Дослідження електролітичних конденсаторів

Мета роботи: вивчити властивості електролітичних конденсаторів при роботі в широкому діапазоні частот.

Обладнання: генератор ГЗ-109, два мілівольтметра В3-38, амперметр Є525.

Теоретичні відомості

Конденсатор – це пасивний елемент радіоелектронної апаратури, який складається з двох або більше струмопровідних пластин (обкладок), розділених діелектричним шаром.

Принцип дії конденсатора заснований на здатності накопичувати на обкладках електричний заряд при прикладенні до них різниці потенціалів.

Залежно від матеріалу діелектрика розрізняють конденсатори з газоподібним діелектриком (вакуумні, повітряні), з твердим органічним діелектриком (паперові, плівкові), з твердим не органічним діелектриком (слюдяні, керамічні, склокерамічні). В окрему групу виділяють електролітичні конденсатори. Які мають тонкі, а іноді пористі оксидні діелектрики і часто рідку електролітичну обкладку, що забезпечує контакт по всій поверхні пор.

Схематичну конструкцію електричних конденсаторів зображено на рисунку 3.1. Одна з обкладок конденсатора (анодна) виготовляється з фольги з гладкою чи шершавою поверхнею (рисунок 3.1 а), б)) або у вигляді об'ємно-пористого тіла (рисунок 3.1 в)).

а) б) в)

Рис. 3.1 Схематична конструкція електролітичних конденсаторів

Виходячи з опису конструкції електролітичного конденсатора, його еквівалентну схему можна представити у вигляді зображеному на рисунку 3.2, де – ємність між анодною обкладкою та електролітом, яку в подальшому стисло будемо називати ємністю оксидного шару; – опор, який відображає наявність втрат в оксидному шарі; – опір електроліту; – індуктивність конденсатора, яка дорівнює сумі індуктивностей електродів.

Рис. 3.2. Еквівалентна схема електролітичного конденсатора

Розглянута еквівалентна схема не відображає всіх властивостей електролітичних конденсаторів, які спостерігаються у досліді. Аналіз дослідних даних показує, що ємність С та тангенс кута діелектричних втрат різко залежать від температури та частоти, причому, для деяких типів електролітичних конденсаторів, залежність від частоти є максимальною. Спостережувані в досліді залежності можна пояснити, якщо в області низьких температур сухий електролітичний конденсатор розглядати як конденсатор з двошаровим діелектриком. Роль першого шару виконує оксидна плівка, другого – просочений матеріал (папір, тканина) з кристалізуючим електролітом. Ємність двошарового конденсатора без втрат визначається за формулою

, (3.1)

де – ємність оксидного шару; – ємність електроліту.

Еквівалентна схема двошарового конденсатора зображена у вигляді послідовного з’єднання та (рис. 3.3.а). Опори та відображають втрати відповідно в та .

Еквівалентна схема на рисунку 3.3 а) може бути приведена до вигляду, зображеного на рисунку 3.3 б). Формули для розрахунку параметрів двошарового конденсатора наступні:

, (3.2)

, (3.3)

, . (3.4)

Рис. 3.3. Еквівалентна схема двошарового конденсатора

Залежність ємності електролітичного конденсатора від частоти пояснюється наявністю ємності .

В області низьких частот при нормальній температурі вплив незначний, оскільки опір цієї ємності значно більший опору електроліту. В області підвищених частот опір ємності та електроліту порівняні, але ця ємність надає суттєвий вплив на повну ємність конденсатора. При тангенс кута діелектричних втрат конденсатора досягає максимуму

. (3.5)

При цьому ємність конденсатора

. (3.6)

В рідких танталових конденсаторах з об’ємно-пористим анодом суттєвий вплив на частотну характеристику ємності та має розподілений характер структури. Ємність анода утворюється з ємностей окремих складових його зерен, розділений прошарками електроліту.

Поведінка електролітичного конденсатора в області високих частот характеризується залежністю його повного опору від частоти (рис. 3.4). На частотах, нижчих за резонансну, величина характеризується ємністю та падає зі збільшенням частоти, а при частотах, вищих за резонансну, характеризується індуктивністю та зростає зі збільшенням частоти. На резонансній частоті величина , в основному, характеризується опором електроліту.

Рис. 3.4. Залежність повного опору електролітичного конденсатора від частоти