електролітичний конденсатор

1. Історія походження електролітичних конденсаторів
2. Виробництво електролітичних конденсаторів
3. Конструкція електролітичного конденсатора

Електролітичний конденсатор - це конденсатор, де діелектриком служить шар оксиду металу на аноді, а катодом - електроліт. В результаті досягається надзвичайно велика ємність при порівняно високому робочому напрузі, обумовлюючи популярність подібних виробів.

Історія походження електролітичних конденсаторів

Ефект електрохімічного оксидування ряду металів відкритий французьким вченим Eugène Adrien Ducretet в 1875 році на прикладі танталу, ніобію, цинку, марганцю, титану, кадмію, сурми, вісмуту, алюмінію та інших матеріалів. Суть відкриття: при включенні в якості анода (позитивний полюс джерела живлення) на поверхні наростав шар оксиду, що володіє вентильними властивостями. Фактично утворюється подобу діода Шотткі, в обраних роботах оксиду алюмінію приписується провідність n-типу.

Виходить, місце контакту володіє випрямляючих властивостями. Тепер легко припустити подальше, якщо згадати про якості бар'єру Шотткі. Це найнижче падіння напруги при включенні в прямому напрямку. Стосовно до конденсаторів низька - означає вражаючу величину. Що стосується зворотного включення електролітичних конденсаторів, люди чули про небезпеку подібних експериментів. Бар'єр Шотткі розвиває підвищені струми витоку, за рахунок яких шар оксиду починає негайно деградувати. Чимала роль відведена тунельному пробою. Протікає хімічна реакція супроводжується виділенням газів, що забезпечують негативний ефект. Теоретики кажуть, що вказане явище веде до виділення тепла.

Конденсатори різного типу

Роком винаходи електролітичного конденсатора називають 1896 року, коли 14 січня Карол Поллак подав заявку в патентне бюро Франкфурта. Отже, на аноді електролітичного конденсатора нарощується шар оксиду під дією позитивного потенціалу. Процес називається формуванням, в умовах сучасного розвитку техніки триває годинами і цілодобово. Із зазначеної причини в процесі роботи зростання або деградація оксидного шару непомітні. Електролітичні конденсатори застосовуються в електричних ланцюгах з частотою до 30 кГц, що означає час зміни напрямку струму в десятки мкс. За цей проміжок нічого не станеться з оксидною плівкою.

Спочатку в російській практиці промисловий випуск електролітичних конденсаторів не зважав економічно вигідним. У наукових журналах навіть розглядалося, як налагодити виробництво. До подібних нотаток відноситься стаття Миткевича (Журнал Російського фізико-хімічного товариства, фізика №34 за 1902 рік). Розглянутий електролітичний конденсатор складався з плоского алюмінієвого анода і двох залізних катодів, розташованих з боків. Конструкція містилася в 6-8% розчин харчової соди. Формування велася постійною напругою (див. Нижче по тексту) 100 В до залишкового струму 100 мА.

Перші серйозні напрацювання вітчизняної приналежності по конденсаторів з рідким електролітом відносяться до 1931 року і створені лабораторією П. А. Остроумова.

Здатність вентильних металів з оксидною плівкою випрямляти струм неоднакова. Найбільш яскраво якості виражені у танталу. Можливо, через пентаоксиду танталу, що характеризується провідністю p-типу. В результаті зміна полярності призводить до утворення діода Шотткі, включеного в прямому напрямку. Завдяки специфічному підбору електроліту деградуючих робочий шар діелектрика вдається відновлювати прямо в процесі роботи. На цьому історичний екскурс завершений.

Виробництво електролітичних конденсаторів

Метали, оксиди яких характеризуються випрямляють властивостями, називали вентильними за аналогією з напівпровідниковими діодами. Нескладно здогадатися, що окислення призводить до утворення матеріалу з провідністю n-типу. Це вважається основною умовою існування вентильного металу. З перерахованих вище яскраво вираженими позитивними властивостями володіють лише два:

1. Алюміній.
2. Тантал.

алюмінієві конденсатори

Перший застосовується набагато частіше, завдяки відносній дешевизні і поширеності в Земній корі. Тантал використовують у крайніх випадках. Нарощування оксидної плівки відбувається двома шляхами:

• Першою методикою стає підтримка постійного струму. В процесі зростання товщини оксиду опір зростає. Отже, в ланцюг послідовно з конденсатором на час формування включається реостат. Процес контролюється по падінню напруги на переході Шоттки, при необхідності шунт підлаштовується так, щоб параметри залишалися незмінними. Швидкість формування на початковому етапі постійна, потім відбувається точка перегину зі зниженням параметра, через певний інтервал подальше зростання оксидної плівки йде настільки повільно, що технологічний цикл вважається завершеним. При першому перегині анод часто починає іскрити. Відповідно, і присутнє напруга називається аналогічно. На другій точці іскріння різко посилюється, подальший процес формування недоцільний. А другий перегин називають максимальною напругою.
• Друга методика формування оксидного шару зводиться до підтримки на аноді постійної напруги. У цьому випадку струм убуває по експоненті. Напруга вибирають нижче напруги іскріння. Процес йде до залишкового прямого струму, нижче якого рівень вже не опускається. Потім формування закінчується.

Велику роль в процесі формування відіграє правильний підбір електроліту. У промисловості це зводиться до вивчення взаємодії агресивних середовищ з алюмінієм:

1. Представники першої групи електролітів, сюди відноситься борна, лимонна кислота і бура, майже не розчиняють алюміній та оксид. Масово використовуються при виробництві електролітичних конденсаторів. Тривала формування призводить до падіння напруги до 1500 В, що визначає товщину шару діелектрика.

   Високовольтні електролітичні конденсатори

2. Хромова, сірчана, бурштинова і щавлева кислоти добре розчиняють оксид алюмінію, але не зачіпають метал. Відмінною особливістю формування стає порівняно товстий шар діелектрика. Причому при подальшому нарощуванні не відбувається значного зниження струму або підвищення напруги. Такий процес застосовується для формування електричних конденсаторів з відносно низькими робочими характеристиками (до 60 В). До окису алюмінію в пористих структурах домішуються гідрати і солі використовуваної кислоти. Зазначені процеси здатні використовуватися в захисних цілях. Тоді формування йде за попередньою схемою (перша група), а довершается за описаною. Захисний шар гідроксидів охороняє оксид від руйнування в процесі експлуатації.
3. Третя група електролітів включає переважно соляну кислоту. Ці речовини в процесі формування не застосовуються, добре розчиняють алюміній і його солі. Зате охоче використовуються для очищення поверхонь.

Для танталу і ніобію все електроліти підпадають під класифікацію першої групи. Величина ємності конденсатора визначається переважно напругою, при якому закінчена формування. Аналогічним чином використовують поліспирти, гліцерин і етиленгліколь, солі. Не всі процеси йдуть за схемою, описаною вище. Наприклад, при формуванні алюмінію в розчині сірчаної кислоти за методом постійного струму на графіку виділяють ділянки:

1. Кілька секунд спостерігається швидке зростання напруги.
2. Потім з колишньою швидкістю спостерігається спад до рівня близько 70% від досягнутого піку.
3. За третю стадію наростає товстий пористий шар оксиду, напруга зростає вкрай повільно.
4. На четвертому ділянці напруга різко зростає до настання іскрового пробою. Формування закінчується.

Чимало залежить від технології. На товщину шару, а отже, робоча напруга і довговічність конденсатора, впливають концентрація електроліту, температура, інші параметри.

Маркування на конденсаторі

Конструкція електролітичного конденсатора

Обкладки зазвичай не плоскі. Для електролітичних конденсаторів частіше згорнуті в трубочку, спіраллю. На зрізі нагадує котушку Тесла з витікаючими звідси наслідками. Це означає, що конденсатор має значний індуктивним опором, яке в даному контексті вважається паразитних. Між обкладками поміщається просочена електролітом папір або тканину. Корпус виготовляється з алюмінію - метал легко покривається захисним шаром, не зачіпається електролітом і добре відводить тепло (пам'ятаєте про активну складову опору анода).

Це конденсатори з сухим електролітом. Їх ключова перевага в гідному використанні обсягу. Зайвий електроліт відсутня, що знижує вагу і габарити при колишньої електричної ємності. Незважаючи на характерну назву електроліт тут не сухий, скоріше, в'язкий. Їм просочуються прокладки з тканини або паперу, розташовані між обкладинками. В силу в'язкість електроліту корпус допускається пластмасовий або паперовий, для герметизації використовується ущільнення зі смоли. В результаті спрощується технологічний цикл виготовлення продукції. Історично різновиди з сухим електролітом з'явилися пізніше. У вітчизняній практиці перші згадки припадають на 1934 рік.

На торці зарубіжних електролітичних конденсаторів нанесені хрестом насічки, через які внутрішній обсяг видавлюється назовні. Це на випадок аварії. Подібний зіпсований конденсатор легко помітити неозброєним оком і вчасно замінити, що прискорює лагодження. Уникнути аварії і неправильної полярності включення допомагає маркування корпусу. У катода на імпортних проведена по всій висоті біла смуга з розставленими мінусами, а у вітчизняних з протилежного - хрестики (плюси).

Для збільшення випромінювальної здатності колір корпусу виконується темним. Винятки з правила рідкісні. Подібний захід збільшує тепловіддачу в навколишнє середовище. При перевищенні напруги на робочим (формувальних) відбувається різке збільшення струму за рахунок іонізації, розвивається сильне іскріння на аноді, частково пробивається шар діелектрика. Наслідки таких явищ легко усуваються в конструкції і з корпусом, що використовуються в якості катода: конденсатори з рідким електролітом займають порівняно багато місця, але добре відводять тепло. Зате відмінно проявляються при роботі на низьких частотах. Що обумовлює специфіку застосування в якості фільтрів блоків живлення (50 Гц).

Ці циліндричні електролітичні конденсатори влаштовані не так, як показано вище, без паперових вкладок. В окремих моделях корпус грає роль катода, анод знаходиться всередині, буває довільної форми так, щоб забезпечувалася максимальна номінальна ємність. За рахунок механічної обробки і хімічного травлення, покликаних збільшити площу поверхні електрода, параметри вдається підняти на порядок. Конструкція типова для моделей з рідким електролітом. Ємність у розглянутій конструкції варіюється при випуску промисловістю від 5 до 20 мкФ при робочій напрузі 200 - 550 В. Через підвищення опору електроліту з пониженням температури конденсатори з рідким електролітом і корпусом в якості катода застосовуються переважно в теплому мікрокліматі.