Семенов Б.Ю.
Ще раз про використання електролітичних конденсаторів
Доповнення до книги "Силова електроніка для любителів і професіоналів" М.СОЛОН-Р 2001 р
Електролітичні конденсатори застосовуються в електронній техніці настільки часто, що часом мало хто замислюється про те, як вони влаштовані, як виготовляються і якими основними властивостями володіють. Ці знання можуть знадобитися розробнику, щоб врахувати при створенні нового виробу електронної техніки, при модернізації вже розробленого, при його ремонті дані особливості і уникнути пов'язані з цим неприємності.
Отже, алюмінієвий електролітичний конденсатор. Його обкладання (катод і анод) виготовляються з алюмінієвої стрічки, між якими прокладена спеціальна електролітична папір, просочена електролітом. Одна з обкладок має дуже тонкий шар оксиду алюмінію, що з'являється в результаті електролітичного окислення і є діелектриком. Цей оксидний шар має властивості односторонньої провідності, але в певному напрямку додатка електричного потенціалу він володіє відмінними діелектричними властивостями, а також малою товщиною, що дозволяє виготовляти конденсатори великих ємностей з невеликими розмірами. Конструкція електролітичного конденсатора показана на рис.1
. 
рис.1 Конструкція електролітичного конденсатора
У зв'язку з цією обставиною переважна більшість що випускаються промисловістю електролітичних конденсаторів є полярними елементами, і при їх включенні в схему потрібно дотримуватися відповідну полярність. Якщо обидві алюмінієві смуги мають на своїй поверхні шар оксиду, конденсатор стане неполярних. Такі конденсатори теж випускаються, але поширені вони значно менше. Наприклад, фірма Hitano випускає неполярні конденсатори серії ENR і ENA, що мають діапазон ємностей від 0,47 до 1000 мкФ і робочими напругами до 160 В з температурним діапазоном від -40 до +85 градусів Цельсія. Номенклатура вітчизняних конденсаторів серії К50-68Н, що випускаються заводом "Елеконд" ( http://www.elecond.ru ) Скромніше: від 2,2 до 22 мкФ і від 16 до 50 В при тому ж діапазоні робочих температур.
Тут описуються так звані електролітичні конденсатори з рідким електролітом. Існує й інший тип електролітичних конденсаторів - з "твердим" електролітом, але тут ми його розглядати не будемо.
Ємність алюмінієвого електролітичного конденсатора може наближено бути обчислена з наступної формули для плоскопараллельного конденсатора, відомий з курсу фізики:
де
e - діелектрична проникність матеріалу діелектрика;
S - площа (квадратні сантиметри) діелектрика;
d - товщина (сантиметри) діелектрика.
Очевидно, щоб досягти більш високої ємності конденсатора, діелектрична проникність і площа діелектрика повинні бути якомога більше, а товщина діелектрика - якомога менше. У таблиці 1 показані значення діелектричних постійних і товщина матеріалів, що використовуються в різних типах конденсаторів.
Однак чим тонше діелектрик, тим менше напруга його пробою. У разі електролітичних конденсаторів товщину діелектрика можна знижувати, розраховуючи її на певний максимальний робочий напруга і знижуючи габарити конденсатора. Але чим тонше оксидна плівка, тим жорсткіші вимоги пред'являються до механічної стійкості і до їх надійності, довговічності, термінів служби.
Таблиця 1
Тип конденсатора Діелектрик діелектричної.
проникність Товщина
діелектрика Алюмінієвий електролітичний конденсатор Оксид алюмінію 7 ... 10 0.0013-0.0015
мкм / В Танталовий електролітичний конденсатор Оксид танталу 24 0.001-0.0015
мкм / В Плівковий конденсатор (металізований) Поліестерна плівка 3,2 0,5-2,0 мкм Керамічний конденсатор (висока діелектрична проникність) Титанат барію 500-20000 5 мкм Керміческій конденсатор (термокомпенсірованний) Оксид титану 15-250 5 мкм
Створення оксидної плівки відбувається за допомогою гальванічного травлення в хлориде алюмінію при пропущенні перемінного (АС) або постійного (DC) струму, або поперемінного чергування AC і DC струмів. Існує два основних типи травлення: поверхневе травлення, представлене на рис.2 (поверхню) і рис.3 (розріз) є в основному продуктом АС електролізу, виконується в основному для конденсаторів з низьким значенням допустимого робочої напруги, і тунельний травлення (рис.4 і рис.5), що виходить в результаті впливу DC електролізу, що застосовується для конденсаторів з середнім і високим значенням допустимої напруги.
