Eng Ru
Отправить письмо

Электролитический конденсатор. Электролитический конденсатор для чего нужен


Все о пусковых электролитических конденсаторах переменной емкости

Уже в самом имени конденсатора содержится его прямое предназначение. Свое наименование конденсатор получил от латинского слова condensatio, что переводится как «накопление». Основное предназначение этого элемента состоит в накоплении энергии и заряда электрического поля, а главной характеристикой является ёмкость. Работа элемента построена на взаимодействии двух электродов через слой диэлектрика. Электролитические отличаются от конденсаторов переменной емкости и других вариантов тем, что диэлектриком у них выступает слой электролита, который заполняет все пространство между обкладками. Поэтому электролитический конденсатор часто называют просто электролитом.

Виды электролитических конденсаторов

Виды

В зависимости от вида электродов, все электролиты разделены на три основные группы:

  1. алюминиевые;
  2. танталовые;
  3. ниобиевые.

Алюминиевые электролитические конденсаторы

Конструкция этого прибора во многом напоминает старые бумажные электролиты, но здесь слой бумаги дополнительно пропитан электролитом. Схематично прибор выглядит следующим образом. Все слои представляют собой:

  • 2 ленты фольги (обкладки), на одну из которых нанесен оксид металла;
  • пропитанную электролитом бумагу, помещенную между лентами;
  • 2 бумажных обертки.

Один слой фольги через приваренную металлическую пластину выводится на «минус», а другой – на «плюс». Положительный заряд образуется на ленте фольги с оксидным слоем. Сам оксидный слой образуется при прохождении тока. Все эти слои в свернутом в рулон виде помещены в цилиндрический корпус. Оксид алюминия относится к хрупким материалам, который может растрескаться во время работы. Это приводит к повышению тока утечки, а, значит, ухудшению общетехнических показателей прибора. Чтобы избежать подобного явления, в качестве электролита используют сложные многокомпонентные составы из солей и кислот, которые способны восстанавливать микроповреждения оксидного слоя алюминия.

Емкость любого конденсатора определяется по формуле:

C= εε0S/d, где:

  • S – площадь каждой обкладки;
  • d – расстояние между пластинами;
  • ε – величина электрической проницаемости среды внутри их;
  • ε0 – это электрическая постоянная.

Известно, чем выше емкость, тем больше эффективность конденсатора. Согласно формуле, емкость увеличивается пропорционально площади пластины. Для того чтобы увеличить площадь, проводят дополнительное травление анодной алюминиевой пленки со стороны электролита. Жидкие частицы затекают в микроскопические поры, и ёмкость конденсатора существенно возрастает.

Как устроен алюминиевый электролитический конденсатор

Жидкий электролит со временем начинает усыхать, из-за этого емкость прибора падает. Чтобы минимизировать такие потери, не следует размещать электролитический конденсатор вблизи источников тепла или в системах с плохой вентиляцией.

Важно! После выключения схемы из сети пусковой конденсатор еще некоторое время сохраняют свой заряд. Если в этот момент коснуться выводов прибора, можно получить удар током. Поэтому перед началом ремонта приборы необходимо разряжать. Особенно это касается оборудования, рабочее напряжение которого может доходить до 100-400 вольт.

Основная проблема, возникающая во время эксплуатации, – выход из строя и вытекание электролита. Это может произойти при сильном перегреве или перенапряжении, которые приводят к новому формированию оксидного слоя. Если у КПЕ-конденсатора переменной емкости этот показатель может меняться в зависимости от напряжения, то у электролитического конденсатора подобный перепад приводит к серьезным последствиям. Электролит начинает выделять больше тепла, возникают процессы газообразования, давление внутри повышается, что приводит к повреждению корпуса.

Для того чтобы прибор не взорвался, с торца конденсатора устанавливается предохранительный элемент – мембрана. На ее поверхности имеются насечки в форме знака «+» или букв «Т» и «Y». При повышении технологических характеристик пусковой конденсатор «хлопает», и электролит через мембрану вытекает наружу без взрыва.

Важно! При установке следует располагать пусковой конденсатор таким образом, чтобы конденсаторная установка не вышла из строя из-за вытекания электролита.

При использовании приборов нужно учитывать номинальные значения рабочего напряжения. Рабочее напряжение электролита должно составлять 80 процентов от номинального. Кроме того, следует учесть диапазон рабочих температур. Верхнее пороговое значение обычно указывается на корпусе. Если не соблюдать этой пропорции, электролитический конденсатор скоро выйдет из строя.

Танталовые конденсаторы

Действие этих приборов основано на методе электрохимического окисления, в ходе которого на поверхности тантала образуется стабильное высокотемпературное соединение Ta2O5 – пентоксид тантала. Это соединение пропускает ток в одном направлении и устойчиво при нахождении в кислых электролитах.

Строение танталового конденсатора

Удельное сопротивление может доходить до 7,5х1012 Ом·см, поэтому танталовые электролитические конденсаторы применяются в аэрокосмической и военной отраслях.

Основное отличие этих приборов от алюминиевых заключается в конструкции. Здесь анод представляет собой объемную пористую таблетку из спеченного в вакууме танталового порошка. В таблетку запрессован проволочный вывод. В качестве электролита применяется водный раствор серной кислоты, которая, как известно, обладает повышенными техническими характеристиками:

  • максимальной электропроводностью;
  • возможностью не замерзать до температуры в -600С.

Для защиты от возможного агрессивного воздействия серной кислоты в конструкции используется двойной корпус: из серебра внутри и из стали снаружи. Серебро нейтрально ведет себя по отношению к серной кислоте, а сталь обеспечивает необходимую прочность.

Танталовые конденсаторы могут работать не только с жидким, но и твердым электролитом. Вторые получили название оксидно-полупроводниковых. В этих приборах используется MnO2 – диоксид марганца. В этом случае таблетка из гранул тантала и слоя пентоксида сначала выдерживается в растворе нитрата марганца, а затем высушивается при +2500С. В процессе образуется MnO2, который играет роль катода. Затем на слой диоксида наносится графит, который сверху покрывается серебром. И уже к слою серебра припаивают вывод катода. Кроме этого уже ставшего классическим метода, в производстве современных танталовых конденсаторов с твердым электролитом используются полимеры:

  • тетрацианхинодиметан;
  • полианилин;
  • полипиролл;
  • полиэтилендиокситиофен.

Танталовые конденсаторы отличаются лучшими эксплуатационными характеристиками по сравнению с алюминиевыми, но максимальное напряжение первых намного меньше (125 В по сравнению с 600 В).

Обратите внимание! Практически все недостатки электролитических конденсаторов устранены в многослойных керамических моделях. Такие конденсаторы обладают высокой емкостью, более 100мкФ, но при этом сильно зависят от температуры и существенно дороже.

Ниобиевые конденсаторы

Принцип производства ниобиевых конденсаторов похож на выпуск танталовых.

Виды ниобиевых конденсаторов

Берется заготовка на основе порошка металлического ниобия или его оксида с диэлектриком и диодом. Затем конструкция спекается для придания конденсатору твердотельных свойств.

Выбор электролитических конденсаторов достаточно широк. Для длительной эксплуатации всей конденсаторной установки нужно точно соблюдать рабочее напряжение, температурный диапазон, а также ЭПС. Так называется эквивалентное последовательное сопротивление, которое включает все виды сопротивлений, возникающих в конденсаторе. Это сопротивления, которые появляются при потерях на диэлектрике из-за неоднородности, на проволочных выводах, а также между обкладками и выводами.

Видео

Оцените статью:

elquanta.ru

Электролитический конденсатор — Википедия

Обозначение на электрических схемах

Электролитические конденсаторы - конденсаторы, которые в качестве диэлектрика используют тонкую оксидную пленку, нанесенную на поверхность одного из электродов (металлического) — анода, а в роли второго электрода — катода — выступает электролит. Главная особенность электролитических конденсаторов состоит в том, что они, по сравнению с другими типами конденсаторов, обладают большой ёмкостью при достаточно небольших габаритах, кроме того, они являются полярными электрическими накопителями, иначе говоря, должны включаться в электрическую цепь с соблюдением полярности. Существуют и "неполярные" электролитические конденсаторы, но при равной ёмкости их габариты больше (как и цена).

Устройство электролитического конденсатора[править]

Электролитические конденсаторы устроены, как правило, следующим образом: слой электролита заключается между электродами с металлическим типом проводимости, один из которых покрыт тонким слоем диэлектрика (оксидной плёнкой). За счёт чрезвычайно малой толщины диэлектрика, ёмкость конденсатора достигает значительных величин. Однако, соприкосновение двух проводящих пластин, разделённых тонким диэлектриком не является идеальным, для устранения воздушного зазора, в пространство между пластинами вводят электролит. В качестве электролита часто используют концентрированные растворы кислот и щелочей.

