У практичної діяльностікожен електрик стикається з роботою адаптерів, блоків живлення, перетворювачів напруги. У всіх цих приладах широко використовують електричні конденсатори, які на сленгу часто називають «електролітами».
Їхня основна перевага полягає у відносно великій величині ємності при порівняно малих габаритах. До того ж, їх виробництво давно налагоджене, а вартість відносно невелика.
Принципи влаштування
Будь-який конденсатор складається з двох обкладок, простір між якими заповнений діелектриком.
Формула, показана на картинці, нагадує, що ємність залежить від площі кожної обкладки S, відстані між пластинами d і діелектричної проникності середовища всередині їх ε. Величина ε0 - це електрична постійна, що визначає напруженість електричного поляусередині вакууму.
Електролітичний конденсатор відрізняється від інших тим, що використовує шар електроліту, що заповнює простір між двома обкладками, найчастіше виконаними фольгованими пластинами. Причому одна з них покрита невеликим діелектричним шаром оксидної плівки.
Стрічки із фольги складають разом, розділяючи дуже тонкою паперовою прокладкою, просоченою електролітом. Її величина близько 1мкм дозволяє значно підвищити ємність конденсатора. У наведеній вище формулі визначення товщина шару діелектрика d стоїть у знаменнику.
Верхній шар фольги покривають розділовим папером, а всю конструкцію згортають у рулон для поміщення в циліндричний корпус.
На кінцях фольги методами холодного зварювання приварюють металеві пластини, що забезпечують контакти для підключення електричної схемияк катод і анод. Причому позитивний висновок утворюється на пластині із оксидним шаром.
Роль катода виконує електроліт, що контактує з усією поверхнею другої обкладки.
Оскільки ємність конденсатора залежить від площі пластин, то в технологію виробництва включено один із способів її збільшення - це рифлення поверхні з боку електроліту методами хімічного травлення. Воно може виконуватися з допомогою хімічної ерозії чи електрохімічної корозії.
Рідкі електроліти здатні надійно затікати у створені мікроскопічні поглиблення аноду.
Оксидний шар на фользі утворюється під час електричного окислення. Цей процес відбувається при проходженні струму через електроліт. На зображенні нижче показана вольт-амперна характеристика, що демонструє зміну струмів усередині пристрою при підвищенні напруги.
Конденсатор нормально працює при номінальній напрузі та температурі. Якщо виникає перенапруга, то відновлюється формування шару оксидів та починає виділятися велика кількість тепла, що веде до газоутворення та підвищення тиску всередині герметичного корпусу.
Тому електролітичні конденсатори здатні вибухати, що часто відбувалося зі старими конструкціями часів СРСР, які виконували єдиний корпус без створення захисту від вибуху. Ця властивість часто спричиняла пошкодження інших, сусідніх елементів апаратури.
У сучасних моделей створюється запобіжна мембрана, яка руйнується на початку газоутворення і цим запобігає вибуху. Її виготовляють як насічок букв «Т», «Y» чи знака «+».
Види електролітичних конденсаторів
За своєю конструкцією «електроліти» відносяться до полярних пристроїв, тобто вони повинні працювати при проходженні струму тільки в один бік. Тому їх використовують у ланцюгах постійної або пульсуючої напруги з урахуванням напрямку проходження електричних зарядів.
Для роботи в ланцюгах синусоїдального струму створено «неполярні електроліти». За рахунок додаткових елементів у конструкції вони при рівній ємності мають підвищені габарити і, відповідно, вартість.
Електроліт між обкладками можуть використовуватися концентровані розчини різних лугів або кислот. За способом їх наповнення конденсатори поділяють на:
оксидно-металеві;
оксидно-напівпровідникові.
рідинні;
Як матеріал анода може бути обрана фольга з алюмінію, танталу, ніобію або спечений порошок. У оксидно-напівпровідникових конденсаторів катодом служить шар напівпровідника, нанесений безпосередньо на оксидний шар.
Особливості експлуатації
Здатність електролітів виділяти гази при нагріванні диктує необхідність при роботі конденсатора для забезпечення надійності створювати запас номінальній напрузідо 0,5÷0,6 його величини. Особливо це актуально для використання у пристроях із підвищеними температурами.
У конденсаторів, призначених для експлуатації у ланцюгах змінної напругиобговорюється робоча частота. Зазвичай це 50 герц. Для роботи з високочастотними сигналами необхідно знижувати робочу напругу. Інакше виникне перегрів діелектрика та поломка, розрив корпусу.
Електроліти з великою ємністю та малими струмами витоків здатні довго зберігати накопичений заряд. З метою безпеки для прискорення їх розряду підключають паралельно висновкам резистор з опором 1 Мом і потужністю 0,5 Вт.
Для використання у високовольтних пристроях застосовують конденсатори, зібрані послідовними ланцюжками. Щоб вирівняти напругу між ними висновки кожного паралельно підключають резистори з номіналом від 0,2 до 1 Мом.