Потім з метою створити поверхню з високою чистотою, діелектрик поміщається в розчин борної кислоти. На малюнках (рис.6, рис.7, рис.8) показана структура оксидного шару конденсаторів з різним значенням допустимого робочої напруги. Легко помітити, що товщина діелектрика практично прямо пропорційна допустимому напрузі і становить цифру 0,0013-0,0015 мкм / В.
Для тих, хто знайомий з хімією, наводиться хімічна запис процесу формування діелектричного шару.
На рис.9 показаний діелектрик після пробою. Видно слід шнурування струму, в результаті якого конденсатор вийшов з ладу.
Навіщо в електролітичному конденсаторі електроліт? Чи не простіше було б окислити обкладання і прокласти між ними папір, звернувши потім в трубочку? Виявляється, немає. Конденсатор, виготовлений таким способом, буде мати невелику ємність, так як обкладки виходять відстають один від одного досить далеко. Тому папір просочується спеціальним рідким електролітом - провідної рідиною - одна з алюмінієвих обкладок стає вторинним катодом, а власне катод виходить з паперу, просоченої електролітом. Таким чином, діелектриком стає оксидний шар, і досягається висока ємність конденсатора.
До електролітичної рідини для просочення конденсаторів пред'являються наступні основні вимоги: по-перше, це повинна бути токопроводящая рідина, по-друге, вона повинна відновлювати дефекти оксидного шару, по-третє - хімічно стійким з фольгою анода і катода і, по-четверте, чи не повинен створювати тиск всередині оболонки конденсатора при нормальній роботі. Тому розроблені різні типи електролітів для роботи при різних напружених, різними робочими температурами.
Кілька слів про процес виробництва електролітичних конденсаторів. Перша операція полягає в підготовці поверхні анода і вторинного катода з метою збільшення її ефективної площі і створення окисної плівки. Для цього поверхні піддають AC або DC травленню електричним струмом, в результаті чого поверхня стає горбистою. До речі, результат цієї операції можна відчути, розібравши несправний конденсатор і обмацавши поверхню обкладання - вона зазвичай шорстка на дотик. Збільшення ефективної площі дозволяє скоротити зовнішні розміри конденсаторів.
Іноді після цього проводиться анодування в борної кислоти для створення гладкої поверхні діелектрика, але для конденсаторів з малим значенням допустимого робочого напруга це анодування зазвичай не проводиться. Після цього обкладання нарізаються стрічками з шириною, що відповідає габаритам конденсатора і згортаються в трубочку разом з прокладеної електролітичної папером, фіксуються смужкою ізолюючого матеріалу (рис.10).
Тепер цей "пакет" можливо просочувати рідким електролітом. Після завершення просочення цей "пакет" вже може функціонувати як нормальний конденсатор. Однак його потрібно захистити від можливості випаровування електроліту і механічних пошкоджень. З цією метою "пакет" вставляють в корпус, "корпусіруют", виконують операцію кінцевого ущільнення.
рис.11 Конструкції конденсаторів
Тренування конденсатора проводиться при додатку до нього постійної напруги в умовах граничної температури навколишнього середовища. Ця операція дозволяє виявити дефектні партії на стадії виготовлення. Після проводяться операції по формуванню висновків (рис.12), вибіркова перевірка партій, упаковка і відправка споживачеві. Для ущільнення з торців висновків використовується гума, бакелітова смола або пластмасова пластина з встановленими на неї клемами-висновками (для потужних конденсаторів). Після ущільнення сучасні конденсатори вставляються в термоусадочні трубки, які утворюють ізоляцію корпусу, що виготовляється з алюмінію (рис.11). Плівки трубки не використовуються при виготовленні конденсаторів для поверхневого монтажу.
