Осторожно - коварный тантал

[Hardsamson]

                                                      Осторожно  - коварный  тантал.

Недавно мне пришлось в очередной раз столкнуться с проблемой танталовых электролитических конденсаторов.  Напомню, если кто не в курсе, чем они отличаются от привычных бытовых алюминиевых электролитов. Прежде всего, рабочим температурным диапазоном, меньшими токами утечки и меньшими диэлектрическими потерями. Например,  алюминиевые электролиты могут работать до  -40 по Цельсию  (и то не все ),  а  танталовые выдерживают -60 при незначительном уменьшении емкости (до 5%).   Поэтому  они широко использовались  в советской военной технике.  Но почему их не применяли везде, где только можно? Ответ простой – цена.  Танталовый электролитический конденсатор  стоит раз в 10 дороже обычного алюминиевого. Ведь тантал все- таки редкоземельный металл, кроме того конструкция корпуса другая,  более надежная и устойчивая к внешним воздействиям. Современные старатели  с удовольствием их скупают в любых количествах и не только из-за тантала. Некоторые типы  старых советских конденсаторов ( например К52-1) изготавливались в корпусах из серебряного сплава с содержанием серебра до 90%. В Советском союзе на нужды обороны ресурсов не жалели.

 Невольно вспоминается такая история, которая приписывается авиаконструктору Микояну. Когда на вооружение стал поступать перехватчики  МиГ-25 со скоростью полета до 3000 км/час,  то участились жалобы жен летчиков и технического состава на то, что мужья спиваются  из-за огромного количества неучтённого  спирта, который ухитрялись сливать после полетов  из  систем охлаждения самолета.  Все просто -  полет происходил не всегда на максимальных скоростях,  и летчики попросту не включали  системы охлаждения, а списывался спирт всегда по полной.  Почему нельзя  заменить охлаждающую жидкость на другую?  – жаловались в политотделы  возмущенные жены. Этот скандал докатился до генерального конструктора самолета Микояна.  На что он  ответил  – если для пользы дела туда будет нужно лить армянский коньяк, то мы будем так и поступать,  а жены пусть лучше смотрят за своими мужьями.

   По моим наблюдениям,  танталовые конденсаторы типов ЭТО и К52-1 лет 15-20 не меняют своих свойств. Но время  берет своё,  и тут начинается самое неприятное. Если обычный алюминиевый конденсатор при старении может просто потерять емкость, или  увеличится утечка, отгниют выводы,   максимум - загадит вытекшим электролитом плату наконец. На большие неприятности были способны только старые советские конденсаторы К50-6  , которые могли взорваться при перепутывании  полярности включения.  На современных алюминиевых конденсаторах есть специальные насечки, по которым корпус конденсатора надрывается при повышении давления внутри и взрыва не происходит.  Как правило,  устройство  после этого просто перестаёт работать, то в  танталовых конденсаторах,  без  видимых на то  причин возникает внутреннее  короткое замыкание. Причин этих я  не знаю, может со временем разбухает танталовый пористый цилиндрик и при этом касается стенок корпуса,  может  возникают какие-нибудь  проводящие мостики из-за диффузии.   Некоторые источники утверждают, что при переходе оксида тантала из аморфной стадии в кристаллическую  его сопротивление резко уменьшается. Но есть довольно большая печальная статистика, что со временем больше половины конденсаторов самопроизвольно закорачиваются.  Последствия нетрудно предугадать, так как основное назначение электролитических конденсаторов  – это  использование в  блоках  питания и развязывающих фильтрах.  Есть, правда,  некоторые «разработчики», которые используют электролитические конденсаторы во времязадающих цепях,  но,    это    считается  дурным тоном.

