Лабораторная по физике №5 - оцениваем ток утечки электролитических конденсаторов

Началось всё, как это часто и происходит, с прихода знакомого радиолюбителя с вопросом «А правда ли что параметры электролитических конденсаторов меняются во времени?». После уточнения того, какие конкретно параметры подразумеваются, решили, что интересно изменение тока утечки конденсатора связанное со временем. Более же конкретно задача выражалась словами – «вот конденсатор и он, будучи поставленным в цепь катодного смещения первого каскада усилителя, добавляет в музыку шумы и потрескивание. Можно узнать, что в нём происходит? Или даже посмотреть?».

Наверное, можно, но сначала

Немного отправной информации

Смотрим справочную литературу. Например, в «Справочнике по электрическим конденсаторам» под редакцией Четверткова И.И. и Смирнова В.Ф. (рис.1) и у Дэммера Дж.В.А. с Норденбергом Г.М. в книге «Конденсаторы постоянной и переменной ёмкости» (рис.2) находим места, посвящённые току утечки.

Рис.1

Рис.2

В справочнике «Конденсаторы» Горячевой Г.А. и Добромыслова Е.Р. говорится ещё и о том, что в процессе тренировки следует менять полярность подаваемого напряжения (рис.3).

Рис.3

Глядя на даты выхода в свет указанных источников, можно предположить, что эти рекомендации относятся к старым конденсаторам, сделанным в прошлом веке, а сейчас технологии производства уже, наверное, другие и всё не так критично, чтобы обращать на это внимание. Но, заглянув в справочные данные на достаточно современные алюминиевые электролитические конденсаторы EPCOS (рис.4), находим и там информацию о токе утечки, времени хранения, формовке (формировании) конденсаторов (см. приложение к тексту).  

Рис.4

Итак, некоторая информация есть. Теперь вопрос в том, как построить эксперимент.

Так как дело это небыстрое, то можно использовать программу SpectraPLUS и звуковую карту с открытыми входами – это позволит делать замеры уровня постоянного напряжения на протяжении 1 часа и сохранять данные. Сама проверочная схема состоит из 3-х резисторов и показана на рисунке 5. Значение резистора R3 выбрано избыточно большим с целью уменьшения протекающего тока и «растягивания по времени» происходящих процессов. Конденсаторы подключаются зажимами «крокодил» - во-первых, это ускоряет замену, а во-вторых, если нет пайки, то нет и нагрева исследуемого элемента и не надо ждать, пока он остынет.

Рис.5

До установки конденсатора в схему, на выходе источника питания выставляется напряжение формовки, равное указанному на корпусе конденсатора напряжению. Затем источник питания выключается, конденсатор зажимается «крокодилами» и источник включается. В этот момент через конденсатор начинают бежать два тока – зарядный и ток утечки и на резисторе R2 «падает» напряжение, соответствующее сумме этих токов. Оно подаётся в звуковую карту и отображается в окне «Time Series» («Осциллограф») программы SpectraPLUS в виде некоторого уровня напряжения, меняющегося во времени. Максимальный подаваемый в карту уровень определяется отношением сопротивлений делителя R3/R2 и выбранным напряжением источника питания - при установке 16 В это будет около 0,23 В. По прошествии часа источник питания выключается и данные сохраняются в виде скриншотов графиков.

Наверное, стоит уточнить, что основная задача эксперимента заключается не в отформовке конденсаторов, а в наблюдении самого процесса и в нахождении отличий его протекания при установке разных конденсаторов (если, конечно, эти отличия существуют).

Кроме принесённого конденсатора, дома нашлось ещё немало других, когда-то стоявших в старых блоках питания компьютеров и материнских платах (рис.6). Их тоже можно «померить» - все они более двух-трёх лет не были под напряжением и если рекомендации по обязательной формовки после длительного бездействия считать верной, то на примере нескольких выбранных экземпляров мы после подачи напряжения на конденсатор должны будем увидеть изменения в токе утечки.

Рис.6

Итак, сами

Эксперименты

Повторюсь, что время снятия графиков около 1 часа – это шкала «X» (около 3600 секунд). Указанные на шкале «Y» значения напряжений на самом деле следует делить в 10 раз - т.е. отметке «1,500 В» соответствует входное напряжение 150 мВ (это следует учитывать, если требуется посчитать протекающий через R2 ток).