При необхідності використання полярних електролітичних конденсаторів у ланцюгах змінної напруги збирають схему, в якій струм через кожен елемент проходить лише в один бік. Для цього використовують і струмообмежуючий резистор.
Такі схеми раніше збирали для повороту фази струму щодо напруги при запуску потужних трифазних асинхронних електродвигуніввід однофазної мережі. Нині це питання вже втрачає свою колишню актуальність.
Відсутність струмообмежувального резистора в такому ланцюжку призводить до перегріву діелектричного шару та виходу з ладу електролітичного конденсатора.
Рідкий електроліт з висихає через дефекти корпусу. За рахунок цього поступово знижується ємність. Згодом вона сягає критичного значення. Електролітичний конденсатор, що вийшов з робочого стану, найчастіше стає причиною поломки електротехнічного приладу.
Несправності конденсатора через порушення еквівалентного опору ESR
Електролітичні конденсатори мають ще одну технічна особливістьяка впливає на його характеристики при експлуатації. Згодом роботи у конденсатора поступово знижується електрична провідність між обкладками та висновками за рахунок постійно протікаючих внутрішніх електротехнічних процесів. Її величину оцінюють еквівалентним активним опором, який позначають індекс ESR. Російською мовою називають ЕПС: еквівалентний послідовний опір.
Конденсатор, що володіє підвищеним ERS, нічим на вигляд не відрізняється від справного. Просто його активний опірзбільшується більше одного Ома і може сягати 10 Ом.
Способи визначення
Промисловість випускає прилади, дозволяють заміряти цю величину з урахуванням прототипу, винайденого у Росії 60-ті роки. Вони дозволяють виконувати виміри без випаювання конденсаторів зі схеми, працюють за принципом мостових вимірювачів опору змінного струму.
Народні умільці створюють власні спрощені конструкції, що дозволяють оцінювати справність конденсатора за цим параметром на основі визначення активного опору, що перевищує 1 Ом. Як індикатор можна зібрати простий прилад, показаний на схемі.
Для живлення використовується звичайна пальчикова батарейка. Світлодіод своїм світлом вказує на придатність електричного конденсатораза ERS-параметром за рахунок порівняння високочастотних сигналів на тороїдальному трансформаторі, що приходять від конденсатора і сформованого коливального контуру.
Зображення цієї схеми в дещо спрощеному вигляді показано нижче.
Випробуваний конденсатор підключають до обмотки, виконаної одним витком на трансформаторі з феромагнітного сердечника з магнітною проникністю близько 800÷1000. На цій обмотці напруга не перевищує 200 мілівольт, тому можна оцінювати характеристики електроліту без випоювання з плати.
Особливого налаштування такий індикатор не вимагає. Цілком достатньо перевірити свічення світлодіода на контрольному резистори в один Ом і по ньому орієнтуватися в подальших вимірах. Транзистор можна використовувати будь-який, хто володіє колекторним струмом 100 мА та коефіцієнтом посилення більше 50.
Такий пробник неточно працюватиме з конденсаторами, що мають ємність менше 100 мкФ.
Іоністор - суперконденсатор
Різновидом конденсатора з електролітом, який забезпечує протікання електрохімічних процесів, є . Він використовує ефект подвійного електричного шару, що виникає при зіткненні обкладинки матеріалу з електролітом і поєднує функції конденсатора з хімічним джерелом струму.
Його конструкція показана на зображенні.
Тут товщина утвореного подвійного шару дуже невелика. Це дозволяє значно збільшувати ємність ионистора. Також у цих конденсаторів легше збільшити площу поверхні обкладок, що контактується. Їх роблять із пористих матеріалів, наприклад, активованого вугілля, спінені метали.
Місткість іоністора може досягати декількох фарад при напрузі на обкладках до 10 вольт. Її він набирає за короткий час і далі зберігає надійно. Тому ці моделі використовують для резервування різних джерел живлення.
Умови експлуатації сильно впливають тривалість працездатного стану ионистора. Якщо робоча температура вбирається у 40 градусів, а напруга 60% номінального, ресурс може становити понад 40000 годин.
Варто лише збільшити його нагрівання до 70 градусів, а напруга – до 80%, як термін роботи знижується до 500 годин. Іоністори знаходять різне застосування в побуті. Вони працюють у комплектах сонячних батарей, автомобільної радіоапаратури.
Південнокорейський автомобільний виробник Hyundai Motor Company працює над випуском автобусів з електроприводом, що живиться від іоністорів. Їхній заряд планується виконувати під час короткочасних зупинок на маршруті пересування.
За своєю суттю цей вид транспорту повністю замінює тролейбус, який виключає з роботи всю контактну провідну мережу.