По типу наполнения электролитом электролитические конденсаторы можно разделить на: жидкостные, сухие, оксидно-полупроводниковые и оксидно-металлические.

В жидкостных конденсаторах используют жидкий электролит, для увеличения ёмкости анод изготавливают объёмно-пористым, например, путем прессования порошка металла и спекания его при высокой температуре. В сухих конденсаторах применяется вязкий электролит. В этом случае конденсатор, изготавливается из двух лент фольги (оксидированной и неоксидированной), между которыми размещается прокладка из бумаги или ткани, пропитанная электролитом. В оксидно-полупроводниковых конденсаторах в качестве катода используется проводящий оксид (диоксид марганца). В оксидно-металлических функции катода выполняет металлическая пленка оксидного слоя.

Изготовляемые промышленностью алюминиевые электролитические конденсаторы состоят из двух тонких алюминиевых пластин. Между пластинами помещается бумага, пропитанная электролитом. Данная сборка сворачивается спиралью и упаковывается в корпус с двумя электрическими выводами. Под действием электролита и приложенного электрического напряжения, алюминиевая фольга анода окисляется, на поверхности фольги образуется тонкий слой диэлектрика — оксида алюминия.

Приложенное внешнее напряжение влияет на срок службы конденсатора. При напряжении обратной полярности, процесс регенерации диэлектрического слоя прекращается, он постепенно разрушается, приводя к повышенным значениям токов утечки, что приводит к повреждению электрической схемы, причем все это сопровождается выделением тепла, появлением дыма и ядовитых испарений в самом конденсаторе, что может привести ко взрыву. Поэтому, электролитические конденсаторы способны работать лишь в цепях с пульсирующим, либо постоянным током.

Особенности применения электролитических конденсаторов[править]

Современные конденсаторы, разрушившиеся без взрыва благодаря специальной разрывающейся конструкции верхней крышки. Конденсаторы со вздувшейся или разорванной крышкой практически неработоспособны и требуют замены.

Электролитические конденсаторы (в радиотехнике часто используется сокращение «электролиты») являются низкочастотными элементами электрической цепи, их редко применяют для работы на частотах выше 30 кГц. В основном, они служат для сглаживания пульсирующего тока в цепях выпрямителей переменного тока. Кроме этого, электролитические конденсаторы широко используются в звуковоспроизводящей технике. Электролитические конденсаторы разделяют пульсирующий ток (ток звуковой частоты + постоянная составляющая) на переменную составляющую тока звуковой частоты, которая подаётся на следующий каскад усиления и постоянную составляющую, которая не поступает на последующий каскад усиления. Такие конденсаторы называют разделительными.

В связи с тем, что электролитические конденсаторы полярны, при работе на их обкладках должно поддерживаться не изменяющее знака напряжение, что является их недостатком. Включение конденсатора с обратной к рабочей полярностью дает увеличение тока утечки, деградации параметров, и даже может привести к взрыву конденсатора при достаточной мощности цепи. По этой причине, их можно применять только в цепях, где полярность напряжения на конденсаторе неизменна (с пульсирующим или постоянным напряжением).

Электролиты обладают заметным последовательным сопротивлением, которое может достигать значения порядка 1 Ом, а его значение возрастает с ростом рабочей частоты. Причина этого эффекта — сравнительно низкая проводимость и подвижность ионов электролита.

Широко распространённые алюминиевые конденсаторы по сравнению с другими конденсаторами имеют некоторые специфические свойства, которые следует учитывать при их использовании. За счёт того, что алюминиевые обкладки электролитических конденсаторов скручивают для помещения в цилиндрический корпус, образуется индуктивность, эта индуктивность во многих случаях нежелательна.

На верхней части цилиндрического корпуса радиальных электролитических конденсаторов нанесена защитная насечка — клапан. Дело в том, что если на электролит воздействует переменное напряжение, то конденсатор сильно разогревается и жидкий электролит расширяется. Корпус конденсатора может лопнуть. Поэтому на корпусе и наносится защитный клапан, чтобы под действием избыточного давления он предотвратил взрыв конденсатора, выпустив закипающий электролит наружу.

Из-за невозможности достичь достаточной герметизации корпуса, жидкий электролит со временем высыхает. При этом теряется ёмкость конденсатора. Также высыханию электролита способствует нагрев. Поэтому на корпусе практически любого электролитического конденсатора указывается допустимый диапазон рабочей температуры. Например, от −40 до +105 °C.

Вышедший из строя электролитический конденсатор часто служит причиной неисправности бытовой радиоэлектронной аппаратуры.

wp.wiki-wiki.ru

Электролитический конденсатор — WiKi

Обозначение на электрических схемах

Электролити́ческие конденсаторы — разновидность конденсаторов, в которых диэлектриком между обкладками является плёнка оксида металла между металлом электрода электролита. Слой этого оксида получают методом электрохимического анодирования, что обеспечивает высокую однородность по толщине и диэлектрическим свойствам диэлектрика конденсатора. Технологическая лёгкость получения тонкой однородной плёнки диэлектрика на большой площади электрода позволила наладить массовое производство дешёвых конденсаторов с весьма высокими значениями показателями электрической ёмкости.

Общие сведения

Наибольшее распространение получили алюминиевые электролитические конденсаторы (англ.)русск., в которых одной обкладкой конденсатора применяется алюминиевая фольга. Также распространены танталовые (англ.)русск. и ниобиевые (англ.)русск. электролитические конденсаторы, в котором металлическим электродом была пористая металлическая губка тантала или ниобия, поверхность металла покрыта оксидными плёнками. Второй обкладкой электролитического конденсатора служит жидкий или твёрдый электролит — вещество или композиция веществ, обеспечивающих электропроводность и сохранение оксидной плёнки.

Электрохимические процессы получения и стабилизации оксидной плёнки диэлектрика требует определённой полярности напряжения на границе металл-электролит. Металлический электрод должен быть анодом (то есть обладать положительным потенциалом), а электролит — катодом (отрицательный потенциал). Несоблюдение полярности вызывает потерю диэлектрических свойств оксидной плёнки и возможное короткое замыкание между обкладками. Если источник этого отрицательного напряжения не ограничивает ток на безопасном низком уровне, то электролит нагреется протекающим током, закипит и давление образующихся газов разорвёт корпус конденсатора. Выпускаются и так называемые неполярные электролитические конденсаторы, в которых конструктивно размещено два встречно-последовательно включённых обычных полярных электролитических конденсатора, которые допускают изменение полярности приложенного напряжения.

Состав электролита подбирается таким образом, чтобы в процессе работы восстанавливались мелкие повреждения в оксидной плёнке электрохимическим анодированием при рабочих напряжениях конденсатора. Однако при этом химическом процессе электролиза выделяется газ, давление которого приводит к вздутию корпуса и даже его возможному разрыву. Также к вскипанию электролита может приводить большой ток через конденсатор, например при обратной полярности включения или при протекании большого реактивного тока при больших пульсациях напряжения на конденсаторе.

Для конденсаторов с жидким электролитом существует проблема высыхания, когда растворитель из электролита испаряется из конденсатора через неплотности герметизации корпуса. При высыхании конденсатор теряет ёмкость и увеличивается последовательное паразитное сопротивление.

Конструкция электролитического конденсатора

Электролитические конденсаторы устроены, как правило, следующим образом: слой электролита заключается между электродами с металлическим типом проводимости, один из которых покрыт тонким слоем диэлектрика (оксидной плёнкой). За счёт чрезвычайно малой толщины диэлектрика, ёмкость конденсатора достигает значительных величин. Однако, соприкосновение двух проводящих пластин, разделённых тонким диэлектриком не является идеальным, для устранения воздушного зазора, в пространство между пластинами вводят электролит.

По типу наполнения электролитом электролитические конденсаторы можно разделить на: жидкостные, сухие, оксидно-полупроводниковые и оксидно-металлические.

В жидкостных конденсаторах используют жидкий электролит, для увеличения ёмкости анод изготавливают объёмно-пористым, например, путём прессования порошка металла и спекания его при высокой температуре. В сухих конденсаторах применяется вязкий электролит. В этом случае конденсатор, изготавливается из двух лент фольги (оксидированной и неоксидированной), между которыми размещается прокладка из бумаги или ткани, пропитанная электролитом.

В оксидно-полупроводниковых конденсаторах в качестве катода используется проводящий оксид (диоксид марганца).

В оксидно-металлических конденсаторах функции катода выполняет металлическая плёнка оксидного слоя.

Изготовляемые промышленностью алюминиевые электролитические конденсаторы состоят из двух тонких алюминиевых пластин фольги. Между пластинами помещается прокладка — пористая бумага, пропитанная электролитом. Фольга и прокладка сворачивается в рулон и помещается в корпус через который сделаны два электрических вывода. Под химическим действием электролита при приложении электрического напряжения поверхность алюминиевой фольги анода окисляется, — на поверхности фольги образуется тонкий слой диэлектрика — оксида алюминия.

