|
Электролитические конденсаторы характеризуются, прежде всего, строго определенной полярностью их включения. При обратной
полярности их включения в схеме они образуют короткозамкнутую цепь, что приводит к повреждению задающей схемы, причем все
это сопровождается выделением тепла, появлением дыма и ядовитых испарений в самом конденсаторе. Алюминиевые электролитические
конденсаторы могут при этом даже взорваться и обильно оросить близлежащие компоненты схемы жидким электролитом и алюминиевой
фольгой, что может привести к дополнительным повреждениям аппаратуры.
Некоторые разработчики испытывают стойкое предубеждение против использования электролитических конденсаторов, однако,
со всеми присущими им недостатками электролитические конденсаторы являются очень полезными компонентами, и на процесс проектирования
схемы будет накладываться очень сильные ограничения, если полностью отказаться от их использования. Большая же часть неприятностей,
приписываемым электролитическим конденсатором, происходит из-за их неправильного применения в схемах.
Электролитические конденсаторы характеризуются очень высокой удельной емкостью относительно своего объема, достигающей
практически предельного значения за счет исключения почти всех недостатков, присущих обычному плоскому конденсатору. Зазор
между обкладками конденсатора сведен к минимуму, поверхность пластин достигает максимального значения, а значение относительной
диэлектрической проницаемости оксида алюминия εr ≈ 8,5 превышает аналогичный показатель диэлектрических
пленок, для которых εr ≈ 3. Принцип действия всех электролитических конденсаторов очень похож,
поэтому рассмотрение ограничится только конденсаторами на основе алюминия.
Алюминиевая фольга, образующая одну из обкладок электролитического конденсатора, подвергается анодному окислению для
образования изолирующей поверхностной пленки (толщина оксидного слоя выбирается из расчета ≈ 1,5 нм на один вольт
прикладываемого напряжения). Этот тонкий изолирующий слой образует диэлектрик
конденсатора. Так как процесс анодного окисления является электрохимическим процессом, а образующаяся пленка окисла является
диэлектрической, то существует предельное значение толщины пленки, по достижении которой процесс дальнейшего образования
окисла на границе раздела алюминий-окисел прекращается. Это означает, что для электролитических конденсаторов существует
предельное значение рабочего напряжения, которое определяется толщиной пленки. Традиционно, электролитические конденсаторы
изготавливаются на максимальные значения постоянного напряжения, равные 450 В. Однако некоторые виды современных конденсаторов
могут иметь рабочие напряжения вплоть до 600 В. Более старые модели конденсаторов, для которых указываются рабочие напряжения,
превышающие 450 В, должны вызывать очень серьезные подозрения.
Хотя в результате анодного окисления алюминиевой фольги получены сразу и обкладка конденсатора и ее диэлектрик, все же
необходима вторая обкладка конденсатора. Можно было бы использовать второй кусок алюминиевой фольги, плотно прижатый к
первой обкладке, но любой существующий зазор между обкладками сведет на нет все преимущества очень малой толщины диэлектрического
слоя. Поэтому в качестве второй обкладки используется пропитанная бумага, либо просто гель, который в силу того, что он
желеобразный, обеспечивает прекрасный контакт с окисленной поверхностью первой обкладки. Этот же электрод определил название
конденсаторов данного тира. Электролит все же не является идеальным проводником электрического тока, поэтому для получения
низкоомного контакта используется кусок второй алюминиевой фольги, расположенный сверху электролита.
Таким образом, в наличии имеются две алюминиевые фольговые полоски, между которыми находится электролит. Для конструктивного
оформления конденсатора остается только свернуть их в цилиндр. Если перед процессом анодного окисления алюминиевой фольги
химическими способами протравить ее поверхность, то поверхность приобретет микроскопические неровности, которые еще больше
увеличат эффективную поверхность фольги. Так как электролитическая обкладка конденсатора образует идеальный контакт с поверхностью
окисленной обкладки, то в результате получается значительное увеличение площади контакта между обкладками и соответствующее
значительное увеличение емкости электролитического конденсатора.
К сожалению, электролитический конденсатор не лишен недостатков. Сопротивление электролита, как проводника, представляет
значительную величину, поэтому протравливание первой обкладки на значительную глубину будет увеличивать сопротивление на
участке между объемом электролита и крайними точками, которые сформированы в глубине относительно поверхности обкладки.
Поэтому следует ожидать, что конденсаторы, имеющие более высокие значения удельной емкости относительно объема конденсатора,
будут иметь и более высокие значения эквивалентного последовательного сопротивления, ESR. Не только эти извилистые пути
прохождения тока к искривлениям и щелям увеличивают общее сопротивление, но также они снижают способность конденсатора противостоять
нагреву, но и локальному испарению электролита. Следовательно, очень компактные электролитические конденсаторы имеют не
только высокие значения эквивалентного последовательного сопротивления, ESR, но также и низкие значения пульсирующей составляющей
постоянного тока.
