2.4.4 Электролитические конденсаторы

Электролитические конденсаторы отличаются высокой удельной емкостью, обусловленной использованием в качестве диэлектрика тонкой оксидной пленки, образованной из вентильного металла электродов. Оксидная пленка имеет исключительно высокую электрическую прочность. Напряжение 100 В, приложенное к пленке толщиной 0,01 мкм, создает напряженность электрического поля, равную 10⁷ В/см, что в соответствии с ионной теорией кристаллов приближается к пределу теоретической прочности.

В обычных электролитических конденсаторах в качестве диэлектрика используется тонкий слой окиси алюминия (AlgOs), получаемый на поверхности обкладки конденсатора, выполненной из алюминиевой фольги специальным электрохимическим методом. Второй обкладкой конденсатора служит электролит. В танталовых конденсаторах вторым электродом служат некоторые типы полу- проводников.

В настоящее время наибольшее распространение получили сухие алюминиевые электролитические конденсаторы. Жидкостные алюминиевые конденсаторы в настоящее время не используются. Неоксидированная фольга дает контакт с электролитом по всей поверхности прокладки, чем и обеспечивает снижение сопротивления второй обкладки, сводя величину пути тока по этой обкладке к толщине прокладки. При замене неоксидированной фольги оксидированной получают конденсатор неполярного типа, предназначающийся для работы в цепи переменного тока.

Анод алюминиевого электролитического конденсатора изготовляется из гладкой фольги или фольги с искусственно увеличенной поверхностью, для чего фольгу обрабатывают электролитическим способом в растворах, растворяющих алюминий. Конденсаторы с травленой фольгой имеют при тех же габаритах в 3—4 раза большую емкость, чем конденсаторы с гладкой фольгой. Увеличение емкости за счет глубокого травления фольги ухудшает параметры конденсаторов (в особенности его морозостойкость).

Конденсаторы с травленой фольгой рассчитываются на использование главным образом до температуры не ниже —40°С, в то время как конденсаторы некоторых типов с гладкой фольгой предназначаются для работы до -60° С.

В электролитических алюминиевых конденсаторах для изготовления анодной фольги применяется алюминий высокой степени чистоты, так как наличие примесей может быть причиной быстрой коррозии анода и разрушения конденсатора.

Рис 2.7 Общий вид некоторых типов электролитических конденсаторов: 1 – ЭМ (30 мкФ, 10В); 2 – ЭМ (10 мкФ, 15В); 3 – ЭМ (2 мкФ, 15В); 4 – К-50-16(15 мкФ, 16В)

На рис.2.7 показан общий вид некоторых типов алюминиевых электролитических конденсаторов. Емкость, диэлектрические потери и ток утечки алюминиевых конденсаторов в значительной мере определяются режимом использования и температурой окружающей среды.

Алюминиевые электролитические конденсаторы изготавливают с диапазоном емкостей от 2 до 2000 мкФ для напряжений от 6 до 500 В. При длительном хранении наблюдается явление расформовки, т. е. возрастает ток утечки. При использовании алюминиевых электролитических конденсаторов 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 значении 0,3—0,4 В. Электролитические конденсаторы при длительных перенапряжения выходят из строя. Алюминиевые аксидно – электролитический конденсаторы выпускаются в цилиндрических металлических корпусах.

Танталовые электролитические конденсаторы имеют улучшенные электрические характеристики по сравнению с алюминиевыми, что

Рис. 2.8 Конструкция жидкостного электролитического танталового конденсатора с объемно-пористым анодом типа ЭТО:

1 — анод; 2 — танталовая крышка; 3 — анодный вывод; 4 — электролит, 5 — серебряный корпус; 6 — упругая прокладка; 7 — изоляционная прокладка; 8—стальной корпус; 9 —катодный вывод; 10 — заливка эпоксидной смолой

объясняется более высокой химической стабильностью окиси тантала. В танталовых конденсаторах в качестве рабочих электролитов используют растворы серной кислоты и хлористого лития, обладающие малым удельным сопротивлением. При этом резко снижается величина сопротивления электролита, включенного последовательно с емкостью оксидного слоя на танталовом аноде, что уменьшает значение tg6c и улучшает морозостойкость и частотные характеристики конденсатора. Высокая стабильность оксидной пленки обеспечивает увеличение срока службы конденсатора (за счет меньшей расформовки) и меньшее изменение их электрических характеристик при длительном хранении по сравнению с алюминиевыми конденсаторами. Важнейшим достоинством танталовых конденсаторов является их повышенная постоянная времени, что позволяет резко увеличивать верхний предел рабочей температуры. Танталовый конденсатор благодаря повышенным значениям диэлектрической проницаемости окиси тантала ( 25) при прочих равных условиях дает увеличение удельной емкости анода в 2,5 раза по сравнению с алюминиевым конденсатором.

В танталовых конденсаторах жидкостного типа используется объемно-пористый анод, получаемый при спекании порошка тантала. Удельная емкость таких конденсаторов в 5—10 раз больше удельной емкости алюминиевых конденсаторов.

Рис. 2.9 Танталовые оксидно-полупроводниковые герметизированные конденсаторы с проволочным (а) и с объемно-пористым (б) анодом: 1 — анод; 2 — корпус; 3 — вывод анода; 4 — стеклянный проходной изолятор; 5 — вывод катода; 6 — припой.

Наряду с отмеченными преимуществами танталовые конденсаторы обладают существенным недостатком — большой стоимостью и дефицитностью тантала, что ограничивает их производство и применение. Схема конструкции жидкостного танталового электролитического конденсатора типа ЭТО показана на рис. 2.8.

В танталовых оксидно-полупроводниковых конденсаторах (твердые) используется вместо жидкостного электролита твердый электронный проводник (двуокись марганца Мп02). Для конденсаторов данного типа с величиной емкости от 0,033 до 1 мкФ в качестве анода используется проволока тантала, а для емкости от 1 до 300 мкФ — объемно-пористый тантал (рис. 2.31).

Основной особенностью твердых танталовых конденсаторов является возможность их использования при низких температурах вплоть до —80° С. Верхний предел понижен и не превышает +85° С.

Обычные пределы рабочего напряжения таких конденсаторов составляют 6—35 В, т. е. верхний предел номинального напряжения также снижен по сравнению с жидкостными танталовыми конденсаторами.

Еще одной разновидностью электролитических конденсаторов являются ниобиевые конденсаторы., в которых в качестве вентильного металла используют ниобий, наиболее 'близкий по характеристикам к танталу, но менее дорогой и не столь дефицитный.

Для объемно-пористых анодов используют чистый ниобий. Если у Ta₂О₅ =27, то у Nb₂Os e=45, но относительная толщина оксидного слоя у ниобия выше, чем у тантала, а поэтому выигрыш в емкости меньше, чем можно было ожидать.

Отечественные ниобиевые оксидно-полупроводниковые конденсаторы (тип К53-4) изготовляются с емкостью от 0,47 до 100 мкФ при ( =6—20 В в диапазоне температур –60 – +85°С.