При напряжении обратной полярности процесс регенерации диэлектрического слоя прекращается, он постепенно разрушается, приводя к повышенным значениям токов утечки, что может привести к повреждению электрической схемы, причем отказ конденсатора в сильноточных цепях сопровождается выделением тепла, выделением дыма и газов внутри конденсатора, что может привести к разрушению его корпуса. Поэтому электролитические конденсаторы предназначены для работы лишь в цепях с пульсирующим напряжением одной полярности, либо в цепях с постоянным током.

Особенности применения электролитических конденсаторов

  Современные конденсаторы, разрушившиеся без взрыва благодаря специальной разрывающейся конструкции верхней крышки. Конденсаторы со вздувшейся или разорванной крышкой обычно практически непригодны и требуют замены.

Электролитические конденсаторы (в радиотехнике часто используется жаргонное название — «электролиты») являются низкочастотными элементами электрической цепи, их редко применяют для работы на частотах выше 30 кГц. В основном они служат для сглаживания пульсирующего тока в цепях выпрямителей переменного тока. Например, электролитические конденсаторы широко используются в звуковоспроизводящей и звукоусилительной технике. Межкаскадные в многокаскадных усилителях электролитические конденсаторы разделяют пульсирующий ток (ток звуковой частоты + постоянная составляющая) на переменную составляющую — ток звуковой частоты, который подаётся на следующий каскад усиления и постоянную составляющую, которая не проходит на последующий каскад усиления. Такие конденсаторы называют разделительными.

В связи с тем, что электролитические конденсаторы полярны, при работе на их обкладках должно поддерживаться не изменяющее знака напряжение, что является их некоторым недостатком. Включение конденсатора в электрическую цепь с обратной к рабочей полярностью вызывает увеличение тока утечки, деградации параметров, и даже может привести к взрыву конденсатора при достаточной мощности цепи. По этой причине их можно применять только в цепях, где полярность напряжения на конденсаторе неизменна (с пульсирующим или постоянным напряжением).

Электролитические конденсаторы обладают заметным последовательным паразитным сопротивлением, которое может достигать значения порядка 1 Ом на низких частотах и это сопротивление возрастает с ростом рабочей частоты. Причина этого эффекта — сравнительно низкая проводимость и подвижность ионов электролита. Обычно состав жидкого электролита — водный раствор борнокислого аммония, борной кислоты и этиленгликоля[1].

Широко распространённые алюминиевые конденсаторы по сравнению с другими конденсаторами имеют некоторые специфические свойства, которые следует учитывать при их использовании. За счёт того, что алюминиевые обкладки электролитических конденсаторов скручены в рулон для помещения в цилиндрический корпус, образуется паразитная последовательная индуктивность, эта индуктивность во многих применениях нежелательна.

На верхней части цилиндрического корпуса некоторых электролитических конденсаторов выполнена защитная надсечка — предохранительный клапан. Если конденсатор работает в сильноточной цепи переменного напряжения, то он разогревается и жидкий электролит расширяется, испаряется. Корпус конденсатора может лопнуть от избыточного внутреннего давления. Поэтому и применяется защитный клапан, разрушающийся под действием избыточного давления и предотвращающий взрыв корпуса конденсатора с выпуском паров электролита наружу.

Из-за невозможности достичь достаточной герметизации корпуса в некоторых конструкциях электролитических конденсаторов жидкий электролит со временем высыхает. При этом теряется ёмкость конденсатора и увеличивается последовательное сопротивление. Также ускоренному высыханию электролита способствует повышенная температура эксплуатации. Поэтому на корпусе практически любого электролитического конденсатора обычно указывается допустимый диапазон рабочей температуры. Например, от −40 до +105 °C.

Вышедший из строя электролитический конденсатор в результате высыхания электролита в подавляющем числе случаев служит основной причиной отказа бытовой радиоэлектронной аппаратуры[2].

Примечания

Ссылки

ru-wiki.org

Электролитический конденсатор — википедия фото

Обозначение на электрических схемах

Электролити́ческие конденсаторы — разновидность конденсаторов, в которых диэлектриком между обкладками является плёнка оксида металла между металлом электрода электролита. Слой этого оксида получают методом электрохимического анодирования, что обеспечивает высокую однородность по толщине и диэлектрическим свойствам диэлектрика конденсатора. Технологическая лёгкость получения тонкой однородной плёнки диэлектрика на большой площади электрода позволила наладить массовое производство дешёвых конденсаторов с весьма высокими значениями показателями электрической ёмкости.

Общие сведения

Наибольшее распространение получили алюминиевые электролитические конденсаторы (англ.)русск., в которых одной обкладкой конденсатора применяется алюминиевая фольга. Также распространены танталовые (англ.)русск. и ниобиевые (англ.)русск. электролитические конденсаторы, в котором металлическим электродом была пористая металлическая губка тантала или ниобия, поверхность металла покрыта оксидными плёнками. Второй обкладкой электролитического конденсатора служит жидкий или твёрдый электролит — вещество или композиция веществ, обеспечивающих электропроводность и сохранение оксидной плёнки.

Электрохимические процессы получения и стабилизации оксидной плёнки диэлектрика требует определённой полярности напряжения на границе металл-электролит. Металлический электрод должен быть анодом (то есть обладать положительным потенциалом), а электролит — катодом (отрицательный потенциал). Несоблюдение полярности вызывает потерю диэлектрических свойств оксидной плёнки и возможное короткое замыкание между обкладками. Если источник этого отрицательного напряжения не ограничивает ток на безопасном низком уровне, то электролит нагреется протекающим током, закипит и давление образующихся газов разорвёт корпус конденсатора. Выпускаются и так называемые неполярные электролитические конденсаторы, в которых конструктивно размещено два встречно-последовательно включённых обычных полярных электролитических конденсатора, которые допускают изменение полярности приложенного напряжения.

Состав электролита подбирается таким образом, чтобы в процессе работы восстанавливались мелкие повреждения в оксидной плёнке электрохимическим анодированием при рабочих напряжениях конденсатора. Однако при этом химическом процессе электролиза выделяется газ, давление которого приводит к вздутию корпуса и даже его возможному разрыву. Также к вскипанию электролита может приводить большой ток через конденсатор, например при обратной полярности включения или при протекании большого реактивного тока при больших пульсациях напряжения на конденсаторе.

Для конденсаторов с жидким электролитом существует проблема высыхания, когда растворитель из электролита испаряется из конденсатора через неплотности герметизации корпуса. При высыхании конденсатор теряет ёмкость и увеличивается последовательное паразитное сопротивление.

Конструкция электролитического конденсатора

Электролитические конденсаторы устроены, как правило, следующим образом: слой электролита заключается между электродами с металлическим типом проводимости, один из которых покрыт тонким слоем диэлектрика (оксидной плёнкой). За счёт чрезвычайно малой толщины диэлектрика, ёмкость конденсатора достигает значительных величин. Однако, соприкосновение двух проводящих пластин, разделённых тонким диэлектриком не является идеальным, для устранения воздушного зазора, в пространство между пластинами вводят электролит.

По типу наполнения электролитом электролитические конденсаторы можно разделить на: жидкостные, сухие, оксидно-полупроводниковые и оксидно-металлические.

В жидкостных конденсаторах используют жидкий электролит, для увеличения ёмкости анод изготавливают объёмно-пористым, например, путём прессования порошка металла и спекания его при высокой температуре. В сухих конденсаторах применяется вязкий электролит. В этом случае конденсатор, изготавливается из двух лент фольги (оксидированной и неоксидированной), между которыми размещается прокладка из бумаги или ткани, пропитанная электролитом.

В оксидно-полупроводниковых конденсаторах в качестве катода используется проводящий оксид (диоксид марганца).

В оксидно-металлических конденсаторах функции катода выполняет металлическая плёнка оксидного слоя.

Изготовляемые промышленностью алюминиевые электролитические конденсаторы состоят из двух тонких алюминиевых пластин фольги. Между пластинами помещается прокладка — пористая бумага, пропитанная электролитом. Фольга и прокладка сворачивается в рулон и помещается в корпус через который сделаны два электрических вывода. Под химическим действием электролита при приложении электрического напряжения поверхность алюминиевой фольги анода окисляется, — на поверхности фольги образуется тонкий слой диэлектрика — оксида алюминия.

При напряжении обратной полярности процесс регенерации диэлектрического слоя прекращается, он постепенно разрушается, приводя к повышенным значениям токов утечки, что может привести к повреждению электрической схемы, причем отказ конденсатора в сильноточных цепях сопровождается выделением тепла, выделением дыма и газов внутри конденсатора, что может привести к разрушению его корпуса. Поэтому электролитические конденсаторы предназначены для работы лишь в цепях с пульсирующим напряжением одной полярности, либо в цепях с постоянным током.