Сучасні електролітичні конденсатори, правильніше називати Алюмінієві електролітичні конденсатори, використовуються у величезних кількостях у сучасній електроніці. Вони економічно ефективні і можуть забезпечити велику ємність на одиницю об'єму порівняно з іншими типами конденсаторів. Це дозволяє їх використовувати у ланцюгах, де беруть участь великі струми або низькі частоти. Алюмінієві електролітичні конденсатори, як правило, використовуються в таких областях, як аудіо підсилювачі всіх типів (від Hi-Fi до мобільних телефонів) і в ланцюгах живлення. Як і в ситуації з будь-яким іншим типом конденсаторів, треба зрозуміти їх переваги та обмеження, що дозволить вам використовувати їх найбільш ефективно.
Розвиток електролітичних конденсаторів
Електролітичний конденсатор використовувався багато років. Його історія можна простежити від тих днів, коли були зроблені перші голосові трансляції. У той час бездротові лампові прилади були дуже дорогими, до того ж ці пристрої мали працювати від батарей. Однак з подальшим розвитком вакуумних ламп стало можливим використовувати мережу змінного струму. Це був чудовий час, для живлення ламп від мережі змінного струму, вимагалося випрямлення та фільтрація анодної напруги живлення, для запобігання мережевого шуму, який пролазив з живлення в аудіосигнал. Для того, щоб мати можливість використовувати конденсатор у радіоприймачі він повинен бути не надто великим, і Юлій Ліленфілд, який брав активну участь у розробці бездротових приладів для домашнього використання, зміг зробити електролітичний конденсатор, що дозволяє мати досить високу ємність, при розумному розмірі, який надалі та використовуватися в радіоприладах.
Символи, що позначають електролітичні конденсатори
Електролітичний конденсатор є формою поляризованого конденсатора. Символ електролітичного каналу має полярність, і це важливо для того, щоб забезпечити правильну установку конденсатора і уникнути підключення в зворотній полярності.
Символи для полярних електролітичних конденсаторів.
Існує безліч схематичних символів, які використовуються електролітичних конденсаторів. Перший "1" є тією версією, яка зазвичай використовується в європейських схемах, в той час як "2" використовується в багатьох американських схемах і "3" можна побачити на деяких старих схемах. Деякі схеми не друкують знак "+" поруч із символом пластин, де вже очевидно, яка пластина має якусь полярність.
Технологія виробництва електролітичного конденсатора
Як вказує назву, в електролітичному конденсаторі використовується електроліт (іонна провідна рідина) як одна з його пластин для досягнення більшої ємності на одиницю об'єму, ніж інші види конденсаторів. Збільшити ємність конденсаторів можна декількома способами: • збільшенням діелектричної проникності; збільшенням площі поверхні електрода; та зменшенням відстані між електродами. Електролітичні конденсатори використовують високу діелектричну проникність шару оксиду алюмінію на пластині конденсатора, яка в середньому від 7 до 8. Це більше, ніж інші діелектрики, таких як майлар, який має постійну діелектричну 3, а слюда близько 6 - 8. На додаток до цього, ефективна площа поверхні електрода конденсатора збільшується з коефіцієнтом шорсткості до 120 одиниць для алюмінієвої фольги високої чистоти. Це один із ключів до виробництва конденсаторів із дуже високою ємністю.
Конструкція електролітичних конденсаторів
Пластини електролітичного конденсатора виготовлені з провідного шару алюмінієвої фольги. Ця пластина виготовляється дуже тонкою та гнучкою, такі електроди легко упаковувати у малий об'єм наприкінці виробничого процесу.
Обидва електроди з фольги трохи відрізняються. Їх покривають ізолюючим оксидним шаром, а між ними прокладають ізолюючий паперовий шар змочений в електроліті. Фольга, яка ізольована товстішим оксидним шаром і є анодом по відношенню до рідкого електроліту. Товщина оксидної плівки анода тонка вибирається з міркувань вимог до робочої напруги. Фольга, яка йде як катод, хоч і має природний оксидний шар, але він значно тонший.
Структура електролітичного конденсатора
Для того, щоб упакувати обидві обкладки з фольги з просоченим електролітом папером їх скочують разом, щоб сформувати циліндр, і поміщають у алюмінієву склянку. Таким чином, електролітичний конденсатор є компактним і надійним, при цьому він захищений алюмінієвим стаканчиком. Є дві геометричні форми, які використовуються для підключення висновків. Однією є використання осьових висновків, по одному з кожною плоскою поверхнею циліндра. Інший альтернативою є використання двох висновків, обидва з яких знаходяться на тій самій грані циліндра. Опис осьових та радіальних висновків будуть надані у посиланнях на компоненти.