Недавно у меня произошел очередной отказ, виновником которого стал старый танталовый конденсатор.  Недавно приобрел  я советский  УКВ радиоприемник для радиоразведки  Р313М2, который давно хотел иметь в своей коллекции.  Продавца я знаю не первый год, человек  порядочный,  никогда меня не обманывал и не подводил .  Приемник анонсировался как рабочий.  И вот приношу  я сей аппарат домой, включаю, и тишина…   Никакой реакции на органы управления.  Взгляд на  внешний блок питания  - КЗ.  А у меня за годы  работы с техникой выработалось правило – там,  где это  возможно всегда использовать ограничение тока или защиту по току.  Поэтому  перед первым выключением на внешнем  блоке питания я выставил ограничение тока в 2А.  А в приемнике на входе стоит компенсационный  стабилизатор напряжения на 10в с  проходным транзистором  П210 установленным  на лицевой панели приемника .   Этот  стабилизатор питает  двухтактный преобразователь напряжения для  получения необходимых напряжений питания  всех  узлов приемника.  Я подумал, что не хватает  тока для запуска преобразователя, и  увеличил ток  защиты до 5 А.   Больший ток  мой блок питания выдать не может.  Результат  тот же. Тогда я понял, что есть неисправность в блоке питания приемника .  Фрагмент   схемы приемника, где изображен  блок питания:

 

 

 Блок питания конструктивно  установлен в приемнике на разъеме и легко  извлекается после откручивания четырех винтов. Отрадно , что старичок  П210А (ПП34) выдержал пятиамперные издевательства с моей стороны и даже не нагрелся. После недолгих манипуляций с  тестером,  была найдена точка короткого замыкания,  и как оказалось,  виновником оказался конденсатор  С206 (указан на схеме красной стрелкой).  Это был электролитический конденсатор типа ЭТО-2   на 400 мкФ 15В. И стоит он как раз в цепи фильтрации напряжения,  питающего импульсный двухтактный преобразователь.     До него было относительно трудно добраться,  но, наконец,  он был извлечен на белый свет: 

Вынимать конденсатор из  платы было тоже нелегко, так как он был намертво приклеен к плате эпоксидной смолой

Я обратил внимание, что адгезия (сила сцепления )  краски конденсатора со смолой была выше, чем с корпусом самого конденсатора:

И еще было видно, что из конденсатора  потек электролит, и запачкал весь отсек:

 

 

Это фото сделано уже после того, как отсек был очищен от загрязнения.  Можно  представить , что я увидел сразу после извлечения платы. При измерении сопротивления конденсатора  я увидел следующее:

  Комментарии,  как говорится,  излишни. Пробит наглухо.

Конденсаторов  ЭТО-2 у меня уже давно нет, было решено поставить связку из трех штук более современных,  и соответственно более свежих танталов к52-1   на 100мкФ 35В. В сумме получилось 300 мкФ, но в данном случае это совершенно допустимо. Так как у родного конденсатора  400 мкФ был допуск +-20%,  а  нижняя граница допуска  соответствует 320мкФ.

Так как современным надписям на деталях доверять нежелательно связка конденсаторов  была проверена на китайском тестере Т4:

Результаты измерений меня удовлетворили,  показатель утечки в 0,4%  очень хороший .  Для сравнения у подавляющего количества современных  новых алюминиевых электролитов этот показатель колеблется от 1%  до  2,5%.  Конденсаторы были изготовлены в декабре 2006 г  следовательно еще лет десять есть в запасе,  а там видно будет.  После установки  новых конденсаторов  в  плату приемника  она приобрела следующий вид:

После окончательной сборки приемник ожил,  и  устойчиво заработал на всех диапазонах.       Вот так выглядит приемник во включенном состоянии: 

Фото Алексея Игонина,  у  моего  Р313М2  внешний вид похуже.

 

