Что такое электролитические конденсаторы

Электролитические конденсаторы-1

Электролитические конденсаторы на водной основе имеют плохой имидж со времен знаменитой «конденсаторной чумы». И это неправильно, потому что теперь они соответствуют ключевым требованиям современной электроники — и есть новые альтернативы в виде гибридных полимерных конденсаторов.

Электролитические конденсаторы на водной основе: от чумы до незаменимого компонента

В начале этого века электролитические конденсаторы на водной основе часто производились с неправильной смесью ингибиторов или пассиваторов. В результате, появились электролитические конденсаторы с открытым вентиляционным отверстием, вот через это отверстие, в случае плохого электролитного компаунда выталкиваемая резиновая пробка или электролит.

Электролитические конденсаторы-2
Электролитические конденсаторы — «конденсаторная чума»

Сама алюминиевая банка при этом, полностью разрушалась взрывом. Весь это вредоносный процесс получил название «конденсаторная чума». Такие проблемы сейчас редко можно встретить. Понимание преимуществ этих конденсаторов и их польза для современной электроники требует фундаментальных знаний о компонентах.

Как работает электролитический конденсатор?

По сравнению с другими конденсаторными технологиями алюминиевый электролитические конденсаторы предлагают главное преимущество: привлекательный вариант с соотношением цены и качества, гарантирующий высокую емкость в минимальном пространстве. Кроме того, он малочувствителен к скачкам напряжения, что подчеркивается в технических характеристиках.

Недостатками являются более высокий импеданс, склонность к высыханию со временем, сильное увеличение импеданса при низких температурах и его зависимость от рабочей температуры. Это определяется предусмотренными параметрами компонентов, которые, в свою очередь, определяются используемым электролитом.

Электролитические конденсаторы с жидким электролитом по существу состоит из двух полос алюминиевой фольги, разделенных разделительной бумагой. Эффективная площадь контакта анодной фольги увеличена электрохимическим травлением. При подаче напряжения (формирование) на поверхности образуется тонкий слой оксида алюминия, который действует как диэлектрик. Жидкий или твердый электролит образует катод, который контактирует с внешней стороной через вторую алюминиевую фольгу.

Обе алюминиевые фольги сшиваются вместе в нужной точке, затем наматываются вместе с разделительной бумагой и пропитываются жидким электролитом. Наконец, резиновая заглушка закрывает емкость конденсатора с пропитанной обмоткой. При проектировании конденсатора последующее ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) определяется сшивкой, используемым электролитом и разделительной бумагой.

Электролитические конденсаторы — сравнение электролитов

Электролитические конденсаторы-3
Алюминиевый электролитический конденсатор

Сегодня в электролитических конденсаторах используются различные жидкие электролиты. Электролиты, содержащие этиленгликоль (EG) или борную кислоту, используются в основном в электролитических конденсаторах среднего и высокого напряжения при температурах до 85°C. В этом случае содержание воды в электролите составляет около 5-20% и ингибиторы (химические ингибиторы) используются для предотвращения негативного воздействия воды на слой оксида алюминия.

Органические электролиты, такие как диметилформамид (DMF), γ-бутиролактон (GBL) и диметилацетамид (DMA), допускают широкий температурный диапазон от -55 до 150°C. Они имеют стабильные параметры, такие как низкие токи утечки и хорошие долговременные свойства, что обеспечивает длительные периоды эксплуатации. Содержание воды в них крайне низкое.

Читайте также:  Транзисторы высокочастотные: справочник приборов ВЧ и СВЧ

Содержание воды в водных электролитах может достигать 70%. Такая высокая концентрация дает определенные преимущества: вода с диэлектрической проницаемостью (диэлектрической проводимостью) ε = 81 обладает прекрасным свойством связывать чрезвычайно большое количество ионов соли.

Это приводит к очень высокой проводимости, что отражается в чрезвычайно низком ESR. И наоборот, можно получить значительно более высокие токи пульсаций, чем при использовании обычных, почти безводных электролитов. Кроме того, материальные затраты на заливку электролита значительно ниже из-за высокого содержания воды.

Тем не менее, у них также есть серьезный недостаток, так как вода реагирует путем гидратации при прямом контакте с алюминием. Однако прочный слой оксида алюминия защищает алюминий. Для предотвращения гидратации или коррозии даже в случае повреждения слоя, например, из-за производственной ошибки или длительного хранения в электролит добавляются ингибиторы или пассиваторы. Если этого не сделать, при контакте воды и алюминия может образоваться значительное количество тепла и газа (водорода). Конденсаторы будут значительно повреждены, а в крайних случаях могут даже взорваться.

Даже сегодня в спецификациях компонентов по-прежнему указывается, что электролитические конденсаторы на водной основе никогда не должны использоваться. Однако эта спецификация конкретно не определена, например, по максимально допустимой влажности.

