Электролитический конденсатор

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.

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.

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).

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