Например, компания Sanyo в серии своих конденсаторов «OS-CON» использует органический полупроводниковый электролит, использование
которого значительно снижает величину эквивалентного последовательного сопротивления, ESR. Снижение объемного удельного сопротивления
электролита позволяет увеличить глубину протравливания ямок на поверхности, что приводит к увеличению удельной объемной емкости
и, следовательно, снижению индуктивности. Эти конденсаторы обладают улучшенными ВЧ характеристиками и могли бы оказаться
идеальными в качестве катодных блокировочных конденсаторов, если только препятствием не послужит их очень высокая стоимость.
Исторически сложилось, что электролитические конденсаторы имеют очень высокие допуски на величину своей емкости: от +100%
до —50%. Хотя современные конструкции электролитических конденсаторов имеют допуски на точность изготовления ±10%, их не
рекомендуется использовать в тех цепях схемы, где значение емкости совершенно безболезненно не может быть увеличено вдвое,
либо уменьшено наполовину без каких бы то ни было операций, требующих подстройки схемы.
Если допустить, что электрический контакт к фольге обкладки осуществляется в одной точке, например в начале ленты, то
емкость самого отдаленного участка этой ленты окажется последовательно включенной с собственной индуктивностью фольги. Нанесение
расплавленного цинка при изготовлении обычного конденсатора на боковые кромки фольги, свернутой спиралью, соединяет все точки
обкладки эквипотенциальной поверхностью и сводит к минимуму индуктивность ленты. В случае электролитических конденсаторов
такой технологический прием использовать невозможно, так как нанесенный цинк невозможно изолировать от проводящего электролита,
поэтому выводы от обкладки выполняются в виде фольговых отводов, расположенных в различных точках спирали. Увеличение количества
отводов снижает индуктивность конденсатора, но значительно усложняет конструкцию, увеличение количества витков спирали приводит
к увеличению необходимого для снижения индуктивности количества выводов. Конденсаторы хорошего качества имеют более высокие
значения соотношения геометрических размеров (отношения высоты корпуса конденсатора к его диаметру), требуемые для получения
необходимого значения емкости.
Хотя производители стараются снизить значение последовательной индуктивности, следовательно, и значение индуктивного
сопротивления (как известно, XL = 2πfL), для конденсаторов большой емкости величина емкостного сопротивления
Хс мала, поэтому относительное значение индуктивного сопротивления конденсатора в общем реактивном сопротивлении
представляется значительным. Данная проблема в технических паспортах производителей обычно отражается указанием частоты
собственного резонанса для каждого типа конденсаторов. В самых общих чертах конденсаторы, имеющие более высокие значения
емкости, имеют более низкие значения резонансной частоты, которая может составлять для них десятки килогерц.
Электролитические конденсаторы характеризуются высокими потерями. Сразу же после изготовления конденсаторов проводится
их формовка, то есть на них подается поляризующее напряжение, которое вызывает протекание тока, формирующего на алюминиевой
обкладке защитного оксидного слоя. После того, как сформировался диэлектрический слой, ток конденсатора значительно снижается.
Однако с течением времени происходят постоянные локальные разрушения диэлектрического микрослоя в различных точках, поэтому постоянно
происходит дополнительная формовка конденсатора. Например, если к конденсатору все время приложено постоянное напряжение,
то через него будет постоянно протекать ток минимального значения, необходимый для постоянного самозалечивания оксидного
слоя.
Если оборудование отключается на какое-то время, то при его обратном включении сначала будет протекать ток утечки, превышающий
обычное значение, до тех пор, пока не завершится процесс повторной формовки оксидного слоя. Чем длительнее нерабочий период,
когда на конденсаторе отсутствует напряжение, тем длительнее и тем выше в начальный момент будет значение тока утечки; поэтому
существует реальная угроза, что этот ток может вызвать сильный разогрев электролита в конденсаторе. При нагреве электролит
начинает интенсивно испаряться, а повышение давления газа может разорвать корпус конденсатора или нарушить его герметичность.
По этой причине рекомендуется использовать регулируемый автотрансформатор, например, Variac, для того, чтобы постепенно
увеличивать напряжение питания оборудования, в состав которого входят электролитические конденсаторы, после длительного
периода, когда оборудование не использовалось.
Современные конденсаторы снабжаются специальными уплотняющими прокладками, которые предотвращают чрезмерное повышение
внутреннего давления и пропускают пары через специальные отверстия в резиновых уплотнениях на основании конденсатора (для
конденсаторов большой емкости), либо же прочность алюминиевого корпуса может быть вполне осознанно ослаблена с использованием
серии выемок, которые обеспечивают управляемый разрыв для выхода разогретых паров (конденсаторы малой емкости). Каждый
из этих способов означает безвозвратную утрату конденсатора, но он предотвращает повреждение других компонентов схемы. При
этом такой способ имеет еще то преимущество, что позволяет чисто визуально судить о работоспособности компонента.
