Электролитические конденсаторы

Электролитические конденсаторы отличаются высокой удельной емкостью, обусловленной использованием в качестве диэлектрика тонкой оксидной пленки, образованной из вентильного металла электродов (алюминий, тантал, ниобий). Оксидная пленка имеет исключительно высокую электрическую прочность и обладает вентильными свойствами. Толщина слоя лежит в пределах 0,01…1,0 мкм. При напряжении 100 В приложенном к пленке толщиной 0,01 мкм создается напряженность электрического поля, равная 10⁷ В/см, что в соответствии с ионной теорией кристаллов приближается к пределу теоретической прочности.

На поверхности одного электрода, называемого анодом, формируют тонкий оксидный слой, являющийся диэлектриком; этот электрод является одной обкладкой конденсатора. Второй обкладкой является электролит, а электрод, называемый катодом, служит выводом от электролита. В качестве катода обычно используют металлический корпус конденсатора.

Конденсатор в зависимости от материала и состояния электролита может быть жидкостным, сухим (в виде вязкого пастообразного электролита) или оксидно-полупроводниковым (оксидный слой анода покрывается слоем твердого полупроводника).

Жидкостные конденсаторы имеют лучшие условия охлаждения, могут работать при больших нагрузках и обладают свойством восстановления при пробое.

Сухие конденсаторы имеют несколько меньшие потери и ток утечки, а также более простую конструкцию. В настоящее время такие конденсаторы получили наибольшее распространение.

Основным достоинством электролитических конденсаторов является большая емкость при относительно небольших размерах и низкой стоимости.

Недостатки - пониженная надежность, низкая точность и стабильность емкости, большие потери, низкое сопротивление изоляции, чувствительность к перенапряжениям и температуре (при повышении температуры емкость растет).

Особенности конденсаторов с оксидным диэлектриком:

- оксидные конденсаторы полярны, т.е. при их подключении необходимо соблюдать полярность (при неправильном подключении конденсатор разрушается);

- ограниченное предельное напряжение (для алюминиевых – 600 В, для танталовых – 175 В);

- значительная величина токов утечки (для алюминиевых – единицы миллиампер, для танталовых – единицы микроампер).

Для получения неполярных электролитических конденсаторов оксидный слой наносят на оба электрода или применяют встречное последовательное соединение двух одинаковых секций. В обоих случаях результирующая емкость уменьшается вдвое. Униполярные конденсаторы имеют большие размеры и допускаю кратковременную работу в цепях переменного тока.

Для изготовления анодов алюминиевых конденсаторов применяется алюминий высокой степени чистоты, т. к. наличие примесей может быть причиной быстрой коррозии анода и разрушения конденсатора.

Анод алюминиевого электролитического конденсатора изготавливается из гладкой фольги или из фольги с искусственно увеличенной поверхностью. Второй вариант достигается путем обработки фольги электролитическим способом в растворах, растворяющих алюминий. Конденсатор с травленной фольгой позволяет увеличить удельную емкость в 3-4 раза по сравнению с конденсаторами с гладкой фольгой. При этом несколько ухудшаются параметры в особенности морозостойкость (достигает, в то время как для конденсаторов с гладкой фольгой морозостойкость находится на уровне –60⁰С).

Алюминиевые электролитические конденсаторы изготавливают с диапазоном емкостей от 2 до нескольких тысяч мкФ для напряжений от 6 В до 500 В.

Особенности эксплуатации алюминиевых электролитических конденсаторов:

- при длительном хранении наблюдается явление расформовки, т. е. возрастает ток утечки;

- при использовании в схемах с низким напряжением необходимо учитывать, что за счет электрохимических процессов, происходящих в этих конденсаторах, на их выводах существует небольшая э.д.с., достигающая 0,3-0,4 В.

Танталовые электролитические конденсаторы имеют улучшенные характеристики по сравнению с алюминиевыми.

Это объясняется более высокой химической стабильностью окиси тантала и малым удельным сопротивлением рабочих электролитов, которыми являются растворы серной кислоты и хлористого лития.

Достоинства танталовых конденсаторов по сравнению с алюминиевыми являются следующие:

- увеличенный срок службы;

- меньшее изменение электрических характеристик при длительном хранении;

- увеличенный верхний предел температуры;

- повышенное значение диэлектрической проницаемости, что дает увеличение удельной емкости в 2,5 раза по сравнению с алюминиевыми, а для танталовых конденсаторов жидкостного типа с объемно-пористым анодом увеличение удельной емкости достигает от 5 до 10 раз и выше.

Недостатком танталовых конденсаторов можно считать их высокую стоимость.

В танталовых оксидно-полупроводниковых конденсаторах вместо жидкостного электролита используется твердый электронный проводник (двуокись марганца MnO₂).

Основной особенностью оксидно-полупроводниковых конденсаторов является возможность их использования при низких температурах вплоть до -80⁰С.

Верхний предел понижен и не превышает +85⁰С.

Обычные пределы напряжения составляют 6…35 В, что ниже по сравнению с жидкостными танталовыми конденсаторами.

В ниобиевых конденсаторах (тип К 53-4) в качестве вентильного материала используется ниобий, наиболее близкий по характеристикам к лантану, но менее дорогой и не столь дефицитный.

Толщина оксидного слоя ниобиевых конденсаторов больше, чем у танталовых и поэтом у выигрыш по удельной емкости меньше.

Особенности применения оксидных конденсаторов в цепях питания микропроцессоров.

Для повышения надежности работы компьютера сильно нагревающиеся узлы (процессоры, транзисторы блока питания) снабжают теплоотводами, устанавливают вентиляторы.

Микропроцессоры являются сложными нагрузками для источников питания и генерируют в цепях питания токи широкого спектрального состава и большой мощности. Максимальные токи генерируются при 100%-ной загрузке микропроцессора.

 

Напряжение питания через дроссель L1 и фильтр из трех оксидных конденсаторов C1 - C3 емкостью 1500 мкФ подается на выводы питания процессора. Конструктивная емкость C_К имеет малую собственную индуктивность и поэтому хорошо шунтирует высокочастотные (более 100МГц) составляющие мощности генерируемых шумов. В качестве C1 - C3 применены высококачественные оксидные конденсаторы с предельной рабочей температурой +105⁰С, способные рассеивать мощность 0,5…5Вт.

При высоких температурах наружного воздуха и высокой загрузке процессора происходит рост потерь (увеличение tg δ из-за повышенной температуры и увеличенных токов, генерируемых процессором). В процессе длительной работы нагрев корпусов конденсаторов достигает +60…80⁰С. При длительной работе в таком режиме возможен выход из строя конденсатора, что, в свою очередь, приводит к ухудшению качества фильтрации и увеличению температуры конденсаторов, а значит к возможности сбоев в работе компьютера.

Предотвращение проникновения в оксидные конденсаторы высокочастотных составляющих (вплоть до десятков мегагерц) возможно путем установки в непосредственной близости от выводов процессора бескорпусного керамического конденсатора емкостью 0,033 мкФ, а для преграды низкочастотным составляющим (до сотен килогерц) включить керамический конденсатор емкостью 3,3…4,7 мкФ. Из-за малого tg δ таких конденсаторов шунтирование не приводит к их нагреву. Такое подключение позволяет повысить надежность работы компьютера в любых и, в том числе, предельных режимах.