Особенности применения электролитических конденсаторов

  Современные конденсаторы, разрушившиеся без взрыва благодаря специальной разрывающейся конструкции верхней крышки. Конденсаторы со вздувшейся или разорванной крышкой обычно практически непригодны и требуют замены.

Электролитические конденсаторы (в радиотехнике часто используется жаргонное название — «электролиты») являются низкочастотными элементами электрической цепи, их редко применяют для работы на частотах выше 30 кГц. В основном они служат для сглаживания пульсирующего тока в цепях выпрямителей переменного тока. Например, электролитические конденсаторы широко используются в звуковоспроизводящей и звукоусилительной технике. Межкаскадные в многокаскадных усилителях электролитические конденсаторы разделяют пульсирующий ток (ток звуковой частоты + постоянная составляющая) на переменную составляющую — ток звуковой частоты, который подаётся на следующий каскад усиления и постоянную составляющую, которая не проходит на последующий каскад усиления. Такие конденсаторы называют разделительными.

В связи с тем, что электролитические конденсаторы полярны, при работе на их обкладках должно поддерживаться не изменяющее знака напряжение, что является их некоторым недостатком. Включение конденсатора в электрическую цепь с обратной к рабочей полярностью вызывает увеличение тока утечки, деградации параметров, и даже может привести к взрыву конденсатора при достаточной мощности цепи. По этой причине их можно применять только в цепях, где полярность напряжения на конденсаторе неизменна (с пульсирующим или постоянным напряжением).

Электролитические конденсаторы обладают заметным последовательным паразитным сопротивлением, которое может достигать значения порядка 1 Ом на низких частотах и это сопротивление возрастает с ростом рабочей частоты. Причина этого эффекта — сравнительно низкая проводимость и подвижность ионов электролита. Обычно состав жидкого электролита — водный раствор борнокислого аммония, борной кислоты и этиленгликоля[1].

Широко распространённые алюминиевые конденсаторы по сравнению с другими конденсаторами имеют некоторые специфические свойства, которые следует учитывать при их использовании. За счёт того, что алюминиевые обкладки электролитических конденсаторов скручены в рулон для помещения в цилиндрический корпус, образуется паразитная последовательная индуктивность, эта индуктивность во многих применениях нежелательна.

На верхней части цилиндрического корпуса некоторых электролитических конденсаторов выполнена защитная надсечка — предохранительный клапан. Если конденсатор работает в сильноточной цепи переменного напряжения, то он разогревается и жидкий электролит расширяется, испаряется. Корпус конденсатора может лопнуть от избыточного внутреннего давления. Поэтому и применяется защитный клапан, разрушающийся под действием избыточного давления и предотвращающий взрыв корпуса конденсатора с выпуском паров электролита наружу.

Из-за невозможности достичь достаточной герметизации корпуса в некоторых конструкциях электролитических конденсаторов жидкий электролит со временем высыхает. При этом теряется ёмкость конденсатора и увеличивается последовательное сопротивление. Также ускоренному высыханию электролита способствует повышенная температура эксплуатации. Поэтому на корпусе практически любого электролитического конденсатора обычно указывается допустимый диапазон рабочей температуры. Например, от −40 до +105 °C.

Вышедший из строя электролитический конденсатор в результате высыхания электролита в подавляющем числе случаев служит основной причиной отказа бытовой радиоэлектронной аппаратуры[2].

Примечания

Ссылки

org-wikipediya.ru

Электролитический конденсатор: история, производство, конструкция

Электролитический конденсатор – это конденсатор, где диэлектриком служит слой оксида металла на аноде, а катодом – электролит. В результате достигается чрезвычайно большая ёмкость при сравнительно высоком рабочем напряжении, обуславливая популярность подобных изделий.

История происхождения электролитических конденсаторов

Эффект электрохимического оксидирования ряда металлов открыт французским учёным Eugène Adrien Ducretet в 1875 году на примере тантала, ниобия, цинка, марганца, титана, кадмия, сурьмы, висмута, алюминия и прочих материалов. Суть открытия: при включении в качестве анода (положительный полюс источника питания) на поверхности нарастал слой оксида, обладающий вентильными свойствами. Фактически образуется подобие диода Шоттки, в избранных работах оксиду алюминия приписывается проводимость n-типа.

Получается, место контакта обладает выпрямляющими свойствами. Теперь легко предположить дальнейшее, если вспомнить о качествах барьера Шоттки. Это низкое падение напряжения при включении в прямом направлении. Применительно к конденсаторам низкое — означает впечатляющую величину. Что касается обратного включения электролитических конденсаторов, люди наслышаны про опасность подобных экспериментов. Барьер Шоттки развивает повышенные токи утечки, за счёт которых слой оксида начинает немедленно деградировать. Немалая роль отведена туннельному пробою. Протекающая химическая реакция сопровождается выделением газов, обеспечивающих негативный эффект. Теоретики говорят, что указанное явление ведёт к выделению тепла.

Конденсаторы разного типа

Конденсаторы разного типа

Годом изобретения электролитического конденсатора называют 1896, когда 14 января Карол Поллак подал заявку в патентное бюро Франкфурта. Итак, на аноде электролитического конденсатора наращивается слой оксида под действием положительного потенциала. Процесс называется формовкой, в условиях современного развития техники длится часами и сутками. По указанной причине в процессе работы рост или деградация оксидного слоя незаметны. Электролитические конденсаторы применяются в электрических цепях с частотой до 30 кГц, что означает время смены направления тока в десятки мкс. За этот промежуток ничего не произойдёт с оксидной плёнкой.

Вначале в российской практике промышленный выпуск электролитических конденсаторов не считался экономически выгодным. В научных журналах даже рассматривалось, как наладить производство. К подобным заметкам относится статья Миткевича (Журнал Русского физико-химического общества, физика №34 за 1902 год). Рассматриваемый электролитический конденсатор состоял из плоского алюминиевого анода и двух железных катодов, расположенных по бокам. Конструкция помещалась в 6-8% раствор пищевой соды. Формовка велась постоянным напряжением (см. ниже по тексту) 100 В до остаточного тока 100 мА.

Первые серьёзные наработки отечественной принадлежности по конденсаторам с жидким электролитом относятся к 1931 году и созданы лабораторией П. А. Остроумова.

Способность вентильных металлов с оксидной плёнкой выпрямлять ток неодинакова. Наиболее ярко качества выражены у тантала. Возможно, по причине пентаоксида тантала, характеризующегося проводимостью p-типа. В результате смена полярности приводит к образованию диода Шоттки, включённого в прямом направлении. Благодаря специфическому подбору электролита деградирующий рабочий слой диэлектрика удаётся восстанавливать прямо в процессе работы. На этом исторический экскурс завершён.

Производство электролитических конденсаторов

Металлы, оксиды которых характеризуются выпрямляющими свойствами, называли вентильными по аналогии с полупроводниковыми диодами. Несложно догадаться, что окисление приводит к образованию материала с проводимостью n-типа. Это считается основным условием существования вентильного металла. Из перечисленных выше ярко выраженными позитивными свойствами обладают лишь два:

  1. Алюминий.
  2. Тантал.
Алюминиевые конденсаторы

Алюминиевые конденсаторы

Первый применяется намного чаще, благодаря относительной дешевизне и распространённости в Земной коре. Тантал используют в крайних случаях. Наращивание оксидной плёнки происходит двумя путями:

  • Первой методикой становится поддержание постоянного тока. В процессе роста толщины окисла сопротивление растёт. Следовательно, в цепь последовательно с конденсатором на время формовки включается реостат. Процесс контролируется по падению напряжения на переходе Шоттки, при необходимости шунт подстраивается так, чтобы параметры оставались постоянными. Скорость формовки на начальном этапе постоянна, потом происходит точка перегиба со снижением параметра, через определённый интервал дальнейший рост оксидной плёнки идёт столь медленно, что технологический цикл считается завершённым. При первом перегибе анод часто начинает искрить. Соответственно, и присутствующее напряжение называется аналогично. На второй точке искрение резко усиливается, дальнейший процесс формовки нецелесообразен. А второй перегиб называют максимальным напряжением.
  • Вторая методика формовки оксидного слоя сводится к поддержанию на аноде постоянного напряжения. В этом случае ток убывает по экспоненте. Напряжение выбирают ниже напряжения искрения. Процесс идёт до остаточного прямого тока, ниже которого уровень уже не опускается. Потом формовка оканчивается.