рис.12 Формування висновків
Тепер поговоримо про основні характеристики електролітичних конденсаторів. По-перше, вони характеризуються електричної ємністю. Формула для обчислення електричної ємності анода (в мкФ) була приведена вище (Са). З огляду на, що катод також має свою ємність (Сс), загальна ємність електролітичного конденсатора визначиться з формули:
Стандартний допуск ємності зазвичай становить 20% (група M) і навіть 50%, проте випускаються конденсатори з допуском ємності 10% (група К), які застосовуються в умовах, де необхідне застосування тільки таких конденсаторів. Ємність конденсатора вимірюється на частоті 120 Гц і температурі 20 градусів Цельсія.
Еквівалентний послідовний опір (ESR) і тангенс кута втрат (tanb) - інші важливі параметри конденсатора, про які ми зараз поговоримо. Повний імпеданс конденсатора (Z) складається з декількох компонент, що складають еквівалентну схему (рис.13):
рис.13 Еквівалентна схема конденсатора
На низьких частотах (50 Гц - 1 кГц) еквівалентна послідовна індуктивність зазвичай не враховується в силу своєї незначності, і ESR має чисто активний характер.
С - власна ємність конденсатора (Ф);
r - опір витоку електроліту (Ом);
R - еквівалентний послідовний опір (Ом);
L - еквівалентна послідовна індуктивність (Гн).
Тангенс кута втрат і добротність (Q) визначається з наступних формул:
У разі, коли впливом L знехтувати не можна, повний опір (Z) запишеться у вигляді:
Необхідно також відзначити, що R обумовлено головним чином опором фольги обкладок і висновків, а L - індуктивністю обкладок. Характер поведінки різних складових повного опору конденсатора в залежності від частоти наведено на рис.14.
Добре видно, що падіння повного опору конденсатора відбувається до певної частоти, після чого падіння сповільнюється, стабілізується на певному рівні, близькому до активного опору, і починає рости. Зростання повного опору відбувається внаслідок наявності індуктивності L. Саме тому електролітичні конденсатори погано "працюють" на високих частотах і їх доводиться в силовий техніці шунтировать неполярними конденсаторами.
При виборі електролітичних конденсаторів достатню увагу потрібно приділяти струмів витоку. Причина їх появи криється в недосконалому характер поляризації діелектрика, наявності вологи в діелектрику, наявності вкраплень сполук хлору і металевих домішок. Величина струму витоку може бути зменшена тільки на етапі виготовлення конденсатора, і з поліпшенням рівня технологій її частка стає менше і менше, проте її повністю і не виключити. Струми витоку залежать від часу, прикладеної напруги і температури навколишнього середовища. Якщо схемотехніка диктує необхідність тривалого зберігання електричного заряду, до вибору конденсатора по параметру струму витоку слід ставитися дуже уважно.
Як вже було неодноразово сказано, в алюмінієвих електролітичних конденсаторах застосовується рідкий електроліт. Оскільки електроліт, як будь-яка рідина, володіє характеристиками в'язкості, провідності, зовнішні кліматичні чинники надають на конденсатор деякий вплив. Електрична провідність електроліту збільшується зі збільшенням температури і знижується при її зниженні. Ми розглянемо вплив температури на такі відомі нам параметри, як ємність, тангенс кута втрат, ESR, повний опір і струм витоку.
Ємність алюмінієвих електролітичних конденсаторів збільшується при збільшенні температури і відповідно зменшується при зменшенні температури. Зв'язок між температурою і ємністю відображена на рис.15.
Еквівалентний послідовний опір (ESR), а отже і тангенс кута втрат, і повний опір (Z) змінюються при зміні температури і частоти. Найбільш типовий характер цих змін для електролітичних конденсаторів показаний на рис.16. і рис.17. Добре видно, що з ростом частоти ростуть втрати.
Струм витоку збільшується при збільшенні температури і зменшується при зменшенні температури, що відображено на рис.18.
Мал. 17 Залежність ESR і Z від частоти
Мал. 18 Залежність струму витоку від температури
Семенов Б.Ю.
Навіщо в електролітичному конденсаторі електроліт?Чи не простіше було б окислити обкладання і прокласти між ними папір, звернувши потім в трубочку?