Для виготовлення електролітичного конденсатора необхідно використати фольгу для анода високої чистоти. Типово товщиною 50 та 100 мкм. Катод теж роблять із чистого алюмінію, але вимоги до нього не такі жорсткі, як для анода. Товщина використовуваної фольги від 20 до 50 мкм. Щоб збільшити площу поверхні анода і катода, і, щоб збільшити ємність, збільшують шорсткість поверхні за допомогою травлення. Є два основні способи, і обидва вони пов'язані з використанням соляної кислоти.
Властивості електролітичних конденсаторів
Електролітичні конденсатори мають ряд параметрів, які не менш важливі за ємність і ємнісний опір. При проектуванні схем з використанням електролітичних конденсаторів необхідно звертати увагу на ці параметри, деякі конструкції можуть бути дуже критичні до них.
Полярність
На відміну від багатьох інших типів конденсаторів, електролітичні полярні конденсатори і повинні бути підключені відповідним чином. Самі конденсатори маркуються, щоби полярність можна було легко розрізнити. На додаток до цього зазначений висновок є загальним.
Це необхідно, щоб гарантувати, що будь-які електролітичні конденсатори підключалися до схеми з дотриманням полярності. Зворотне усунення викликає електрохімічне відновлення оксидного шару діелектрика і він перетворюється на провідник. Якщо це відбувається, то неминуче веде до короткому замиканню, а надмірний струм зазвичай призводить до перегріву конденсатора. В цьому випадку може підтікати електроліт, а в деяких випадках конденсатор може навіть вибухнути. Такі випадки не рідкість, і необхідно вживати запобіжних заходів для забезпечення правильної установкиособливо в ланцюгах, які працюють з високими струмами.
Ємності електролітичних конденсаторів та їх очікуваний термін служби
Насамперед необхідно подбати, щоб не перевищувати номінальну робочу напругу електролітичного конденсатора. При недотриманні цього правила, конденсатор матиме значно менший термін служби, ніж заявлений виробником. Крім того, в ланцюгах живлення можливі значні навантаження струмом. Відповідно, для електролітичних конденсаторів, призначених для роботи в таких схемах, потрібно враховувати максимальний струмконденсатора, який також не можна перевищувати. Якщо цього не врахувати, то електронний компонент може перегрітися і зруйнуватися. Також варто зазначити, що ці радіоелементи мають обмежений термін служби. Причому час роботи всього може бути всього 1000 годин при максимальному значенні напруги, але термін служби може бути значно продовжений, якщо компонент працює при напрузі значно нижче максимально допустимої напруги.
SMD електролітичні конденсатори
Електролітичні конденсатори, які зараз все частіше використовуються в SMD виконанні. Висока ємність у поєднанні з їх низькою вартістю роблять їх особливо популярними у багатьох областях. Спочатку вони були не дуже популярні через те, що вони погано переносили пайку. Сучасна покращена конструкція конденсаторів поряд з новими методами паяння, відмова від хвильового паяння, дозволяє електролітичним конденсаторам знайти широке застосуванняу поверхневому монтажі.
Часто електролітичні SMD конденсатори маркують парою значень: ємність та робочою напругою. Є два основні способи маркування. Перший це позначення значення ємності у мкФ, а другий полягає у використанні спеціального коду. Використання першого методу маркування «33 6В» буде вказувати, що конденсатор має 33 мкФ і робочу напругу 6 вольт. Другий спосіб маркування має вигляд буквеного коду з наступними трьома цифрами. Літера вказує на робочу напругу, яку можна визначити за наведеною нижче таблицею та три цифри, які вказують ємність у пікофарадах. Як і багатьох інших системах маркування перші дві цифри визначають значення, а третя множник. У цьому випадку маркування «G106» буде вказувати на робочу напругу 4 вольта і ємність 10*106 пФ або просто 10 мкФ.
SMD ЕЛЕКТРОЛІТИЧНІ КОНДЕНСАТОРИ
|
|
|---|---|
| ЛІТЕРА | НАПРУГ |
Маркування електролітичних конденсаторів
Існує безліч різних маркувань, які використовуються для маркування електролітичних конденсаторів, серед яких є ємність, робоча напруга та інші параметри. Основні значення, якщо є місце, записуються прямо на поверхні, але такі моменти як точність, а іноді і робоча напруга також можуть бути закодовані. Система кодування чи маркування залежить від типу конденсатора, виробника, ємності, розміру компонента, тощо. Але про це буде в іншій статті. Відновлення алюмінієвих електролітичних конденсаторів після тривалого зберігання Це може бути необхідно для відновлення електролітичних конденсаторів, які не використовувалися протягом шести і більше місяців. Електролітична дія має тенденцію до розчинення оксидного шару на аноді, і перед використанням краще попередньо відновити цей шар. При стоншенні оксидного шару розумно не застосовувати повну напругу, т.к. Спочатку спостерігаються підвищені струми витоку, які можуть призвести до виділення великої кількості тепла, а це може в деяких випадках призвести до його вибуху. Відновити конденсатор можна тимчасово підключивши конденсатор до робочої напруги через резистор близько 1,5 кОм, або трохи менше для більш низьковольтних конденсаторів. (Потрібно переконатися, що резистор має достатню потужність, щоб упоратися зі струмом заряду конденсатора). Відновлення триває протягом години або більше, поки струм витоку не знижується до прийнятної величини, а напруга на конденсаторі досягає прикладеного значення, тобто. Струм через резистор не тече. Цю напругу підтримують приблизно протягом години. Потім конденсатор повільно розряджають через резистор навантаження для того, щоб запасена енергія не пошкодила ланцюг в яку його встановлюватимуть.
