Конденсаторы часть 1 - Конденсаторы - Фундаменты электроники - Каталог статей - неофициальный сайт журнала Elektronika dla wszystkich

Закончили рассмотрение резисторов, сегодня поговорим о конденсаторах. Вы помните старые, черно-белые телевизоры, такие как Белведере, Корал, Тоска или Висла? Вы заметили, как развивались вместе с ними конденсаторы?

Младшим читателям нужно объяснить, что в те древние времена доминировали конденсаторы из свернутых полос алюминиевой фольги и бумаги, пропитанной клейкой массой чем-то похожей внешне на крахмал. Поэтому их обычно называли «картофеляторами». Эти были "шедевры" электротехнической промышленности. У этих конденсаторов была странная особенность – разваливаться. Наипростейшей формой «ремонта» была перемотка, так что бы металлическая фольга не вызывала короткого замыкания. Все это было еще более интригующе, потому что было известно мнение что если в старом черно-белом «русском» телевизоре перемотать конденсаторы, он начинал лучше принимать. Со временем, однако, прекратили производство таких "картофеляторов" и, к сожалению, с тех пор никто не знает, что сделать, чтобы улучшить прием старого советского телевизора.

Достаточно анекдотов. Я рассказал вам смешную особенность советских электролитов, теперь вы наконец узнаете что-то полезное.

Если вы помните мудрые размышления о превосходстве вакуумных конденсаторов над воздушными, масляных над сухими, слюдяными над бумажными, попробуйте все это быстро и эффектно … забыть.

Я то же ходил в школу, проходил материаловедение и учил мудрые классификации компонентов, потом выяснялось, что почти все это устарело и бесполезно на практике.

Сегодня бумажные конденсаторы, слюдяные, стеклянные, масляные в типичном оборудовании не встретятся. Но вы должны усвоить три основные группы конденсаторов:

Я признаюсь вам, что хотя за указанные элементы у меня были очень хорошие оценки, в течение длительного времени я не понимал, как действительно работают и устроены электролитические конденсаторы. Только благодаря чтению оригинальных каталогов фирм производителей картина прояснилась. Так что я смею полагать, что вы тоже можете иметь подобные проблемы, поэтому позвольте мне рассказать вам немного о конструкции конденсаторов. Это не сухая теория, вы быстро узнаете о практической полезности такого знания. Это не будет слишком сухая лекция, потому что вы начинаете с разборки несколько мокрых "электролитов". Я сердечно призываю вас, действительно проводить такие эксперименты, а не просто останавливаться на чтении этой статьи. Один из таких уроков вероятно, даст вам практические больше, чем полгода теории в учебном заведении.

Я собрал для себя в сжатой форме основную информацию о доступных конденсаторах и их характеристиках, но из-за малого объема статьи я дам ее в следующем выпуске. А сейчас я расскажу вам о популярных «электролитах».

Алюминиевые электролитические конденсаторы

Давно ни чего не разрушал, вы можете для доброго начала разобрать несколько типичных «электролитов», но при условии что, вы не порежетесь при вскрытии, и не испачкаете руки и окружающих электролитом. В принципе электролит не должен быть агрессивным или токсичным, но для новых конденсаторов может быть «изобретен» новый электролит с неожиданными характеристиками. В любом случае, для того что бы разобрать используйте резиновые перчатки.

Если вы отделите влажную бумагу, то увидите два алюминиевых электрода. Они одинаковые? В небольших конденсаторах возможно одинаковые. Тем не менее, в старых отечественных электролитах с большими размерами положительная фольга анода более матовая и серая, чем отрицательная. Как вы заметили положительная фольга всегда матовая. Под микроскопом оказывается, что очень грубая, выглядит как каменистая пустыня. Таким образом, площадь, занимаемая положительные покрытием - анод значительно больше, чем в размеры фольги. Столь значительное увеличение площади получают путем химического травления поверхности.

Известно, по определению каждый конденсатор состоит из двух проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика (изолятора). Кажется, обкладки у нас есть. А что служит диэлектриком в нашем конденсаторе? Что? Бумага? Нет! Прежде всего она смочена токопроводящим электролитом. Тогда что?

Вы знаете, что алюминий в присутствии кислорода сразу же покрывается слоем не проводящей оксидной пленки (Al2O3). Самое главное, это оксид отличный диэлектрик и имеет высокую, диэлектрическую постоянную. Представьте себе, что слой оксида алюминия толщиной 1 микрометр (1/1000 мм) может выдержать без пробоя напряжением 700В!

Вы узнали важную информацию: в электролитическом конденсаторе диэлектрик это слой оксида алюминия толщиной менее 1 мкм, а также площадь активной поверхности пленки увеличена в процессе химического травления анода.

Какое назначение имеет электролит? На самом деле электролит и есть отрицательный электрод, и вторая полоска алюминиевой фольги, называемая катодом, на самом деле всего лишь подводит напряжение до настоящего жидкого катода. Кроме того, "любопытный" электролит, вкрадывается в каждую полость, при этом полностью используется площадь анода. Пористая бумага действует как резервуар для жидкого электролита и предотвращает непосредственный контакт двух металлических электродов, которые могут привести к повреждению оксидного слоя и короткому замыканию. Упрощенное сечение одного слоя электролитического конденсатора можете видеть на рисунке 1.