Хочу отметить одну особенность применения танталовых конденсаторов в импульсных блоках питания .  ВСЕГДА надо брать двукратный  или более запас  по напряжению и избегать больших номиналов ёмкости в одном конденсаторе .  Лучше включить параллельно несколько конденсаторов меньшей емкости.  Если источник питания,  к примеру,  на 12В то на выходе тантал надо ставить на 25В,  а не на 16В как может показаться вначале.  Проверено.  Особенно это касается  современных SMD конденсаторов.  У них огромное разнообразие типов, причем тип как правило пишется только на сопроводительной таре.  Поэтому может оказаться,  что Вы ставите в схему конденсатор, который не рассчитан на Ваши условия эксплуатации.   У   меня лет десять тому назад был очень неприятный случай,  когда после монтажников ко мне попали на первое включение блоки питания бортовой аппаратуры  специального назначения и все танталы при первом включении начали буквально гореть синим пламенем.  Молодые ребята - настройщики  за соседними столами в лаборатории  начали  хихикать,  мол  Акелла  промахнулся,  я  вначале запаниковал,  начал грешить на монтажников, но они запаяли  все правильно  – полярность  и номиналы не перепутали,   потом начал разбираться и наткнулся  в сети на англоязычное руководство по применению SMD  танталовых конденсаторов  фирмы AVX .  Там было написано, что в случае применения конденсаторов при  импульсной нагрузке,  необходимо руководствоваться графиком  допустимого рабочего напряжения конденсатора и реального напряжения в схеме.  Причем для разной ёмкости  и типов конденсаторов графики разные.  А еще лучше применять конденсаторы определённого типа.  В вышеописанном  примере вместо конденсаторов типа TPS  фирмы AVX,  были установлены конденсаторы TAJ того же производителя.  Конденсаторы TPS   при  одинаковом  рабочем напряжении имеют в два раза большие габариты  по высоте и  соответственно большую стоимость,  но зато  предназначены для  работы при импульсных нагрузках.  Ну а разработчик, то ли не знал этого,  то ли решил сэкономить …  Хорошо,  что возгорание случилось при первом включении,  а если бы у заказчика в самый неподходящий момент?

 Объясняют это явление (синее пламя) некоторые  авторы тем,  что у  танталов малые величины эквивалентного последовательного сопротивления   и при  быстрой перезарядке конденсатора возникают огромные пиковые токи  внутри  конденсатора,   которые и приводят к возгоранию. Бороться с этим  явлением предлагают путем последовательного включения с конденсатором  резистора  сопротивлением 0,1-0,5 Ом для уменьшения пиковых токов.  Но это умышленное увеличение ESR, что не совсем правильно (за что боролись  ? ).   Тут,  по моему мнению,  должен быть компромисс между емкостью, стоимостью и габаритами.  Ну и, конечно, надо правильно подбирать тип конденсатора, согласно справочным  данным, а не ставить первый попавшийся.  Танталовые емкости   вольного обращения не прощают.

 

Владимир Семенов       11.02.2019

 

 

 

 

[serk]

Огромное спасибо! Информация по китайским танталам чрезвычайно ценная! Старые, родные, советские ЭТО-шки это было что-то.  Доставались они в 70-х непросто. И вот один товарищ сделал на них УНЧ на 50Вт из Радио-1969, а в фильтрах питания поставил очень много ЭТО-2 200мкФ 50В, т.е. впритык, усилитель тоже питался 50В.

И один из этих самых ЭТО-2 бабахнул. Выстрел был как из пистолета, кусок тантала это как приличный кусок свинца по виду вылетел с огромной скоростью из незакрытого корпуса УНЧ и пробил фотографию, которая стояла на цветном телевизоре, и за телевизором отвалил кусок штукатурки от стенки. Вмятиной в стене я после любовался, когда зашел домой к этому товарищу, очень впечатлительно.

Да, коварный тантал, иначе и не скажешь. Хорошо было смеяться уже после, а вот что могло случиться если бы полетело не туда? Страшно даже и представить. Никто не знал тогда про серебро, но со склада ЭТО-2 получить было очень-очень сложно. Дорогие. Хотя и бесплатные   Так было в СССР

 

Остаётся добавить, чисто ради справедливости, что в конце 70-х и начале 80-х ЭТОшки из военной аппаратуры всё-таки чаще обрывались чем коротились, и обрывались они сплошь и рядом, причём обрывались они всегда в новой аппаратуре, старая работала без нареканий. Видимо так проявлялся "застой" в среде ЭТОшек

 

Какие фотки! Респект, уважуха. Ностальгия, смотришь, и чувствуешь запах лака и резины из той техники... это что-то, это да.