Електролітичний конденсатор – це конденсатор, де діелектриком є шар оксиду металу на аноді, а катодом – електроліт. В результаті досягається дуже велика ємність при порівняно високій робочій напрузі. Що й обумовлює високу популярність цього виду виробів.
Історія походження електролітичних конденсаторів
Ефект електрохімічного оксидування деяких металів був відкритий французьким вченим Eugène Adrien Ducretet у 1875 році на прикладі танталу, ніобію, цинку, марганцю, титану, кадмію, сурми, вісмуту, алюмінію та деяких інших матеріалів. Суть зводилася до того, що при включенні як анод (позитивний полюс джерела живлення) на поверхні наростав шар оксиду, що володіє вентильними властивостями. Практично утворюється деяка подібність діода Шоттки, і в деяких роботах оксиду алюмінію приписується провідність n-типу.
Це означає, що місце контакту має випрямляючі властивості. Тепер можна легко уявити подальше, якщо згадати про якості бар'єру Шоттки. Це насамперед низьке падіння напруги при включенні у прямому напрямку. Але що означає низьке? Стосовно конденсаторів це буде значна величина. Що стосується зворотного включення електролітичних конденсаторів, то багато хто чув про небезпеку таких експериментів. Справа в тому, що бар'єр Шоттки має високі струми витоку, за рахунок яких шар оксиду починає негайно деградувати. Але в цьому випадку велика роль відведена ще й тунельному пробою. Протікає хімічна реакціясупроводжується виділенням газів, рахунок чого і відбувається негативний ефект. Теоретики кажуть, що це явище також веде до виділення тепла.
Роком винаходу електролітичного конденсатора називають 1896, коли 14 січня Карол Поллак подав до патентного бюро Франкфурта свою заявку. Отже, на аноді електролітичного конденсатора збільшується шар оксиду під впливом позитивного потенціалу. Цей процес називається формуванням та в умовах сучасного розвиткутехніки триває годинами і навіть цілодобово. З цієї причини в процесі роботи зростання чи деградація оксидного шару непомітні. Електролітичні конденсатори застосовуються в електричних ланцюгахіз частотою до 30 кГц, що означає час зміни напрямку струму до десятків мкс. За цей період нічого не станеться з оксидною плівкою.
Якийсь час у вітчизняній практиці промисловий випуск електролітичних конденсаторів був економічно вигідним. Аж до того, що в наукових журналахрозглядалося, як саме можна налагодити процес виробництва. До таких нотаток належить стаття Міткевича (Журнал Російського фізико-хімічного товариства, фізика №34 за 1902 рік). Електролітичний конденсатор, що розглядається, складався з плоского алюмінієвого анода і двох залізних катодів, розташованих з боків. Конструкція містилася у 6-8% розчин харчової соди. Формування велося постійною напругою (див. нижче за текстом) 100 В до залишкового струму 100 мА.
Перші серйозні напрацювання вітчизняної приналежності по конденсаторам з рідким електролітом відносяться до 1931 і створені лабораторією П. А. Остроумова.
Здатність вентильних металів з оксидною плівкою випрямляти струм неоднакова. Найбільш яскраво ці якості виражені у танталу. Очевидно, силу того, що пентаоксид танталу має провідність p-типу. Внаслідок чого зміна полярності призводить до утворення діода Шоттки, включеного у прямому напрямку. Завдяки специфічному підбору електроліту деградуючий робочий шар діелектрика вдається відновлювати. Прямо у процесі роботи. На цьому історичний екскурсможна завершити.
Виробництво електролітичних конденсаторів
Метали, оксиди яких мають випрямляючі властивості, називали вентильними за аналогією з напівпровідниковими діодами. Не складно здогадатися, що окислення має призводити до утворення матеріалу з провідністю n-типу. Це є основною умовою існування вентильного металу. З усіх перерахованих вище яскраво вираженими позитивними властивостями мають лише два:
- Алюміній.
- тантал.