Кроме того, больше не наблюдается отрицательного эффекта от внесение добавок, что делает конденсаторы идеальными для приложений с длительным сроком службы или высокими коэффициентами нагрузки. Электролиты с более высоким содержанием воды часто встречаются в современных типах с низким ESR, высокой устойчивостью к пульсирующим токам и сроком службы не менее 10 000 часов при 105°C.

Особый гибридный тип с полимером

Конструкция гибридного полимерного алюминиевого конденсатора
Конструкция гибридного полимерного алюминиевого конденсатора

Если основной целью является не просто емкость, а очень низкое ESR, жидкий электролит можно частично или полностью заменить проводящим полимером. Эти гибридные типы полностью сертифицированы AECQ200. В них сочетается жидкий безводный электролит с высокой проводимостью твердого полимера. Для этого жидкий электролит также частично основан на полимере.

Слой оксида алюминия и противоположная катодная фольга покрыты проводящим полимером, который впоследствии присутствует в конденсаторе в качестве твердотельной среды. Высокая проводимость полимера значительно улучшает контактное сопротивление оксида алюминия с жидким электролитом и катодной фольгой.

Результат: очень низкое ESR и возможность высоких токов пульсаций. Улучшенный ESR снижает самонагревание во время работы, в то время как твердый полимер снижает долю жидких компонентов, которые могут высохнуть. Вот почему гибридные электролитические конденсаторы имеют значительно более длительный срок службы, чем стандартные варианты на водной основе с низким ESR. Как и для стандартного типа, формула Аррениуса (температура -10°C = удвоенный срок службы) используется в качестве приблизительного ориентира для оценки срока службы при различных температурах.

Особенно важным при проектировании гибридных конденсаторов в схеме является их поведение в отношении срока службы, частоты и температурной кривой, которое полностью отличается от предыдущего из-за новых электролитов. В то время как ESR увеличивается с электролитическим конденсатором в отрицательном диапазоне температур и в течение срока его службы, он ведет себя абсолютно стабильно с гибридными типами.

Читайте также:  Полевые транзисторы схемы включения

Кроме того, у гибридных конденсаторов не наблюдается сильной зависимости емкости от частоты, поскольку здесь почти нет изменения до 100 кГц. С другой стороны, электролитический конденсатор выходит из строя как минимум на 40% при 20 кГц.

В номинальном выражении при проектировании схемы с гибридными конденсаторами можно значительно уменьшить общую емкость, но при этом повысить ее эффективность. Также возможна миниатюризация, поскольку гибридная технология обеспечивает более высокие токи пульсации в меньшей структурной форме.

Твердый полимер с еще лучшими свойствами

Полимерные (твердотельные) конденсаторы
Полимерные (твердотельные) конденсаторы

Твердополимерные электролитические конденсаторы можно использовать, если вы хотите полностью обойтись без жидкой части. В этом случае жидкий компонент заменяется твердым проводящим полимером. Это приводит к еще лучшему ESR и току пульсаций, устраняя при этом возможность высыхания. Срок службы можно грубо определить как -20°C = 10-кратный срок службы.

К недостаткам можно отнести цену, значительно больший ток утечки и чувствительность к влаге. Поскольку твердый полимер притягивает влагу, компоненты поставляются в сухих упаковках и подлежат строгим требованиям обработки, как только они открываются. Эти типы доступны только с сертификацией AECQ200 в исключительных случаях.

Кроме того, эта технология всегда требует выбора между напряжением и емкостью с точки зрения фактической формы конструкции. Хорошая смесь, которая возможна с электролитическими конденсаторами или с конденсаторами гибридного типа, не может быть использована в той же степени здесь из-за твердых электролитов.

Кроме того, остаточный ток более выражен в твердых типах, чем в гибридных, так как свободный кислород отсутствует для самовосстановления производственных дефектов в диэлектрике. Жидкий электролит гибридного типа содержит кислород, который обеспечивает самовосстановление и поддерживает остаточный ток на уровне стандартных электролитических конденсаторов.

Еще нужно знать, что, твердый электролит не проникает полностью во все поры протравленной алюминиевой фольги.

Это отрицательно сказывается на емкости и одновременно увеличивает ток утечки. По стабильности частоты, температуры и срока службы твердополимерные электролитические конденсаторы не уступают гибридным конденсаторам.

Заключение

С ростом требований, предъявляемых к ESR, структурной форме, долговременной стабильности и цене компонентов, электролитические конденсаторы на водной основе стали незаменимыми. Если технология не соответствует вашим потребностям, полимерные конденсаторы предложат вам альтернативу. Гибридные варианты, в частности, представляют собой отличный компромисс между производительностью и ценой и постоянно совершенствуются производителями. С точки зрения миниатюризации и эффективности они предлагают новые возможности для проектирования схемы.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:

Не нашли, что искали?

Фирменные усилители мощности