Большую роль в процессе формовки играет правильный подбор электролита. В промышленности это сводится к изучению взаимодействия агрессивных сред с алюминием:

  1. Представители первой группы электролитов, сюда относится борная, лимонная кислота и бура, почти не растворяют алюминий и оксид. Массово используются при производстве электролитических конденсаторов. Длительная формовка приводит к падению напряжения до 1500 В, определяющего толщину слоя диэлектрика. Высоковольтные электролитические конденсаторы

    Высоковольтные электролитические конденсаторы

  2. Хромовая, серная, янтарная и щавелевая кислоты хорошо растворяют оксид алюминия, но не затрагивают металл. Отличительной особенностью формовки становится сравнительно толстый слой диэлектрика. Причём при дальнейшем наращивании не происходит значительного снижения тока или повышения напряжения. Такой процесс применяется для формирования электрических конденсаторов с относительно низкими рабочими характеристиками (до 60 В). К окиси алюминия в пористых структурах примешиваются гидраты и соли используемой кислоты. Указанные процессы способны использоваться в защитных целях. Тогда формовка идёт по предыдущей схеме (первая группа), а довершается по описанной. Защитный слой гидроксидов предохраняет окисел от разрушения в процессе эксплуатации.
  3. Третья группа электролитов включает преимущественно соляную кислоту. Эти вещества в процессе формовки не применяются, хорошо растворяют алюминий и его соли. Зато охотно используются для очистки поверхностей.

Для тантала и ниобия все электролиты подпадают под классификацию первой группы. Величина ёмкости конденсатора определяется преимущественно напряжением, при котором окончена формовка. Аналогичным образом используют многоатомные спирты, глицерин и этиленгликоль, соли. Не все процессы идут по схеме, описанной выше. К примеру, при формовке алюминия в растворе серной кислоты по методу постоянного тока на графике выделяют участки:

  1. Несколько секунд наблюдается быстрый рост напряжения.
  2. Потом с прежней скоростью наблюдается спад до уровня порядка 70% от достигнутого пика.
  3. За третью стадию нарастает толстый пористый слой оксида, напряжение растёт крайне медленно.
  4. На четвёртом участке напряжение резко растёт до наступления искрового пробоя. Формовка заканчивается.

Немало зависит от технологии. На толщину слоя, а следовательно, рабочее напряжение и долговечность конденсатора, влияют концентрация электролита, температура, прочие параметры.

Маркировка на конденсаторе

Маркировка на конденсаторе

Конструкция электролитического конденсатора

Обкладки обычно не плоские. Для электролитических конденсаторов чаще свёрнуты в трубочку, спиралью. На срезе напоминает катушку Тесла с вытекающими отсюда последствиями. Это значит, что конденсатор обладает значительным индуктивным сопротивлением, которое в данном контексте считается паразитным. Между обкладками помещается пропитанная электролитом бумага или ткань. Корпус изготавливается из алюминия — металл легко покрывается защитным слоем, не затрагивается электролитом и хорошо отводит тепло (помните про активную составляющую сопротивления анода).

Это конденсаторы с сухим электролитом. Их ключевое преимущество в достойном использовании объёма. Лишний электролит отсутствует, что снижает вес и габариты при прежней электрической ёмкости. Несмотря на характерное название электролит здесь не сухой, скорее, вязкий. Им пропитываются прокладки из ткани или бумаги, расположенные между обкладками. В силу вязкость электролита корпус допускается пластмассовый либо бумажный, для герметизации используется уплотнение из смолы. В результате упрощается технологический цикл изготовления продукции. Исторически разновидности с сухим электролитом появились позже. В отечественной практике первые упоминания приходятся на 1934 год.

На торце зарубежных электролитических конденсаторов нанесены крестом насечки, через которые внутренний объем выдавливается наружу. Это на случай аварии. Подобный испорченный конденсатор легко заметить невооружённым глазом и вовремя заменить, что ускоряет починку. Избежать аварии и неправильной полярности включения помогает маркировка корпуса. У катода на импортных проведена по всей высоте белая полоса с расставленными минусами, а у отечественных с противоположной – крестики (плюсы).

Для увеличения излучательной способности цвет корпуса выполняется темным. Исключения из правила редки. Подобная мера увеличивает теплоотдачу в окружающую среду. При превышении напряжения на рабочим (формовочным) происходит резкое увеличение тока за счёт ионизации, развивается сильное искрение на аноде, частично пробивается слой диэлектрика. Последствия таких явлений легко устраняются в конструкции и с корпусом, используемым в качестве катода: конденсаторы с жидким электролитом занимают сравнительно много места, но хорошо отводят тепло. Зато отлично проявляются при работе на низких частотах. Что обусловливает специфику применения в качестве фильтров блоков питания (50 Гц).

Эти цилиндрические электролитические конденсаторы устроены не так, как показано выше, без бумажных вкладок. В отдельных моделях корпус играет роль катода, анод находится внутри, бывает произвольной формы так, чтобы обеспечивалась максимальная номинальная ёмкость. За счёт механической обработки и химического травления, призванных увеличить площадь поверхности электрода, параметры удаётся поднять на порядок. Конструкция типична для моделей с жидким электролитом. Ёмкость у рассматриваемой конструкции варьируется при выпуске промышленностью от 5 до 20 мкФ при рабочем напряжении 200 — 550 В. Из-за повышения сопротивления электролита с понижением температуры конденсаторы с жидким электролитом и корпусом в качестве катода применяются преимущественно в теплом микроклимате.

vashtehnik.ru

Типы конденсаторов. Алюминиевые электролитические конденсаторы

Электролитические конденсаторы характеризуются, прежде всего, строго определенной полярностью их включения. При обратной полярности их включения в схеме они образуют короткозамкнутую цепь, что приводит к повреждению задающей схемы, причем все это сопровождается выделением тепла, появлением дыма и ядовитых испарений в самом конденсаторе. Алюминиевые электролитические конденсаторы могут при этом даже взорваться и обильно оросить близлежащие компоненты схемы жидким электролитом и алюминиевой фольгой, что может привести к дополнительным повреждениям аппаратуры.

Некоторые разработчики испытывают стойкое предубеждение против использования электролитических конденсаторов, однако, со всеми присущими им недостатками электролитические конденсаторы являются очень полезными компонентами, и на процесс проектирования схемы будет накладываться очень сильные ограничения, если полностью отказаться от их использования. Большая же часть неприятностей, приписываемым электролитическим конденсатором, происходит из-за их неправильного применения в схемах.

Электролитические конденсаторы характеризуются очень высокой удельной емкостью относительно своего объема, достигающей практически предельного значения за счет исключения почти всех недостатков, присущих обычному плоскому конденсатору. Зазор между обкладками конденсатора сведен к минимуму, поверхность пластин достигает максимального значения, а значение относительной диэлектрической проницаемости оксида алюминия εr ≈ 8,5 превышает аналогичный показатель диэлектрических пленок, для которых εr ≈ 3. Принцип действия всех электролитических конденсаторов очень похож, поэтому рассмотрение ограничится только конденсаторами на основе алюминия.

Алюминиевая фольга, образующая одну из обкладок электролитического конденсатора, подвергается анодному окислению для образования изолирующей поверхностной пленки (толщина оксидного слоя выбирается из расчета ≈ 1,5 нм на один вольт прикладываемого напряжения). Этот тонкий изолирующий слой образует диэлектрик конденсатора. Так как процесс анодного окисления является электрохимическим процессом, а образующаяся пленка окисла является диэлектрической, то существует предельное значение толщины пленки, по достижении которой процесс дальнейшего образования окисла на границе раздела алюминий-окисел прекращается. Это означает, что для электролитических конденсаторов существует предельное значение рабочего напряжения, которое определяется толщиной пленки. Традиционно, электролитические конденсаторы изготавливаются на максимальные значения постоянного напряжения, равные 450 В. Однако некоторые виды современных конденсаторов могут иметь рабочие напряжения вплоть до 600 В. Более старые модели конденсаторов, для которых указываются рабочие напряжения, превышающие 450 В, должны вызывать очень серьезные подозрения.

Хотя в результате анодного окисления алюминиевой фольги получены сразу и обкладка конденсатора и ее диэлектрик, все же необходима вторая обкладка конденсатора. Можно было бы использовать второй кусок алюминиевой фольги, плотно прижатый к первой обкладке, но любой существующий зазор между обкладками сведет на нет все преимущества очень малой толщины диэлектрического слоя. Поэтому в качестве второй обкладки используется пропитанная бумага, либо просто гель, который в силу того, что он желеобразный, обеспечивает прекрасный контакт с окисленной поверхностью первой обкладки. Этот же электрод определил название конденсаторов данного тира. Электролит все же не является идеальным проводником электрического тока, поэтому для получения низкоомного контакта используется кусок второй алюминиевой фольги, расположенный сверху электролита.