Сначала были получены графики токов через конденсаторы на номинальное напряжение 16 В. Они показаны на рисунке 7. Сверху вниз – 3300x16 зелёный TEAPO, 3300x16 коричневый Su`scon, 2200x16 чёрный Fuhjyyu, 2200x16 чёрный VENT, 2200x16 чёрный SC (или CS), 1500x16 коричневый Elite. Видно, что вид графиков нельзя строго привязать к емкостному значению проверяемых конденсаторов – многое зависит от тока и попадаются экземпляры как с малым током утечки, так и с большим.

Рис.7

На рисунке 8 – токи конденсаторов на напряжение 10 В – 3900x10 зелёный TEAPO, 3300x10 чёрный OST IQ, 3300x10 коричневый LXJ, 2200x10 коричневый Su`scon. Привязать вид графиков к ёмкости тоже никак нельзя. Всплески у TEAPO – это результат процессов, происходящих в конденсаторе.

Рис.8

Токи через конденсаторы на 6,3 В – на рисунке 9 (3300x6 синий OST, 2200x6 зелёный TEAPO, 2200x6 коричн Nichicon, 1500x6 зелёный SANYO, 1200x6 зелёный CHOYO, 1000x6 голубой TEAPO). Всплески у CHOYO – это тоже результат внутренних процессов и это как раз тот самый конденсатор, что был принесён знакомым радиолюбителем и, надо полагать, что именно эти процессы вызывают шумы и трески в усилителе.

Рис.9

Спустя некоторое время был проверен К50-35 4700х16 1994 года выпуска, пролежавший без дела более 20 лет. График оказался «неплохой» (рис.10), а дав постоять конденсатору под напряжением несколько часов, в результате получили график с достаточно малым током утечки (рис.11), что видно даже за первую минуту контроля.

Рис.10

Рис.11

Перед многочасовой формовки К50-35 на нём было проверено влияние температуры на ток утечки – конденсатор в течении 4 минут нагревался горячим воздухом из паяльного фена. На рисунке 12 это участок до вертикальной черты (с наведёнными помехами от нагревательного элемента, питающегося через симисторный регулятор). Затем, после прекращения обдува, ещё некоторое видно увеличение тока (связанное, скорее всего с внутренним прогревом конденсатора), а потом следует его уменьшение по мере охлаждения корпуса. Если усреднить шумы графика, то увеличение тока утечки можно оценить в 3-4 раза.

Рис.12

Также, следуя рекомендациям по формированию конденсаторов EPCOS, были сняты два измерения с бОльшим формовочным током (сопротивления резисторов R2 и R3 уменьшены до значений 15 Ом и 100 Ом соответственно). Графики (рис.13) получились разными по току и сходные с графиками, показанными выше, что говорит о принципиальной верности измерений, проведённых с малым током.

Рис.13

И напоследок

Про шумы

Во время снятия графиков напряжений одновременно проводился и анализ шумов этих напряжений. Так как применялась звуковая карта с большим собственным шумом и открытым входом, спектры получились не очень информативные (рис.14), но всё же показывающие понижение шумов на низких частотах по прошествии часовой формовки, даже если получить малый ток утечки не удавалось. Тёмные спектры сняты спустя 2 минуты после подачи напряжения, светлые спектры – в конце часа формовки.

Рис.14

Чтобы убедиться в том, что по уровню шумов можно оценивать «активность» тока утечки, у конденсатора К50-35 анализ спектра был проведён на менее шумящей карте (рис.15). Здесь тёмный спектр соответствует шуму конденсатора, прошедшего часовую формовку, а светлый – это шум после многочасового нахождения под напряжением.

Рис.15

Про ёмкость

Перед началом экспериментов ёмкости всех конденсаторов были измерены программой RLC-meter и все показания были близки к указанным на корпусах. После экспериментов замеры повторили и у большинства конденсаторов ёмкость имела примерно такое же значение, а у некоторых заметно подросла. Например, у К50-35 оказалась даже больше номинальной - 4740 мкФ (рис.16). Эквивалентное сопротивление, конечно, великовато, но учитывая, что конденсатору 25 лет, это можно считать нормальным, т.е. соответствующим возрасту, значением.

Рис.16

Подведение итогов

Итог простой - при более-менее ответственном подходе к конструированию радиоаппаратуры не следует пренебрегать формовкой (формированием/тренировкой) электролитических конденсаторов, как это и указано в технической литературе.

Также, наверное, следует внимательнее относится к аппаратуре, если она новая или долгое время простояла без работы. К примеру, если УНЧ полгода-год пролежал в кладовке или под столом, то следует дать ему постоять включенным некоторое время, прежде чем слушать. Возможно, что процесс формовки конденсаторов входит в то, что в аудиофильском мире называется словами «аппарат приигрывается».

Андрей Гольцов, r9o-11, г. Искитим

Теги:

• Анализатор спектра