Перший застосовується набагато частіше, завдяки відносній дешевизні і поширеності в Земній корі. Тантал використовують лише у крайніх випадках. Нарощування оксидної плівки може відбуватися кількома шляхами:
- Однією з методик є підтримка постійного струму. У процесі зростання товщини окислу його опір зростає. Отже, ланцюг послідовно з конденсатором на час формування слід включити реостат. Процес контролюється за падінням напруги на переході Шоттки і при необхідності шунт підлаштовується так, щоб параметри залишалися постійними. Швидкість формування при цьому на початковому етапіпостійна, потім слідує точка перегину зі зниженням параметра, і через певний інтервал подальше зростання оксидної плівки йде настільки повільно, що технологічний цикл можна вважати на цьому завершеним. При першому перегині анод часто починає іскрити. Відповідно, і напруга, за якої це відбувається, називають тим самим чином. На другій точці іскріння різко посилюється, і 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 буде спадати з часом експонентом. Напруга зазвичай вибирають нижче напруги іскріння. Процес йде до деякого залишкового прямого струму, нижче за який рівень вже не опускається. На цьому процес формування закінчується.
Велику роль процесі формування грає правильний підбір електроліту. У промисловості це зводиться до вивчення взаємодії агресивних середовищ з алюмінієм:
Для танталу та ніобію всі електроліти підпадають під класифікацію першої групи. Розмір ємності конденсатора визначається переважно напругою, у якому закінчено формування. Аналогічно використовують багатоатомні спирти, у тому числі гліцерин і етиленгліколь, і багато солі. Не всі процеси йдуть строго за схемою, описаною вище. Так, наприклад, при формуванні алюмінію в розчині сірчаної кислоти за методом постійного струму, на графіку виділяють такі ділянки:
- Кілька секунд спостерігається досить швидке зростання напруги.
- Потім з тією ж швидкістю спостерігається спад рівня близько 70% від досягнутого піку.
- За третю стадію наростає пористий товстий шар оксиду, але напруга росте дуже повільно.
- На четвертій ділянці напруга різко зростає до іскрового пробою. На цьому процес формування закінчується.
Дуже багато залежить від технології. На товщину шару, а отже, робоча напруга та довговічність конденсатора, впливають концентрація електроліту, температура, деякі інші параметри.
Конструкція електролітичного конденсатора
Це конденсатори із сухим електролітом. Їхня ключова перевага в хорошому використанні обсягу. Зайвий електроліт практично відсутній, що знижує вагу та габарити при тій же електричної ємності. Незважаючи на характерну назву електроліт тут не сухий, а скоріше в'язкий. Їм просочуються прокладки з тканини чи паперу, що розташовані між обкладками. З огляду на в'язкість електроліту корпус може бути пластмасовим або навіть паперовим, для герметизації використовується ущільнення зі смоли. Внаслідок цього спрощується технологічний цикл виготовлення продукції. Історично різновиди із сухим електролітом з'явилися пізніше. У вітчизняній практиці перші згадки припадають на 1934 рік.
На торці зарубіжних електролітичних конденсаторів зазвичай нанесені хрестом насічки, якими внутрішній обсяг видавлюється назовні. Це на випадок аварії. Такий зіпсований конденсатор легко помітити неозброєним оком і своєчасно замінити, що значно прискорює процес ремонту. Уникнути аварії та неправильної полярності включення допомагає маркування корпусу. З боку катода на імпортних зазвичай проведена по всій висоті біла смуга із розставленими на ній мінусами, а у вітчизняних із протилежної – хрестики (плюси).
Для збільшення випромінювальної здатності колір корпусу виконується темним. З цього правила є винятки, але вони нечасті. Подібний захід збільшує тепловіддачу у довкілля. При перевищенні напруги на робочому (формувальному) відбувається різке збільшення струму рахунок іонізації, спостерігається сильне іскріння на аноді, частково пробивається шар діелектрика. Наслідки таких явищ легко усуваються в конструкції і з корпусом, що використовується як катод: конденсатори з рідким електролітом займають порівняно багато місця, але добре відводять тепло. Зате чудово проявляються себе при роботі на низьких частотах. Що зумовлює специфіку їх застосування як фільтри блоків живлення (50 Гц).
Ці циліндричні електролітичні конденсатори влаштовані не так, як показано вище, і не мають паперових вкладок. У деяких моделях корпус грає роль катода, тоді як анод знаходиться всередині і може бути довільної форми так, щоб забезпечувалася максимальна номінальна ємність. За рахунок механічної обробки та хімічного травлення, покликаних збільшити площу поверхні електрода, параметри вдається підняти на порядок. Така конструкція типова для моделей із рідким електролітом. Ємність у конструкції, що розглядається, варіюється при випуску промисловістю від 5 до 20 мкФ при робочій напрузі від 200 до 550 В. Через підвищення опору електроліту з пониженням температури конденсатори з рідким електролітом і корпусом в якості катода застосовуються переважно в теплому мікрокліматі.
Конденсатори постійні– ємність не змінюється (тільки після закінчення терміну служби). Слюдяні випускаються із обкладками з фольги.