Теперь вы знаете, в чем секрет высокой емкости при малых размерах электролитических конденсаторов. Причины:

Тем не менее, остается серьезной проблемой: Поэтому для обычных электролитических конденсаторов должна соблюдаться полярность на постоянном токе? Этому «виновник» - электролит. Прежде чем конкретно ответить на этот вопрос, я должен напомнить некоторые основы.

Как вы, наверное, помните, в электролитах электрический носителями заряда являются ионы. В электролите нашего конденсатора, отрицательные ионы - кислород, положительные ионы - водород. Я до сих пор вам не сказал, как создают слой окиси алюминия. Естественный слой оксида чрезвычайно тонкий, порядка 1 .. 2 нм и делают этот слой толще, как правило, электрохимическим методом, конденсатор подключают к источнику постоянного напряжения. Положительной провод источника на анода, отрицательный на катод. Так как поток тока в электролите это движение ионов, а отрицательные ионы содержат кислород, на поверхности анода образуется оксид алюминия, с другой стороны образуется в качестве побочного продукта водород. В результате изолирующий слой оксида постепенно становится все более и более толстым уменьшается величина тока, и через некоторое время стабилизируется на текущем низком значении и процесс образования оксида прекращается. Пожалуйста, обратите внимание, что толщина оксидного слоя сформированного таким образом от приложенного напряжения - так называемого напряжение формования, всегда выше на 20 .. 100% предполагаемое номинальное напряжение конденсатора. Почему напряжение формования должно быть больше, чем рабочее напряжение? Потому как во время работы конденсатора практически не должен течь постоянный ток (так называемый ток утечки). В каталогах, вы найдете обозначения производителей LL (ранее тип 1) и GP (ранее тип 2). LL расшифровывается как Long Life (долголетие), GP - General Purpose (общего назначения). Конденсаторы LL образуется более высоким напряжением, чем конденсаторы GP с тем же номинальным напряжением. Более высокое напряжение формирования дает более толстый слой окисла, следовательно, снижается ток утечки, и меньше шансов на пробой. Более толстый слой диэлектрика однако, дают меньшую емкость, Так LL конденсаторы могут иметь большие размеры, чем конденсаторы того же наименования в обычном исполнении.

Из поданной информацией вы можете сделать некоторые важные выводы.

Во-первых, я думаю, вы понимаете, что повреждение конденсатора не вызывается пробоем диэлектрика, а только повторным началом процесса формирования, неотъемлемо связанным с выделением газов, которые приводят к взрыву конденсатора.

Может быть это заблуждение было связано с электролитом который … высох. Опять же уместно напомнить продукты бывшего СССР, но на этот вопрос опустим завесу молчания. Если корпус конденсатора не герметичен, повышенное давление, вызванное газом во время его работы может привести к потере электролита и электролитический конденсатор постепенно станет хорошим воздушным конденсатором, емкостью несколько десятков ... пикофарад. Так что пусть не приходят на ум, идея слить электролит просверлив крошечное отверстие в корпусе.

Теперь вы понимаете, почему электролитические конденсаторы с жидким электролитом хранящиеся в течение длительных периодов времени без напряжения имеют значительный ток утечки. Во время хранения оксидный слой не много повреждается, но после подачи напряжение он сам восстанавливается отрицательных ионами притянутыми к аноду.

Таким образом, в системах, где требуется высокая безотказность и надежность, электролитические конденсаторы должны находиться под напряжением, тогда получается непрерывный процесс регенерации и ток утечки удерживается в допустимых пределах.

Мы постепенно подошли, к ответу на вопрос, почему эти конденсаторы должны работать на постоянном токе. Как вы уже знаете, отрицательные ионы достигая анода приводят к образованию оксида алюминия. Однако, если изменить полярность приложенного напряжения, наши алюминиевые анод становится катодом. Теперь он притягивает к себе положительные ионы, теперь они достигают его без препятствия, и после контакта с ним получают недостающий электрон, получается газообразный водород. Протекающий ток может иметь большое значение, поскольку слой окиси алюминия не является существенным барьером для любопытных положительных ионов, а выделившийся газ дополнительно разрушается слой оксида. Конденсатор взрывается от выделившегося газа. Отметим, что в электролитических конденсаторах происходит явление полупроводимости тока, как и в диоде. Поэтому на эквивалентной схеме электролитического конденсатора изображены диоды.

Внимательный читатель, отметить что, при смене полярность роль анода будет выполнять другой электрод. Действительно, похоже на это. Это что-то изменит? Нет, потому что второй электрод служить лишь проводником тока до жидкого катода и его поверхность покрыта лишь тонким слоем естественного оксида (отсюда ясно, почему фольга катода глянцевая в некоторых конденсаторах). Действительно «обратный» ток, начинает растить на нем слой оксида, но не успевает до взрыва конденсатора!