Таким образом, в наличии имеются две алюминиевые фольговые полоски, между которыми находится электролит. Для конструктивного оформления конденсатора остается только свернуть их в цилиндр. Если перед процессом анодного окисления алюминиевой фольги химическими способами протравить ее поверхность, то поверхность приобретет микроскопические неровности, которые еще больше увеличат эффективную поверхность фольги. Так как электролитическая обкладка конденсатора образует идеальный контакт с поверхностью окисленной обкладки, то в результате получается значительное увеличение площади контакта между обкладками и соответствующее значительное увеличение емкости электролитического конденсатора.

К сожалению, электролитический конденсатор не лишен недостатков. Сопротивление электролита, как проводника, представляет значительную величину, поэтому протравливание первой обкладки на значительную глубину будет увеличивать сопротивление на участке между объемом электролита и крайними точками, которые сформированы в глубине относительно поверхности обкладки. Поэтому следует ожидать, что конденсаторы, имеющие более высокие значения удельной емкости относительно объема конденсатора, будут иметь и более высокие значения эквивалентного последовательного сопротивления, ESR. Не только эти извилистые пути прохождения тока к искривлениям и щелям увеличивают общее сопротивление, но также они снижают способность конденсатора противостоять нагреву, но и локальному испарению электролита. Следовательно, очень компактные электролитические конденсаторы имеют не только высокие значения эквивалентного последовательного сопротивления, ESR, но также и низкие значения пульсирующей составляющей постоянного тока.

Например, компания Sanyo в серии своих конденсаторов «OS-CON» использует органический полупроводниковый электролит, использование которого значительно снижает величину эквивалентного последовательного сопротивления, ESR. Снижение объемного удельного сопротивления электролита позволяет увеличить глубину протравливания ямок на поверхности, что приводит к увеличению удельной объемной емкости и, следовательно, снижению индуктивности. Эти конденсаторы обладают улучшенными ВЧ характеристиками и могли бы оказаться идеальными в качестве катодных блокировочных конденсаторов, если только препятствием не послужит их очень высокая стоимость.

Исторически сложилось, что электролитические конденсаторы имеют очень высокие допуски на величину своей емкости: от +100% до —50%. Хотя современные конструкции электролитических конденсаторов имеют допуски на точность изготовления ±10%, их не рекомендуется использовать в тех цепях схемы, где значение емкости совершенно безболезненно не может быть увеличено вдвое, либо уменьшено наполовину без каких бы то ни было операций, требующих подстройки схемы.

Если допустить, что электрический контакт к фольге обкладки осуществляется в одной точке, например в начале ленты, то емкость самого отдаленного участка этой ленты окажется последовательно включенной с собственной индуктивностью фольги. Нанесение расплавленного цинка при изготовлении обычного конденсатора на боковые кромки фольги, свернутой спиралью, соединяет все точки обкладки эквипотенциальной поверхностью и сводит к минимуму индуктивность ленты. В случае электролитических конденсаторов такой технологический прием использовать невозможно, так как нанесенный цинк невозможно изолировать от проводящего электролита, поэтому выводы от обкладки выполняются в виде фольговых отводов, расположенных в различных точках спирали. Увеличение количества отводов снижает индуктивность конденсатора, но значительно усложняет конструкцию, увеличение количества витков спирали приводит к увеличению необходимого для снижения индуктивности количества выводов. Конденсаторы хорошего качества имеют более высокие значения соотношения геометрических размеров (отношения высоты корпуса конденсатора к его диаметру), требуемые для получения необходимого значения емкости.

Хотя производители стараются снизить значение последовательной индуктивности, следовательно, и значение индуктивного сопротивления (как известно, XL = 2πfL), для конденсаторов большой емкости величина емкостного сопротивления Хсмала, поэтому относительное значение индуктивного сопротивления конденсатора в общем реактивном сопротивлении представляется значительным. Данная проблема в технических паспортах производителей обычно отражается указанием частоты собственного резонанса для каждого типа конденсаторов. В самых общих чертах конденсаторы, имеющие более высокие значения емкости, имеют более низкие значения резонансной частоты, которая может составлять для них десятки килогерц.

Электролитические конденсаторы характеризуются высокими потерями. Сразу же после изготовления конденсаторов проводится их формовка, то есть на них подается поляризующее напряжение, которое вызывает протекание тока, формирующего на алюминиевой обкладке защитного оксидного слоя. После того, как сформировался диэлектрический слой, ток конденсатора значительно снижается. Однако с течением времени происходят постоянные локальные разрушения диэлектрического микрослоя в различных точках, поэтому постоянно происходит дополнительная формовка конденсатора. Например, если к конденсатору все время приложено постоянное напряжение, то через него будет постоянно протекать ток минимального значения, необходимый для постоянного самозалечивания оксидного слоя.

Если оборудование отключается на какое-то время, то при его обратном включении сначала будет протекать ток утечки, превышающий обычное значение, до тех пор, пока не завершится процесс повторной формовки оксидного слоя. Чем длительнее нерабочий период, когда на конденсаторе отсутствует напряжение, тем длительнее и тем выше в начальный момент будет значение тока утечки; поэтому существует реальная угроза, что этот ток может вызвать сильный разогрев электролита в конденсаторе. При нагреве электролит начинает интенсивно испаряться, а повышение давления газа может разорвать корпус конденсатора или нарушить его герметичность. По этой причине рекомендуется использовать регулируемый автотрансформатор, например, Variac, для того, чтобы постепенно увеличивать напряжение питания оборудования, в состав которого входят электролитические конденсаторы, после длительного периода, когда оборудование не использовалось.

Современные конденсаторы снабжаются специальными уплотняющими прокладками, которые предотвращают чрезмерное повышение внутреннего давления и пропускают пары через специальные отверстия в резиновых уплотнениях на основании конденсатора (для конденсаторов большой емкости), либо же прочность алюминиевого корпуса может быть вполне осознанно ослаблена с использованием серии выемок, которые обеспечивают управляемый разрыв для выхода разогретых паров (конденсаторы малой емкости). Каждый из этих способов означает безвозвратную утрату конденсатора, но он предотвращает повреждение других компонентов схемы. При этом такой способ имеет еще то преимущество, что позволяет чисто визуально судить о работоспособности компонента.

При постепенном нагреве пары электролита удаляются через герметизирующие прокладки конденсатора, так как в природе не существует идеальных уплотнителей. Поэтому по мере снижения уровня электролита площадь контакта с вытравленными углублениями и неровностями уменьшается, в результате чего возрастает последовательное эквивалентное сопротивление, а емкость конденсатора снижается.

Испарение электролита делает такие конденсаторы очень чувствительными к температурному режиму, в частности, срок службы электролитического конденсатора удваивается при снижении температуры эксплуатации на каждые 10 °С.

Приложенное напряжение также влияет на срок службы конденсатора. При отсутствии напряжения процесс формовки диэлектрического слоя не происходит, поэтому от постепенно разрушается, приводя к повышенным значениям токов утечки. Это явление послужило причиной широко известного случая с неисправностью аналоговых микшерных пультов, в которых использовались симметричные положительное и отрицательное напряжения питания, задаваемые с использованием операционных усилителей, в которых в качестве конденсаторов связи применялись электролитические конденсаторы, на которых в результате либо отсутствовало, либо было незначительным напряжение формовки (или поляризации).

При условии, что необходимое по величине напряжение формовки присутствует, эксплуатация электролитического конденсатора при напряжениях, меньших их номинального значения, значительно увеличивает срок службы конденсаторов:

Из приведенного выражения следует, что работа электролитического конденсатора при напряжении, составляющем 87% от номинального значения, удваивает его срок службы. Однако, приведенной формулой следует пользоваться достаточно осторожно, так как можно предсказать значительное увеличение срока службы за счет существенного снижения рабочего напряжения. Существует хорошее инженерное правило, гласящее, что, если оказывается возможным, электролитический конденсатор должен эксплуатироваться при напряжении, составляющем две трети от его номинального рабочего значения, что дает теоретическое увеличение срока службы в восемь раз. Этот результат является, скорее всего, предельным значение для применимости данной формулы.

Большое количество классических ламповых усилителей содержат электролитические конденсаторы, в которых в одном корпусе конструктивно объединены несколько компонентов. Внешний конденсатор маркируется, как правило, красной точкой и в усилителе, в котором используется сглаживающая RC цепь, такой конденсатор должен быть подключен к точке, имеющей самый высокий положительный потенциал. Причиной этого является то, что в точке с наиболее высоким потенциалом будут самые высокие значения напряжения пульсации, а так как внутри проводника поле отсутствует, эти напряжения не будут иметь связи с соответствующим каскадом. Подключение конденсаторов в схеме в обратной последовательности вызовет увеличение фоновых шумов.

Существует класс алюминиевых электролитических конденсаторов, которые можно использовать в цепях переменного тока, они известны как биполярные конденсаторы. Такие конденсаторы могут быть обнаружены в схемах кроссоверов громкоговорителей, так как они были, как правило, гораздо дешевле пленочных конденсаторов со сравнимым значением емкости. Конструктивно они представляют два встречно включенных электролитических конденсатора (рис. 5.8).

