно, до какой частоты конденсатор может реально работать.
    Плёночные. например, бегут до мегагерц, электролиты — могут и на килогерце рухнуть.Там от ёмкости сильная зависимость.
    Вот по этой методике можно и сравнить одиночную банку и пачку мелких и сделать выводы.

    • По поводу слабой искры возможно следующее: большая или маленькая искра определяется силой разрядного тока. Функция разрядного тока — это экспонента с отрицательным показателем, который является дробью, знаменателем которой является постоянная разрядки (произведение разрядного сопротивления на емкость). При параллельном соединении сопротивление уменьшается (ну отвертку трогать не будем, ее сопротивление постоянно). Ну математики быстро посчитают, что разрядный ток уменьшится в одни и те же моменты времени. Неплохо было бы измерить время разрядки банки и отдельного конденсатора такой же емкости, если банка разряжается медленнее (на глаз все равно не уловить), то и мощность искры падает. Как-никак мощность это энергия в единицу времени.

      • На досуге проделаю опыт, возьму старинную ёмкость (нашу или фирменную) и пару нынешних. Проверю на искру и на лампочку.
        Но при всем уважении к прогрессу внутренне всё же больше доверяю здоровенным банкам, нежели крохотным напёрсткам.

    • Спасибо, Александр, за напоминание! С большими литами не так всё тривиально вышло: при ESR в полтора десятка миллиом, через 1 кОм вообще ничего не намерить 🙂
      Загрузил напрямую через 50 Ом выходного сопротивления генератора. С одним конденсатором получилось чуточку лучше заявленных производителем 15мОм, при этом мерил True-RMS вольтметром. Так же в параллель проверял аналоговым осциллографом с маркерами, на котором ещё и «на глаз» определял, на какой частоте сигнал начинал расти. Мерил на разных частотах, зависимости частоты резонанса (правда он очень сильно размыт — добротность-то никакая) от количества банок не наблюдалось. При добавлении конденсаторов на плату, измеренное ESR уменьшалось вполне себе пропорционально их количеству. Что и требовалось доказать 🙂
      Увы, измерения мои «наколеночные» были уже довольно близко к шумовому полу, поэтому больше восьми литов в параллель уже трудно было что-либо рассмотреть. Т.е. циферки уменьшались, но какие-то проценты над шумом — об этом уже несерьёзно рассказывать.

      • Сергей, я ещё наблюдал на осциллографе фронт меандра , на выводах конденсаторов, там чудные вещи творятся. Скажем, иголка и затухающие периоды .Всё понятно, индуктивность выводов и рулона.
        Казалось бы: шунтируем классным вч конденсатором и всё убирается. Ага. Как же. Ничего- и никуда. затухающие колебания резко снижают частоту, но не уходят. И суммарная ПХ бутерброда из электролита с шунтом плёнкой на вид ничем не лучше обычного лита. Хотя, на слух как-то что-то лучшеет. Убеждался сам.

        • У меня в тетрадке записаны результаты тех замеров в начале 2000-х, взял кучу емкостей и прогнал генератором, обнаружилась закономерность: у электролитов резонанс размытый, что понятно, частота его на емкостях в тысячи микрофарад уже попадает в звуковой диапазон, а позже проверенные на спец-приборе емкости с местного рынка вообще оказались неспособны быть конденсаторами :выше 100 герц, резко падала добротность, тангенс потерь зашкаливал, прибор уходил в непонятку. Лучше всех прочих , истинно звуковые электролиты оказались Ничиконы старые, голубого цвета, Филипсы, Roe, Панасоники , и Рубиконы. Блэк гейты каких-то особых свойств не выказали, хотя параметры были на высоте.

          • С огромными литами японский ECR meter «DE-5000» точно так же оказывается бессилен на частотах выше 120Hz — ну не прокачать ему таких токов от 9-вольтового своего питания, чтобы получить что-нибудь измеряемое на 100КГц да при 10000мкФ (и уж тем более при 180000мкФ) в нагрузке 😉
            С генератором и осцилом/вольтметром все приличные литы от ничиконов да панасоников ведут себя вполне пристойно до 50КГц, к сотне КГц уже видно влияние индуктивности (выводов/бобины), но тоже всё ещё соизмеримо с ESR, измеренном на низких частотах. Барахляные электролиты не мерял — времени жалко было, а на до бы, любопытно, однако 🙂

  7. Не помню, что за прибор был у знакомого, он измерял тангенс И esr на нескольких частотах , причём, были емкости , которые на 10 000 гц остались конденсаторами, а были такие, что выше 100 гц сдохли. Ограничений по ёмкости в том приборе как бы не было.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *