Электролитический конденсатор

Электролитический конденсатор – это конденсатор, где диэлектриком служит слой оксида металла на аноде, а катодом – электролит. В результате достигается очень большая ёмкость при сравнительно высоком рабочем напряжении. Что и обусловливает высокую популярность этого рода изделий.

История происхождения электролитических конденсаторов

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

Это означает, что место контакта обладает выпрямляющими свойствами. Теперь можно легко предположить дальнейшее, если вспомнить о качествах барьера Шоттки. Это прежде всего низкое падение напряжения при включении в прямом направлении. Но что значит низкое? Применительно к конденсаторам это будет значительная величина. Что касается обратного включения электролитических конденсаторов, то многие наслышаны про опасность таких экспериментов. Дело в том, что барьер Шоттки имеет высокие токи утечки, за счёт которых слой оксида начинает немедленно деградировать. Но в данном случае немалая роль отведена ещё и туннельному пробою. Протекающая химическая реакция сопровождается выделением газов, за счёт чего и происходит негативный эффект. Теоретики говорят, что указанное явление также ведёт к выделению тепла.

Конденсаторы разного типа

Конденсаторы разного типа

Годом изобретения электролитического конденсатора называют 1896, когда 14 января Карол Поллак подал в патентное бюро Франкфурта свою заявку. Итак, на аноде электролитического конденсатора наращивается слой оксида под действием положительного потенциала. Этот процесс называется формовкой и в условиях современного развития техники длится часами и даже сутками. По этой же 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.

Какое-то время в отечественной практике промышленный выпуск электролитических конденсаторов не был экономически выгодным. Вплоть до того, что в научных журналах рассматривалось, как именно можно наладить процесс производства. 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 эти качества выражены у тантала. По-видимому, силу того, что пентаоксид тантала обладает проводимостью p-типа. В результате чего 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 можно завершить.

Производство электролитических конденсаторов

Металлы, оксиды которых обладают выпрямляющими свойствами, называли вентильными по аналогии с полупроводниковыми диодами. Не сложно догадаться, что окисление должно приводить к образованию материала с проводимостью n-типа. Это и является основным условием существования вентильного металла. Из всех перечисленных выше ярко выраженными позитивными свойствами обладают лишь два:

  1. Алюминий.
  2. Тантал.
Алюминиевые конденсаторы

Алюминиевые конденсаторы

Первый применяется во много раз чаще, благодаря относительной дешевизне и распространённости в Земной коре. Тантал используют только в крайних случаях. Наращивание оксидной плёнки может происходить несколькими путями:

  • Одной из методик является поддержание постоянного тока. В процессе роста толщины окисла его сопротивление растёт. Следовательно, в цепь последовательно с конденсатором на время формовки следует включить реостат. Процесс контролируется по падению напряжения на переходе Шоттки и при необходимости шунт подстраивается так, чтобы параметры оставались постоянными. Скорость формовки при этом на начальном этапе постоянна, затем следует точка перегиба со снижением параметра, и через определённый интервал дальнейший рост оксидной плёнки идёт столь медленно, что технологический цикл можно считать на этом завершённым. При первом перегибе анод часто начинает искрить. Соответственно, и напряжение, при котором это происходит, называют тем же образом. На второй точке искрение резко усиливается, и 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 будет убывать с течением времени по экспоненте. Напряжение обычно выбирают ниже напряжения искрения. Процесс идёт до некоторого остаточного прямого тока, ниже которого уровень уже не опускается. На этом процесс формовки оканчивается.
Читайте также:  Эффект Пельтье

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, к которым относится борная, лимонная кислота и бура, почти не растворяют алюминий и его оксид. Из-за этого широко используются при производстве электролитических конденсаторов. Длительная формовка может приводить к падению напряжения до 1500 В, а от него, в свою очередь, зависит толщина слоя диэлектрика.

    Высоковольтные электролитические конденсаторы

    Высоковольтные электролитические конденсаторы

  2. Хромовая, серная, янтарная и щавелевая кислоты хорошо растворяют оксид алюминия, но почти не затрагивают сам металл. Отличительной особенностью формовки в этом случае является 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 активно примешиваются гидраты и соли используемой кислоты. Однако эти же процессы могут использоваться в защитных целях. В таком случае процесс формовки идёт по предыдущей схеме (первая группа), а довершается по этой. Защитный слой гидроксидов предохраняет окисел от разрушения в процессе эксплуатации.
  3. Третья группа электролитов включает в себя преимущественно соляную кислоту. Эти вещества в процессе формовки не применяются, поскольку хорошо растворяют и алюминий, и его соли. Зато широко 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, в том числе глицерин и этиленгликоль, и многие соли. Не все процессы идут строго по схеме, описанной выше. Так например, при формовке алюминия в растворе серной кислоты по методу постоянного тока, на графике выделяют следующие участки:

  1. Несколько секунд наблюдается достаточно быстрый рост напряжения.
  2. Затем с той же скоростью наблюдается спад до уровня порядка 70% от достигнутого пика.
  3. За третью стадию нарастает толстый пористый слой оксида, но напряжение растёт очень медленно.
  4. На четвёртом участке напряжение резко растёт до наступления искрового пробоя. На этом процесс формовки заканчивается.
Читайте также:  Операционный усилитель

Очень многое зависит от технологии. На толщину слоя, а следовательно, рабочее напряжение и долговечность конденсатора, влияют концентрация электролита, температура, некоторые другие параметры.

Маркировка на конденсаторе

Маркировка на конденсаторе

Конструкция электролитического конденсатора

Обкладки обычно не являются плоскими. Для электролитических конденсаторов они чаще свёрнуты в трубочку, спиралью. На срезе это напоминает катушку Тесла со всеми вытекающими отсюда последствиями. Это значит, что конденсатор обладает значительным индуктивным сопротивлением, которое в данном контексте можно считать паразитным. Между обкладками помещается пропитанная электролитом бумага или ткань. Корпус изготавливается из алюминия по той причине, что легко покрывается защитным слоем, не затрагивается электролитом и хорошо отводит тепло (не нужно забывать про активную составляющую сопротивления анода).

Это конденсаторы с сухим электролитом. Их ключевое преимущество в хорошем использовании объёма. Лишний электролит практически отсутствует, что снижает вес и габариты при той же электрической ёмкости. Несмотря на характерное название электролит здесь не сухой, а скорее вязкий. Им пропитываются прокладки из ткани или бумаги, расположенные между обкладками. В силу вязкость электролита корпус может быть пластмассовым или даже бумажным, 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 обычно нанесены крестом насечки, через которые внутренний объем выдавливается наружу. Это на случай аварии. Такой испорченный конденсатор легко заметить невооружённым глазом и своевременно заменить, что ускоряет значительно процесс ремонта. Избежать аварии и неправильной полярности включения помогает маркировка корпуса. Со стороны катода на импортных обычно проведена по всей высоте белая полоса с расставленными на ней минусами, а у отечественных с противоположной – крестики (плюсы).

Для увеличения излучательной способности цвет корпуса выполняется темным. Из этого правила имеются исключения, но они редки. Подобная мера увеличивает теплоотдачу в окружающую среду. При превышении напряжения на рабочим (формовочным) происходит резкое увеличение тока за счёт ионизации, наблюдается 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 себя при работе на низких частотах. Что обусловливает специфику их применения в качестве фильтров блоков питания (50 Гц).

Эти цилиндрические электролитические конденсаторы устроены не так, как показано выше, и не имеют бумажные вкладок. В некоторых моделях корпус играет роль катода, тогда как анод находится внутри и может быть 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. Такая конструкция типична для моделей с жидким электролитом. Ёмкость у рассматриваемой конструкции варьируется при выпуске промышленностью от 5 до 20 мкФ при рабочем напряжении от 200 до 550 В. Из-за повышения сопротивления электролита с понижением температуры конденсаторы с жидким электролитом и корпусом в качестве катода применяются преимущественно в теплом микроклимате.