Керамічні- пластинки, диски або трубки з кераміки з нанесеними на них електродами з металу. Для захисту покриваються емалями, або полягають у спецкорпусі, застосовуються як контурні, розділові, блокувальні та ін.
Скляні– монолітні спечені блоки з шарів скляної плівки, що чергуються, і Al фольги. Корпус виготовляється із такого ж скла.
Склокерамічні– ті ж скляні, але діелектрик – скло із добавками з такого самого скла.
Склоемальові– діелектриком є склоподібна емаль, а обкладками – шари срібла.
Металобмужні– діелектрик (лакований конденсаторний папір), обкладки – тонкі шари металу (менше мікрометра) нанесені на папір з одного боку. Корпус циліндричний Al, кінці герметизовані епоксидною смолою (ВЧ плівкові).
Плівкові та металопленочні– діелектрик (плівка із пластмаси, полістиролу, фторопласту та ін.) та обкладка (металева фольга або тонкий шар металу, нанесеного на плівку).
Електричні та оксидно-напівпровідникові: діелектрик – оксидний шар на металі, що є однією з обкладок (анодом). Друга обкладка (катод) – електроліт чи шар напівпровідника, нанесений безпосередньо на оксидний шар. Аноди виготовляються з Al, танталової або ніобієвої фольги. Ці конденсатори застосовуються лише з метою постійного чи пульсуючого струму, т.к. провідність залежить від полярності прикладеної напруги.
Використовуються в основному у фільтрах випрямних пристроїв, ланцюгах звукових частот, підсилювачах звукових частот.
Герметичний слюдяний конденсатор у металоскляному корпусі типу<<СГМ>> для навісного монтажу.
На вигляд діелектрика розрізняють:
*конденсатори вакуумні (обкладки без діелектрика знаходяться у вакуумі);
*конденсатори з газоподібнимдіелектриком;
*конденсатори з рідкимдіелектриком;
*конденсатори з твердим неорганічним діелектриком: скляні(склоемалеві, склокерамічні, стеколоплівкові) слюдяні, керамічні, тонкошарові, з неорганічних плівок;
*конденсатори з твердим органічним діелектриком: паперові, металообпалювальні, плівкові, комбіновані – паперово-плівкові, тонкошаровані з органічних синтетичних плівок;
*електролітичні та оксидно – напівпровідникові конденсатори.Такі конденсатори відрізняються від усіх інших типів насамперед великою питомою ємністю. Як діелектрик використовується оксиднийшар на металевому аноді.Друга обкладка ( катод) це або електроліт(В електролетичних конденсаторах) або шар напівпровідника(в оксидно-напівпровідникових), нанесений безпосередньо на оксидний шар. Анод виготовляється, залежно від типу конденсаторів, алюмінієвий, танталової фольги або спеченого порошку.
*твердотільні конденсатори– замість традиційного рідкого електроліту використовується спеціальний струмопровідний органічний полімер або полімеризований органічний напівпровідник. Час напрацювання на відмову - 50000 годин при температурі 85 ° С, слабко залежить від температури. Чи не вибухають.
Сучасні конденсатори, руйнуються без вибуху завдяки спеціальній конструкції верхньої кришки, що розривається. Руйнування можливе через порушення режиму експлуатації або старіння.
Конденсатори з розірваною кришкою практично непрацездатні і вимагають заміни, а якщо вона просто здулася, але ще не розірвана, то, швидше за все, незабаром він вийде з ладу або зміняться параметри, що унеможливить його використання.
Багато конденсаторів з оксидним діелектриком ( електролітичні) функціонують тільки при коректній полярності напруги через хімічні особливості взаємодії електроліту з діелектириком. При зворотній полярності напруги електролітичні конденсатори зазвичай виходять з ладу через хімічне руйнування діелектрика з подальшим збільшенням струму, закипанням е електролітувсередині і, як наслідок, із ймовірністю вибухукорпуси.
Вибухи електролітичних конденсаторів – досить поширене явище. Основною причиною вибухів є перегрів конденсатора, що викликається в більшості випадків витіканням або підвищенням послідовного еквівалентного опору внаслідок старіння (актуально для імпульсних пристроїв). У сучасних комп'ютерах перегрів конденсаторів – також дуже часта причина виходу з ладу, що вони стоять поруч із джерелами підвищеного тепловиділення (радіатори охолодження).
Для зменшення пошкоджень інших та травматизму персоналу в сучасних конденсаторах великої ємності встановлюють клапан або виконують насічку на корпусі (часто можна помітити її у формі літери Х, К або Е на торці, іноді на великих конденсаторах вона прикрита пластиком).
При підвищенні внутрішнього тиску відкривається клапан або корпус руйнується по насічці, електроліт, що випарувався, виходить у вигляді їдкого газу і іноді навіть рідини, і тиск спадає без вибуху і осколків.
