КОНДЕНСАТОРНАЯ "ЧУМА"
В последние несколько лет мир ПК поразила эпидемия конденсаторной “чумы”. Внешние проявления “чумы” – вздувшиеся электролитические конденсаторы и вытекание электролита на плату. По некоторым данным, на их долю приходится до 70% всех неисправностей.
Однако отмечено, что чаще этим страдают конденсаторы вполне определенных фирм-изготовителей и даже составлен “черный список” таких фирм.
В средствах массовой информации ходит байка, согласно которой “в 2001 году некий китайский ученый, работавший на японскую компанию, занимающуюся производством электролитических конденсаторов, ухитрился выкрасть секретную формулу новейшего электролита. И все бы ничего, да только украденная у японцев формула оказалась неполной и конденсаторы, заполненные «неправильным» электролитом, разрушаются под действием скопившегося внутри водорода, выводя из строя материнскую плату”.
Вот еще перл:"Сейчас много материнских плат выходят из строя по той причине, что на них установлены электролитные конденсаторы с жутким электролитом на водной основе. В течение нескольких дней или месяцев конденсаторы впитывают в себя водород из воздуха и взрываются, портя материнскую плату или любую схему, на которой они установлены”.
Сделаем попытку разобраться в этом явлении. Прежде всего, нужно критически воспринимать все эти измышления журналистов, имеющих весьма отдаленное представление об истинной сути вопроса.
Несомненно, состав электролита важен, но для химических лабораторий, оснащенных современным аналитическим оборудованием, определить состав электролита, взятого из конденсатора, не представляет особого труда. Проблема не в том, из чего сделать конденсатор, а в том, как его сделать, какие при этом используются технологии. Именно технология является тем «ноу-хау», что определяет в конечном итоге качество любого изделия, в том числе и конденсатора. Для аналогии можно привести пример с атомной бомбой. Любой школьник знает из чего она состоит, но технология ее изготовления – “тайна за семью печатями”.
Очевидно, что вздутие конденсатора является следствием выделения газа внутри его конструкции, что обусловлено физико-химическими процессами, протекающими либо в результате нарушения электрических режимов и условий его эксплуатации, либо технологическими дефектами производства самих конденсаторов.
Причины выхода конденсаторов из строя (отказы) условно разделим на внешние и внутренние.
К внешним причинам следует отнести все отказы, связанные с просчетами разработчиков в схемотехнике, разводке печатных плат и компоновке РЭ, что в конечном итоге отрицательно сказывается на электрических режимах работы конденсаторов. Сюда же отнесем отказы конденсаторов вследствие выхода из строя (или неправильной работы) других элементов на печатных платах. Во всех этих случаях даже конденсаторы высокого качества могут выйти из строя.
К внутренним причинам следует отнести отказы, обусловленные низким качеством самих конденсаторов.
Кратко остановимся на внешних причинах.
Для надежной работы любых элементов, в том числе и конденсаторов, необходимо соблюдение определенных норм и режимов их эксплуатации. Так интенсивность отказов конденсаторов возрастает с увеличением коэффициента нагрузки более 0,7-0,8. Под коэффициентом нагрузки понимается отношение действительного напряжения (сумма напряжений переменного и постоянного токов) на конденсаторе к его номинальному напряжению. Однако соотношение переменной и постоянной составляющих также не произвольно и должно ограничиваться определенными нормами, иначе возможно развитие процесса ионизации электролита и нагрев конденсатора сверх допустимых значений. Амплитуда переменного напряжения и ток, проходящий через конденсатор не должны превышать определенной величины, так как при отрицательной полуволне напряжения на аноде появляется постоянная составляющая тока, расформирующая анодный слой с последующим увеличением тока утечки, разогревом и газовыделением. Ранее в ТУ на конденсаторы оговаривались все эти нормы и величины, например, для частот 50Гц, 1кГц и 20кГц допустимое значение амплитуды переменного напряжения по отношению к постоянной составляющей не должно было превышать соответственно 20, 3,5 и 0,5 процента.
Следует отметить, что возможность выделения газа в оксидных конденсаторах учитывалась их разработчиками всегда, для чего в некоторых моделях (К50-7) в дне корпуса имелось предохранительное отверстие, закрытое резиновой вставкой, а в некоторых моделях зарубежного производства имеется специальное утоньшение в резиновой обжимке для выводов.
В каких условиях эксплуатируются конденсаторы в современной электронной аппаратуре – нужно разбираться в каждом конкретном случае, и делать соответствующие выводы.
Перейдем к внутренним причинам, для чего заглянем внутрь конденсатора и вспомним, как он устроен.
В электролитическом (оксидном) конденсаторе обкладки (катод и анод) представляют собой две алюминиевые ленты толщиной 50-100мкм, между которыми проложена специальная бумага, пропитанная жидкостью - электролитом. На одной из обкладок (аноде) электрохимически сформирован очень тонкий слой оксида алюминия (0,1-5мкм), который является диэлектриком и обладает свойствами односторонней проводимости. Физически роль второй обкладки выполняет электролит, который непосредственно контактирует с оксидной пленкой, а другая алюминиевая лента фактически является лишь токоотводом.
Рассмотрим отдельные элементы конструкции и их влияние на качество конденсатора.