Биполярный электролитический конденсатор

Рис. 5.8 Биполярный электролитический конденсатор

К такому конденсатору не будет постоянно приложено поляризующее напряжение и каждый конденсатор должен будет иметь удвоенное значение требуемой по схеме емкости. Недостатки такого конденсатора, следовательно, возрастают в четыре раза по сравнению с обычными униполярными электролитическими конденсаторами, поэтому их характеристики оказываются весьма посредственными.

Танталовые электролитические конденсаторы

Более высокое значение относительной диэлектрической проницаемости изолирующей пленки значительно уменьшает габаритные размеры танталового электролитического конденсатора по сравнению с алюминиевым электролитическим конденсатором (εr ≈ 8,5). Конденсаторы, в которых используется танталовая фольга, обладают двумя дополнительными преимуществами, непосредственно вытекающими из более высокой химической стойкости слоя оксида тантала. Первое связано с тем, что можно уменьшить значение эквивалентного последовательного сопротивления, так как можно использовать электролиты с меньшим значением объемного удельного сопротивления, в которых происходила бы коррозия алюминиевой фольги. Второе, из-за более высокой стойкости оксидной пленки уменьшаются токи утечки. Однако, тантал является более дорогим материалом, тогда как алюминиевые электролитические конденсаторы постоянно совершенствуются.

Миниатюрные дисковые танталовые конденсаторы применяются только при невысоких рабочих напряжениях, однако, уменьшенное, по сравнению с алюминиевыми конденсаторами, значение индуктивности позволило широко применять их в стабилизаторах напряжения полосовых фильтров или логических схем. К сожалению, этот тип конденсаторов характеризуется невысокими значениями емкости (как правило, не более 100 мкФ), их емкость недостаточна для использования в качестве катодных шунтирующих конденсаторов. При выходе из строя танталовых дисковых конденсаторов (они совершенно не переносят включение с обратной полярностью), они образую короткозамкнутую цепь, что может привести к очень впечатляющим повреждениям в схеме. При всем этом они очень дороги, что делает проблематичным их широкое применение.

 

tubeamplifier.narod.ru

Конденсаторы часть 1 - Конденсаторы - Фундаменты электроники - Каталог статей

Закончили

 рассмотрение резисторов, сегодня поговорим о конденсаторах. Вы помните старые, черно-белые телевизоры, такие как Белведере, Корал, Тоска или Висла? Вы заметили, как развивались вместе с ними конденсаторы?

Младшим читателям нужно объяснить, что в те древние времена доминировали конденсаторы из свернутых полос  алюминиевой фольги и бумаги, пропитанной клейкой массой чем-то похожей внешне на крахмал. Поэтому их обычно называли «картофеляторами». Эти были "шедевры" электротехнической промышленности. У этих конденсаторов была странная особенность – разваливаться. Наипростейшей формой «ремонта» была перемотка, так что бы металлическая фольга не вызывала короткого замыкания. Все это было еще более интригующе, потому что было известно мнение что если в старом черно-белом «русском» телевизоре перемотать конденсаторы, он начинал лучше принимать. Со временем, однако, прекратили производство таких "картофеляторов" и, к сожалению, с тех пор никто не знает, что сделать, чтобы улучшить прием старого советского телевизора.

Достаточно анекдотов. Я рассказал вам смешную особенность советских электролитов, теперь вы наконец узнаете что-то полезное.

Если вы помните мудрые размышления о превосходстве вакуумных конденсаторов над воздушными, масляных над сухими, слюдяными над бумажными, попробуйте все это быстро и эффектно … забыть.

Я то же ходил в школу, проходил материаловедение и учил мудрые классификации компонентов, потом выяснялось, что почти все это устарело и бесполезно на практике.

Сегодня бумажные конденсаторы, слюдяные, стеклянные, масляные в типичном оборудовании не встретятся. Но вы должны усвоить три основные группы конденсаторов:

- Электролитические

- керамические

- пластиковые

Сначала займемся первой группой.

 

Конденсаторы электролитические

 

Я признаюсь вам,  что хотя за указанные элементы у меня были очень хорошие оценки, в течение длительного времени я не понимал, как действительно работают и устроены электролитические конденсаторы. Только благодаря чтению оригинальных каталогов фирм производителей картина прояснилась. Так что я смею полагать, что вы тоже можете иметь подобные проблемы, поэтому позвольте мне рассказать вам немного о конструкции конденсаторов. Это не сухая теория, вы быстро узнаете о практической полезности такого знания. Это не будет слишком сухая лекция, потому что вы начинаете с разборки несколько мокрых "электролитов". Я сердечно призываю вас, действительно проводить такие эксперименты, а не просто останавливаться на  чтении этой статьи. Один из таких уроков вероятно, даст вам практические больше, чем полгода теории в учебном заведении.

Я собрал для себя в сжатой форме основную информацию о доступных конденсаторах и их характеристиках, но из-за малого объема статьи я дам ее в следующем выпуске. А сейчас я расскажу вам о популярных «электролитах».

 

Алюминиевые электролитические конденсаторы

 

Давно ни чего не разрушал, вы можете для доброго начала разобрать несколько типичных «электролитов», но при условии что, вы не порежетесь при вскрытии, и не испачкаете руки и окружающих электролитом. В принципе электролит не должен быть агрессивным или токсичным, но для новых конденсаторов может быть «изобретен» новый электролит с неожиданными характеристиками. В любом случае, для того что бы разобрать используйте резиновые перчатки.

Если вы отделите влажную бумагу, то увидите два алюминиевых электрода. Они одинаковые? В небольших конденсаторах возможно одинаковые. Тем не менее, в старых отечественных электролитах с большими размерами положительная фольга анода более матовая и серая, чем отрицательная. Как вы заметили положительная фольга всегда матовая. Под микроскопом оказывается,  что очень грубая, выглядит как каменистая пустыня. Таким образом, площадь, занимаемая положительные покрытием - анод значительно больше, чем в размеры фольги. Столь значительное увеличение площади получают путем химического травления поверхности.

Известно, по определению каждый конденсатор состоит из двух проводников (обкладок),  разделенных слоем диэлектрика (изолятора). Кажется, обкладки у нас есть. А что служит диэлектриком в нашем конденсаторе? Что? Бумага? Нет! Прежде всего она смочена токопроводящим электролитом. Тогда что?

Вы знаете, что алюминий в присутствии кислорода сразу же покрывается слоем не проводящей оксидной пленки (Al2O3). Самое главное, это оксид отличный диэлектрик и имеет высокую, диэлектрическую постоянную. Представьте себе, что слой оксида алюминия толщиной 1 микрометр (1/1000 мм) может выдержать без пробоя напряжением 700В!

Вы узнали важную информацию: в электролитическом конденсаторе диэлектрик это слой оксида алюминия толщиной менее 1 мкм, а также площадь активной поверхности пленки увеличена в процессе химического травления анода.

Какое назначение имеет электролит? На самом деле электролит и есть отрицательный электрод, и вторая полоска алюминиевой фольги, называемая катодом, на самом деле всего лишь подводит напряжение до настоящего жидкого катода. Кроме того, "любопытный" электролит, вкрадывается в каждую полость, при этом полностью используется площадь анода. Пористая  бумага действует как резервуар для жидкого электролита и предотвращает непосредственный контакт двух металлических электродов, которые могут привести к повреждению оксидного слоя и короткому замыканию. Упрощенное сечение одного слоя электролитического конденсатора можете видеть на рисунке 1.

Теперь вы знаете, в чем секрет высокой емкости при  малых размерах электролитических конденсаторов. Причины:

- Большая, протравленная поверхность,

- Очень тонкий слой диэлектрика (Al2O3)

- Большая диэлектрическая постоянная Al2O3.

Тем не менее, остается серьезной проблемой: Поэтому для обычных электролитических конденсаторов должна соблюдаться полярность на постоянном токе? Этому «виновник» - электролит. Прежде чем конкретно ответить на этот вопрос, я должен напомнить некоторые основы.

