3.2.2. Алюминиевые электролитические конденсаторы

Алюминиевые электролитические конденсаторы АЭК занимают особое положение между различными типами конденсаторов, в частности потому, что их принцип работы основан на электрохимических процессах.

Достоинствами АЭК, которые привели к их широкому применению, являются большая удельная емкость по объему (емкость на единицу объема) и способность такого конденсатора обеспечивать прохождение большого переменного тока при высокой надежности и отличном отношении цена/качество.

Как и в других конденсаторах, АЭК содержит слои электропроводного матери­ала, которые разделены слоями диэлектрика. Один электрод (анод) сформирован алюминиевой фольгой, имеющей большую площадь поверхности. Оксидный слой (Аl₂0₃), который выполнен на этой фольге, используется как диэлектрик. В отли­чие от других конденсаторов, противоположный электрод (катод) конденсатора пред­ставляет собой жидкость — электролит. Вторая алюминиевая фольга, так называе­мая катодная фольга, служит контактом с большой поверхностью для прохождения тока к рабочему электролиту.

Фольга, подвергнутая травлению, позво­ляет получить весьма малые размеры конденсаторов. Электрические характеристи­ки конденсаторов с плоской (не травлённой) фольгой лучше, однако их размеры значительно больше.

Диэлектрический слой АЭК создается анодным оксидированием для создания алюминиевого оксидного слоя (Аl₂O₃) фольги. Поскольку электролитические конденсаторы в качестве катода имеют жидкость, они имеют преимущество в том, что мелкие углубления в оксидированном слое заполняются.

АЭК будет пра­вильно работать, если положительный полюс соединяется с оксидированным сло­ем алюминиевой фольги (анодом), а отрицательный — с катодной фольгой. Если же прикладывается обратная полярность, происходит электролитический процесс, который в результате создает диэлектрический слой на катодной фольге. В этом случае происходит большой внутренний нагрев, газовыделение и конденсатор мо­жет выйти из строя. Электролитический конденсатор, следовательно, подходит только для работы под постоянным напряжением определенной полярности. Напряжение на кон­денсаторе может также иметь переменную составляющую, наложенную на посто­янную.

Ток утечки. В электролитическом конденсаторе при приложении к нему постоянного на­пряжения проходит незначительный ток вследствие не идеальности алюминие­вого оксидного слоя, являющегося диэлектриком. Этот ток называется током утечки, и его значение зависит от конструкции и технологии изготовления кон­денсатора. Изменение тока утечки при приложении к конденсатору постоянно­го напряжения происходит длительное время (десятки минут). Сразу после под­ключения конденсатора (в течение нескольких минут) этот ток имеет повышен­ное значение, которое затем уменьшается до установившегося. Первоначальное значение тока утечки еще более увеличивается, если к конденсатору длительное время напряжение не было приложено.

3.2.3. Танталовые конденсаторы

Технология поверхностного монтажа (ТПМ), используемая при создании многих электронных устройств, требует, чтобы компоненты, устанавливаемые на печатную плату, имели минимальный объем и малую высоту. Вслед­ствие отсутствия электролита ТК не имеют видимых причин старения, что непос­редственно влияет на их надежность.

Многие технологические характеристики и параметры ТК, такие как снижение допустимого напряжения в диапазоне верхних температур, пульсация тока (пере­менная составляющая), комплексное сопротивление, последовательное сопротив­ление, ток утечки, аналогичны характеристикам и параметрам АЭК и должны учи­тываться разработчиком аппаратуры. Конструкция ТК показана на рис. 3.10.

Танталовый проводник Диэлектрик Уголь Полимер

Сварка Двуокись марганца

Танталовый порошок

Рис. 3.10. Упрощенная конструкция ТК для поверхностного монтажа

Основу конденсатора составляет танталовый порошок, получаемый из чистого металла. Размер зерен зависит от допустимого напряжения, порошок с крупными зернами (до 10 мкм) используется для конденсаторов с высоким напряжением. Порошок смешивается со связующим составом, гарантирующим, что отдельные частицы будут хорошо связаны между собой при прессовании, а сам порошок наи­лучшим образом будет подходить для этой операции. Порошок прессуется при вы­соком давлении вокруг проволоки из титана, и в результате формируется заготовка, которая подвергается дальнейшим операциям. Связующий состав затем удаляется нагревом заготовок до 150 °С в течение нескольких минут в вакууме. Дальнейшее спекание заготовки, происходящее при температуре 1500...2000 °С в вакууме, и по­зволяет соединить отдельные частицы порошка, сформировав при этом трубчатую структуру, имеющую большую

поверхность. Таким образом, формируется анод кон­денсатора. Следующая важная технологическая операция — образование диэлектрическо­го слоя пятиокиси тантала. По сути, это электрохимический процесс анодирова­ния порошка тантала. Заготовки погружаются в слабый раствор кислоты при повы­шенной температуре, например 85 °С, напряжение и ток контролируются при обра­зовании диэлектрика. Пятиокись титана образуется на поверхности металла, но «прорастает» и внутрь него. В процессе формирования слоя диэлектрика образуется также тонкий полупро­водящий оксид титана между пятиокисью и металлом. Присутствие полупроводни­кового слоя является единственной причиной того, что ТК являются полярными. Следующей стадией в производстве ТК является формирование поверхности катода. Это достигается процессом перехода от нитрата марганца (Mn(NO₃)2) к дву­окиси марганца (МnO₂).

Затем следует погружение заготовок в дисперсный состав графита, постановка их в печь, чтобы была обеспечена хорошая адгезия. После этого такой же процесс повторяется с дисперсным раствором серебра, для того чтобы можно было подсоединить катод к выводу конденсатора