А если в процессе производства были окислены оба алюминиевых электрода?

Гениальная идея! Сначала один электрод был анодом, потом второй! Это может удивить вас – такие конденсаторы производится - это биполярные электролитические конденсаторы, также известные как полярные. Они могут работать без ограничений с переменным напряжением, без постоянной составляющей. Такие конденсаторы с маркировкой BPT, BPU и BPE производились (а возможно и производятся) фирмой Элви.

Почему же, наши популярные "электролиты" не сделаны таким образом? Существуют по крайней мере две причины: неполярные конденсаторы имеют гораздо больше ток утечки, а также размеры обычных почти в два раза меньше, чем у соответствующих биполярных конденсаторов. Это связано с последовательным соединением обкладок. Смотри рисунок 2. Правда рабочее напряжение при этом увеличивается в двое. Однако из-за значительной толщины оксидного слоя на отрицательной обкладке (и тем самым большая мощность), общая мощность определяется рабочим напряжением анода.

А теперь пора на практике проверить прочитанное. Но я прошу вас, не проверять конденсаторы взрываются - взрываются на ура, с дымом и .. назовем это запахом. Я это знаю, потому что пару раз отмывал платы от электролита. И я также знаю, некоторые ребята рассказывали, как им повезло, корпус конденсатора разорвался, но электролит не попал в глаза, пролет мимо уха.

Пожалуйста, однако, проверяйте ток утечки долго неиспользованных конденсаторов разных номиналов перед первым включением и после нескольких минут пребывания под напряжением. Кроме того, проверить ток утечки сформированных алюминиевые конденсаторы номиналов, скажем, 10, 100 и 1000μF при различных напряжениях поляризации. Но не превышайте их номинального напряжения.

Вы будете иметь представление о том каким может быть ток утечки, почему вы должны быть осторожны при использовании алюминиевых "электролитов" в системах, содержащих резисторы с номинальными значениями порядка Мом и почему схемы, требующих высокую надежность, всегда должны быть под напряжением. Проверьте теперь те же параметры «танталовых». Заметили разницу?

Эксперименты можно проводить по схеме на рисунке 3, с использованием цифрового вольтметра. Подсчитываю ток путем деления напряжения на сопротивление резистора.

Вы получили здесь много важного материала об "электролитах". Прежде чем переходить к чему-либо другому спросите себя, вы все понимаете. Если нет, то читайте материал снова и попытаться разобраться в существующей и новой информации.

В этих конденсаторах анод изготовлен не из алюминия, а из спеченного порошка тантала. В результате спекания получается пористая структура, напоминающая губку - таким образом, получают в очень маленьком объеме большую площадь. Так же, по аналогии с алюминиевыми конденсаторами, электрохимическим методом делают на поверхности изолирующей пленку из пятиокиси тантала (Ta2O5), который, как Al2O3 имеет очень хорошие диэлектрические свойства. И наконец, поры анода заполняется электролитом. Популярный электролит диоксид марганца MnO2. Менее популярными являются конденсаторы с жидким электролитом, а точнее с гелем. Раньше были, а может быть выпускаются до сих пор гольевые конденсаторы типа ECA предназначены для профессионального оборудования. Несмотря на хорошие параметры, лучшее из электролитических конденсаторов, танталовые конденсаторы с жидким электролитом не пользуются популярностью.

Наиболее распространенным является "сухой тантал". Схематическое поперечное сечение показано на рисунке Отметим, что структура является трехмерным, и все элементы анода (тантала) выглядящие как островки, на самом деле они электрически соединены друг с другом.

В связи с диоксидом марганца, который является одним из видов полупроводников, танталовые конденсаторы имеют полярные свойства. Поэтому следует соблюдать полярность, однако, в некоторых каталогах, можно найти информацию, что максимальное допустимое напряжение противоположной полярности меньше на 5 .. 15% от номинального напряжения.

Пятиокись тантала очень устойчива к повреждениям, поэтому ток утечки танталового конденсатора меньше, чем алюминиевого, ток утечки практически не меняется даже после нескольких лет хранения без напряжения.

Поэтому долго не использующиеся "танталы", не нуждаются в повторном формовании, кроме того, это не имеет смысла, потому что без электролита, содержащего ионы, процесс формования не происходит.

Реже встречаются твердотельные алюминиевые конденсаторы, в фирменных каталогах они обозначаются как solid aluminium capacitors. Они отличаются от обычных влажным материалом катода. Положительный электрод - анод - это та же протравленная фольга и диэлектрика - оксида алюминия (Al2O3). Но на этот раз катода это диоксид марганца (MnO2). Показано на рисунке.

Поскольку нет жидкого электролита, нет тока с ионами в качестве носителей. Теоретически, они могли бы работать при любой полярности напряжения. Однако, из-за наличия даже следов влаги и связанного с этим риском ионной проводимости разрушительной при обратной поляризация диэлектрика рекомендуется соответствующая полярность.