При постепенном нагреве пары электролита удаляются через герметизирующие прокладки конденсатора, так как в природе не
существует идеальных уплотнителей. Поэтому по мере снижения уровня электролита площадь контакта с вытравленными углублениями
и неровностями уменьшается, в результате чего возрастает последовательное эквивалентное сопротивление, а емкость конденсатора
снижается.
Испарение электролита делает такие конденсаторы очень чувствительными к температурному режиму, в частности, срок службы
электролитического конденсатора удваивается при снижении температуры эксплуатации на каждые 10 °С.
Приложенное напряжение также влияет на срок службы конденсатора. При отсутствии напряжения процесс формовки диэлектрического
слоя не происходит, поэтому от постепенно разрушается, приводя к повышенным значениям токов утечки. Это явление послужило
причиной широко известного случая с неисправностью аналоговых микшерных пультов, в которых использовались симметричные положительное
и отрицательное напряжения питания, задаваемые с использованием операционных усилителей, в которых в качестве конденсаторов
связи применялись электролитические конденсаторы, на которых в результате либо отсутствовало, либо было незначительным
напряжение формовки (или поляризации).
При условии, что необходимое по величине напряжение формовки присутствует, эксплуатация электролитического конденсатора
при напряжениях, меньших их номинального значения, значительно увеличивает срок службы конденсаторов:
Из приведенного выражения следует, что работа электролитического конденсатора при напряжении, составляющем 87% от номинального
значения, удваивает его срок службы. Однако, приведенной формулой следует пользоваться достаточно осторожно, так как можно
предсказать значительное увеличение срока службы за счет существенного снижения рабочего напряжения. Существует хорошее инженерное
правило, гласящее, что, если оказывается возможным, электролитический конденсатор должен эксплуатироваться при напряжении,
составляющем две трети от его номинального рабочего значения, что дает теоретическое увеличение срока службы в восемь раз.
Этот результат является, скорее всего, предельным значение для применимости данной формулы.
Большое количество классических ламповых усилителей содержат электролитические конденсаторы, в которых в одном корпусе
конструктивно объединены несколько компонентов. Внешний конденсатор маркируется, как правило, красной точкой и в усилителе,
в котором используется сглаживающая RC цепь, такой конденсатор должен быть подключен к точке, имеющей самый высокий положительный
потенциал. Причиной этого является то, что в точке с наиболее высоким потенциалом будут самые высокие значения напряжения
пульсации, а так как внутри проводника поле отсутствует, эти напряжения не будут иметь связи с соответствующим каскадом.
Подключение конденсаторов в схеме в обратной последовательности вызовет увеличение фоновых шумов.
Существует класс алюминиевых электролитических конденсаторов, которые можно использовать в цепях переменного тока, они
известны как биполярные конденсаторы. Такие конденсаторы могут быть обнаружены в схемах кроссоверов громкоговорителей, так
как они были, как правило, гораздо дешевле пленочных конденсаторов со сравнимым значением емкости. Конструктивно они представляют
два встречно включенных электролитических конденсатора (рис. 5.8).
Рис. 5.8 Биполярный электролитический конденсатор
К такому конденсатору не будет постоянно приложено поляризующее напряжение и каждый конденсатор должен будет иметь удвоенное
значение требуемой по схеме емкости. Недостатки такого конденсатора, следовательно, возрастают в четыре раза
по сравнению с обычными униполярными электролитическими конденсаторами, поэтому их характеристики оказываются весьма
посредственными.
Танталовые электролитические конденсаторы
Более высокое значение относительной диэлектрической проницаемости изолирующей пленки значительно уменьшает габаритные
размеры танталового электролитического конденсатора по сравнению с алюминиевым электролитическим конденсатором (εr
≈ 8,5). Конденсаторы, в которых используется танталовая фольга, обладают двумя дополнительными преимуществами, непосредственно
вытекающими из более высокой химической стойкости слоя оксида тантала. Первое связано с тем, что можно уменьшить значение
эквивалентного последовательного сопротивления, так как можно использовать электролиты с меньшим значением объемного удельного
сопротивления, в которых происходила бы коррозия алюминиевой фольги. Второе, из-за более высокой стойкости оксидной пленки
уменьшаются токи утечки. Однако, тантал является более дорогим материалом, тогда как алюминиевые электролитические конденсаторы
постоянно совершенствуются.
Миниатюрные дисковые танталовые конденсаторы применяются только при невысоких рабочих напряжениях, однако, уменьшенное,
по сравнению с алюминиевыми конденсаторами, значение индуктивности позволило широко применять их в стабилизаторах напряжения
полосовых фильтров или логических схем. К сожалению, этот тип конденсаторов характеризуется невысокими значениями емкости
(как правило, не более 100 мкФ), их емкость недостаточна для использования в качестве катодных шунтирующих конденсаторов.
При выходе из строя танталовых дисковых конденсаторов (они совершенно не переносят включение с обратной полярностью), они
образую короткозамкнутую цепь, что может привести к очень впечатляющим повреждениям в схеме. При всем этом они очень дороги,
что делает проблематичным их широкое применение.
|