Старі електролітичні конденсатори випускалися у герметичному корпусі та не мали жодних захистів від вибуху. Вибухова сила частин корпусу може бути досить великою і травмувати людину.
На відміну від електролітичних, вибухонебезпечність оксиднонапівпровідникових (танталові) конденсаторів пов'язана з тим, що такий конденсатор фактично є вибуховою сумішшю: як паливо служить тантал, а як окислювач – двоокис марганцю, і обидва ці компоненти в конструкції конденсатора перемішані у вигляді тонкого порошку . При проби конденсатора або при його випадковому переплюсуванні, що виділилося при протіканні струму тепло ініціює реакцію між даними компонентами, що протікає у вигляді сильного спалаху з бавовною, що супроводжується розкиданням іскор і осколків корпусу. Сила такого вибуху досить велика, особливо у великих конденсаторів, і здатна зашкодити як сусідні радіоелементи, а й плату. При тісному розташуванні кількох конденсаторів можливий пропал корпусів сусідніх конденсаторів, що призводить до одночасного вибуху всієї групи.
Крім того, коденсатори розрізняються по можливості зміни своєї ємності:
*постійні конденсатори– основний клас конденсаторів, що не змінюють своєї ємності (крім як протягом терміну служби);
* змінні конденсатори – коденсатори, які допускають зміну ємності у процесі функціонування апаратури. Управління ємністю може здійснюватися механічно, електричною напругоюта температурою. Застосовуються, наприклад, радіоприймачідля перебудови частоти резонансного контакту;
*підстроювальні конденсатори– конденсатори, ємності яких змінюється під час разового переодичного регулювання та не змінюються в процесі функціонування апаратури. Їх використовують для підстроювання і вирівнювання початкових ємностей контурів, що сполучаються, для періодичного підстроювання і регулювання ланцюгів схем, де потрібна незначна зміна ємності.
Залежно від призначення можна умовно розподіляти конденсатори на конденсатори загального та спеціального призначення. Конденсатори загального призначеннявикористовуються практично у більшості видів та класів апаратур. Зазвичай до них відносять найпоширеніші низьковольтні конденсатори, яких не пред'являються особливі вимоги. Всі інші кондесатори є спеціальними. До них відносяться високовольтні, імпульсні, завадодавні, дозиметричні, пускові та інші конденсатори.
Також розрізняють конденсатори формою обкладок: плоскі, циліндричні, сферичні та інші.
Керамічні конденсатори є природним елементом практично будь-який електронної схеми. Вони застосовуються там, де необхідна здатність працювати з сигналами мінливої полярності, хороші частотні характеристики, малі втрати, незначні струми витоку, невеликі габаритні розмірита низька вартість. Там, де ці вимоги перетинаються, вони практично незамінні. Але проблеми, пов'язані з технологією їхнього виробництва, відводили цьому типу конденсаторів нішу пристроїв малої ємності.
Танталові конденсаториіз покриттям діоксидом марганцю (МnO 2). Танталові конденсатори мають кращі характеристики, ніж алюмінієві, за рахунок більш дорогої технології. У них застосовується сухий електроліт, тому їм не властиво "висихання" алюмінієвих конденсаторів. Також вони мають нижчий активний опір на високих частотах(100 кГц), що важливо при використанні в імпульсних джерелхарчування. Термостабільність: у температурному діапазоні від – 55°С до +125°С ємність змінюється приблизно на + 15% до –15%. Струми витоку у них приблизно такі ж, як у алюмінієвих тих самих номіналів. Недоліком танталовихконденсаторів є відносно велике зменшення ємності зі збільшенням частоти і підвищена чутливість до переплюсовування та перевантажень по напрузі, через яку рекомендується використання з подвійним запасом по робочій напрузі, також як для забезпечення стійкої працездатності при температурах більше 85°С. Існує ймовірність закорочення при дуже великих струмах заряду при включенні, що супроводжується яскраво-білим спалахом та виділенням диму.
Танталові конденсаториз полімерним покриттям, призначені для поверхневого монтажу, поєднують у собі високу ємність танталових конденсаторів з високою питомою провідністю сучасних полімерних матеріалів.
Полімерні алюмінієвіконденсатори мають хороші характеристики на частотах роботи конвертера живлення. Вони мають хороші характеристики викиду напруги та можуть використовуватися при документованій напрузі.
Як удосконалення технології танталу з'явилися ніобієві конденсатори. За порівнянних умов вони мають більший ресурс. Наприклад, при температурі 85°С алюмінієві конденсатори мають ресурс від 8 до 25 тисяч годин роботи, танталові – 100 тисяч годин, а ніобієві – від 200 до 500 тисяч годин (рік безперервної роботи – приблизно 8200 годин). На старих (80486, Pentium I ) платах буває достаток ніобієвих конденсаторів, деякі неполярні. Ніобієві іноді помаранчеві, іноді сині краплі, але з висновками.