Как вы, наверное, помните, в электролитах электрический носителями заряда являются ионы. В электролите нашего конденсатора, отрицательные ионы - кислород,  положительные ионы - водород. Я до сих пор вам не сказал, как создают слой окиси алюминия. Естественный слой оксида чрезвычайно тонкий, порядка 1 .. 2 нм и делают этот слой толще, как правило, электрохимическим методом, конденсатор подключают к источнику постоянного напряжения. Положительной провод источника на анода, отрицательный на катод. Так как поток тока в электролите это движение ионов, а отрицательные ионы содержат кислород, на поверхности анода образуется оксид алюминия, с другой стороны образуется в качестве побочного продукта водород. В результате изолирующий слой оксида постепенно становится все более и более толстым уменьшается величина тока, и через некоторое время стабилизируется на текущем низком значении и процесс образования оксида прекращается. Пожалуйста, обратите внимание, что толщина оксидного слоя сформированного таким образом от приложенного напряжения - так называемого напряжение  формования, всегда выше на 20 .. 100% предполагаемое номинальное напряжение конденсатора. Почему напряжение формования должно быть больше, чем рабочее напряжение? Потому как во время работы конденсатора практически не должен течь постоянный  ток (так называемый ток утечки). В каталогах, вы найдете обозначения производителей LL (ранее тип 1) и GP (ранее тип 2). LL расшифровывается как Long Life (долголетие), GP - General Purpose (общего назначения). Конденсаторы LL образуется более высоким напряжением, чем конденсаторы GP с тем же номинальным напряжением. Более высокое напряжение формирования дает более толстый слой окисла, следовательно, снижается ток утечки, и меньше шансов на пробой. Более толстый слой диэлектрика однако, дают меньшую емкость, Так LL конденсаторы могут иметь большие размеры, чем конденсаторы того же наименования в обычном исполнении.

Из поданной информацией вы можете сделать некоторые важные выводы.

Во-первых, я думаю, вы понимаете, что повреждение конденсатора не вызывается пробоем диэлектрика, а только повторным началом процесса формирования, неотъемлемо связанным с выделением газов, которые приводят к взрыву конденсатора.

Может быть это заблуждение было связано с электролитом который … высох. Опять же уместно напомнить продукты бывшего СССР, но на этот вопрос опустим завесу молчания. Если корпус конденсатора не герметичен, повышенное давление, вызванное газом во время его работы может привести к потере электролита и электролитический конденсатор постепенно станет хорошим воздушным конденсатором, емкостью несколько  десятков ... пикофарад. Так что пусть не приходят на ум, идея  слить электролит просверлив крошечное отверстие в корпусе.

Теперь вы понимаете, почему электролитические конденсаторы с жидким электролитом хранящиеся в течение длительных периодов времени без напряжения имеют значительный ток утечки. Во время хранения оксидный слой не много повреждается, но после подачи напряжение он сам восстанавливается отрицательных ионами притянутыми к аноду.

Таким образом, в системах, где требуется высокая безотказность и надежность, электролитические конденсаторы должны находиться под напряжением, тогда получается непрерывный процесс регенерации и ток утечки удерживается в допустимых пределах.

Мы постепенно подошли, к ответу на вопрос, почему эти конденсаторы должны работать на постоянном токе. Как вы уже знаете, отрицательные ионы достигая анода приводят к образованию оксида алюминия. Однако, если изменить полярность приложенного напряжения, наши алюминиевые анод становится катодом. Теперь он притягивает к себе положительные ионы,  теперь они достигают его без препятствия, и после контакта с ним получают недостающий электрон, получается газообразный водород. Протекающий ток может иметь большое значение, поскольку слой окиси алюминия не является существенным барьером для любопытных положительных ионов, а выделившийся газ дополнительно разрушается слой оксида. Конденсатор взрывается от выделившегося газа. Отметим, что в электролитических конденсаторах происходит явление полупроводимости тока, как и в диоде. Поэтому на эквивалентной схеме электролитического конденсатора изображены диоды.

Внимательный читатель, отметить что, при смене полярность роль анода будет выполнять другой электрод. Действительно, похоже на это. Это что-то изменит? Нет, потому что второй электрод служить лишь проводником тока до жидкого катода и его поверхность покрыта лишь тонким слоем естественного оксида (отсюда ясно, почему фольга катода глянцевая в некоторых конденсаторах). Действительно «обратный» ток, начинает растить на нем слой оксида, но не успевает до взрыва конденсатора!

А если в процессе производства были окислены оба алюминиевых электрода?

Гениальная идея! Сначала один электрод был анодом, потом второй!  Это может удивить вас – такие конденсаторы производится - это биполярные электролитические конденсаторы, также известные как полярные. Они могут работать без ограничений с переменным напряжением, без постоянной составляющей. Такие конденсаторы с маркировкой  BPT, BPU и BPE производились (а возможно и производятся) фирмой Элви.

 Почему же, наши популярные "электролиты" не сделаны таким образом? Существуют по крайней мере две причины: неполярные конденсаторы имеют гораздо больше ток утечки, а также размеры обычных почти в два раза меньше, чем у соответствующих биполярных конденсаторов. Это связано с последовательным соединением обкладок. Смотри рисунок 2. Правда рабочее напряжение при этом увеличивается в двое.  Однако из-за значительной толщины оксидного слоя на отрицательной обкладке (и тем самым большая мощность), общая мощность определяется рабочим напряжением анода.

А теперь пора на практике проверить прочитанное. Но я прошу вас, не проверять конденсаторы взрываются - взрываются на ура, с дымом и .. назовем это запахом. Я это знаю, потому что пару раз отмывал платы от электролита. И я также знаю,  некоторые ребята рассказывали, как им повезло, корпус конденсатора  разорвался, но электролит не попал в глаза, пролет мимо уха.

Пожалуйста, однако, проверяйте ток утечки долго неиспользованных конденсаторов разных номиналов перед первым включением и после нескольких минут пребывания под напряжением. Кроме того, проверить ток утечки сформированных алюминиевые конденсаторы номиналов, скажем, 10, 100 и 1000μF при различных напряжениях поляризации. Но не превышайте их номинального напряжения.

Вы будете иметь представление о том каким может быть ток утечки, почему вы должны быть осторожны при использовании алюминиевых "электролитов" в системах, содержащих резисторы с номинальными значениями порядка Мом и почему схемы, требующих высокую надежность, всегда должны быть под напряжением. Проверьте теперь те же параметры «танталовых». Заметили разницу?

Эксперименты можно проводить по схеме на рисунке 3, с использованием цифрового вольтметра. Подсчитываю ток путем деления напряжения на сопротивление резистора.

Вы получили здесь много важного материала об "электролитах". Прежде чем переходить к чему-либо другому спросите себя, вы все понимаете. Если нет, то читайте материал снова и попытаться разобраться в существующей и новой информации.

Танталовые конденсаторы

В этих конденсаторах анод изготовлен не из алюминия, а из спеченного порошка тантала. В результате спекания получается пористая структура, напоминающая губку - таким образом, получают в очень маленьком объеме большую площадь. Так же, по аналогии с алюминиевыми конденсаторами, электрохимическим методом делают на поверхности изолирующей пленку из пятиокиси тантала (Ta2O5), который, как Al2O3 имеет очень хорошие диэлектрические свойства. И наконец, поры анода заполняется электролитом. Популярный электролит диоксид марганца MnO2. Менее популярными являются конденсаторы с жидким электролитом, а точнее с гелем. Раньше были, а может быть выпускаются до сих пор гольевые конденсаторы типа ECA предназначены для профессионального оборудования. Несмотря на хорошие параметры, лучшее из электролитических конденсаторов, танталовые конденсаторы с жидким электролитом не пользуются популярностью.

Наиболее распространенным является "сухой тантал". Схематическое поперечное сечение показано на рисунке Отметим, что структура является трехмерным, и все элементы анода (тантала) выглядящие как островки, на самом деле они электрически соединены друг с другом.

В связи с диоксидом марганца, который является одним из видов полупроводников, танталовые конденсаторы имеют полярные свойства. Поэтому следует соблюдать полярность, однако, в некоторых каталогах, можно найти информацию,   что максимальное допустимое напряжение противоположной полярности меньше на 5 .. 15% от номинального напряжения.

Пятиокись тантала очень устойчива к повреждениям, поэтому ток утечки танталового конденсатора меньше, чем алюминиевого, ток утечки практически не меняется даже после нескольких лет хранения без напряжения.

Поэтому долго не использующиеся "танталы", не нуждаются в повторном формовании, кроме того, это не имеет смысла, потому что без электролита, содержащего ионы, процесс формования не происходит.

Реже встречаются твердотельные алюминиевые конденсаторы, в фирменных каталогах они обозначаются как solid aluminium capacitors. Они отличаются от обычных влажным материалом катода. Положительный электрод - анод - это та же протравленная фольга и диэлектрика - оксида алюминия (Al2O3). Но на этот раз катода это диоксид марганца (MnO2). Показано на рисунке.

Поскольку нет жидкого электролита, нет тока с ионами в качестве носителей. Теоретически, они могли бы работать при любой полярности напряжения. Однако, из-за наличия даже следов влаги и связанного с этим риском ионной проводимости разрушительной при обратной поляризация диэлектрика рекомендуется соответствующая полярность.

Piotr Górecki

58 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/96

 

 

 

 

 

 

edwpl.ucoz.ru


© ЗАО Институт «Севзапэнергомонтажпроект»
Разработка сайта