-Электролит-
Одной из основных проблем при создании конденсатора является выбор жидкости для электролита. Жидкость должна быть электропроводной, но водные растворы использовать нельзя, так как вода разрушает оксидную пленку и сам алюминий, а также электрохимически разлагается с выделением водорода и кислорода. Поэтому ищут безводные (или с низким содержанием воды) органические жидкости (растворители), в которых для создания электропроводности растворяют вещества, способные диссоциировать на ионы. Найти пару таких веществ непростая задача, поскольку, как правило, неорганические вещества (соли) плохо растворяются в органике. К тому же их ионы не должны электрохимически восстанавливаться или окисляться на электродах конденсатора. Кроме того, жидкость должна быть высококипящей, то есть иметь низкое давление пара в диапазоне рабочих температур. Она не должна химически взаимодействовать с материалом анода и катода, а при электролизе должна восстанавливать дефекты анодного слоя, не должна разлагаться при повышении температуры, не должна замерзать при низких температурах и т. д.
Как видим, сложностей достаточно, поэтому создатели электролитов и не спешат поделиться своими секретами.
-Оксидная пленка-
Формирование пленки (анодирование) - сложный электрохимический процесс со своими технологическими тонкостями и ноу-хау, где химический состав электролита (специальные добавки), режим анодирования (напряжение, температура) и др., в конечном итоге определяют качество оксидной пленки. Большую роль играет качество (чистота) металла, из которого изготавливается алюминиевая лента. Алюминий должен быть высокой степени чистоты, примеси таких металлов, как железо, медь, магний, натрий отрицательно сказываются на однородности, химической и электрохимической стойкости пленки.
Оксидная пленка очень твердая, но и очень хрупкая! Поэтому при механическом воздействии на алюминиевую ленту, например, при скручивании ее в рулон возможно нарушение ее целостности с образование микротрещин с проникновением электролита непосредственно к металлу (алюминию).
От качества оксидной пленки зависят такие показатели как ток утечки и напряжение пробоя. Небольшая остаточная проводимость оксидного слоя характеризуется током утечки, величина которого в значительной мере определяет качество конденсатора. Ток утечки зависит от емкости, напряжения и температуры и у качественного конденсатора обычно не превышает 5-50 мкА.
Но именно ток утечки сопровождается электрохимической реакцией разложения воды, в результате чего выделяется газообразный водород. Например, при токе в 10мкА выделяется 4 мл водорода за 1000 часов. Однако при такой скорости выделения, водород, за счет диффузии и не абсолютной герметичности конденсатора, не успевает накапливаться и создавать давления внутри корпуса. В случае же значительного возрастания тока утечки водород может создать избыточное давление, что приведет к вздутию и даже разрушению конденсатора.
При пребывании конденсатора без напряжения, электролит растворяет слой окиси алюминия, снижая его диэлектрические свойства. Поэтому после подачи напряжения на конденсатор его ток утечки очень велик. Под действием напряжения слой окиси формируется, ток утечки уменьшается и в течение нескольких минут стабилизируется. Этот процесс формирования оксидного слоя на аноде сопровождается электрохимической реакцией с выделением газообразного водорода на катоде. Если конденсатор качественный, на этом все и заканчивается. А если нет?
Вот здесь на первый план и вылезают все его внутренние дефекты. То есть, если в электролите повышенное содержание воды, а оксидная пленка имеет низкую прочность или дефекты, то ток утечки также будет велик, а в момент подачи напряжения особенно. К тому же конденсаторы большей емкости имеют большую площадь обкладок и, следовательно, большее число ослабленных мест в оксидной пленке.
Нагрев конденсатора также увеличивает ток утечки, причем очень существенно. Кроме того, при нагреве возможно разложение самого электролита с выделением газообразных или низкокипящих продуктов деструкции, создающих повышенное давление. Есть еще один отрицательный аспект нагрева. Коэффициент линейного расширения у алюминия в несколько раз больше, чем у оксидной пленки, поэтому при нагреве на границе их раздела возникают внутренние напряжения, что также может привести в возникновению дефектов (трещин).
Возникает картина, когда один небольшой дефект порождает другой, с лавинообразным развитием и необратимыми последствиями.
Несколько слов о других элементах конструкции, выводах и корпусе (стаканчике).
Качество металла для них должно быть столь же высоким, как у анода и катода, по тем же самым причинам, что отмечены выше. Поэтому, если фирмы-изготовители хотят на этом сэкономить, то это также отрицательно отразится на качестве конденсатора.
Еще один важный момент. Вывод анода соединяется с лентой уже после создания на ней оксидного слоя. Соединение осуществляется механически (развальцовка заклепки). Естественно при этом оксидная пленка в этом месте полностью разрушается, и при первом включении конденсатора она будет восстанавливаться с повышенным током утечки. Поэтому ранее большинство типов конденсаторов проходили обязательную приработку (тренировку), где выявлялись все отказы. Имеют ли такую практику все фирмы-изготовители – неизвестно.
Кроме того, электролит все равно постепенно проникает в контакт между выводом анода и обкладкой (лентой), с образованием оксидного слоя, тем самым, увеличивая контактное сопротивление, что является одной из главных причин увеличения ESR конденсатора, со всеми отрицательными его проявлениями.
В свое время я разобрал не один конденсатор со значительной или полной потерей емкости, и во всех случаях наблюдалось коррозионное разрушение в месте соединения анодного вывода с лентой и нарушение электрического контакта.
Подводя итог можно сказать, что оксидный конденсатор не так прост, как кажется на первый взгляд, и на его качество влияет множество параметров, порой ускользающих от нашего внимания при поверхностном взгляде на сущность вещей. |
нарушается контакт за счет неплотного прилегания пропитаной бумажки к люминевой обкладке. А если прижать плоскогубцами... 
