Электролитические конденсаторы: устройство, преимущества и применение

Что такое конденсатор?

Конденсатор — пассивный электронный компонент, накапливающий электрический заряд в виде электрического поля. Пассивные элементы (резисторы, трансформаторы, катушки индуктивности, диоды, конденсаторы) не способны управлять током с помощью другого электрического сигнала.

Конденсаторы делятся на полярные и неполярные. Электролитические — полярные (имеют полярность). В статье рассматриваются алюминиевые электролитические конденсаторы.

Две металлические пластины (анод и катод) накапливают заряд при правильной полярности напряжения. В плоскостном конденсаторе при подаче напряжения возникает электрическое поле. Чем сильнее поле, тем ниже емкость (емкость обратно пропорциональна полю). Емкость — способность хранить заряд при 1 В разности потенциалов. Для увеличения емкости между пластинами вводят диэлектрик — электрически изолирующий материал. Диэлектрик ослабляет поле, снижает напряжение и повышает емкость. Емкость зависит от трех параметров: площади пластин, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости диэлектрика.

Электролитические конденсаторы

Применяются в блоках питания, материнских платах ТВ и компьютеров, аудиоусилителях, для развязки и связки цепей. Обеспечивают высокую емкость за счет тонкого диэлектрика.

Как образуются электролитические конденсаторы?

Составляют два металлических фольги (анод и катод). Диэлектрик — оксидный слой, образуемый на аноде электрохимическим окислением (анодное окисление делает металл стойким к коррозии). Электролит (ионизированная жидкость) выполняет роль катода. Толщина оксидного слоя определяется максимальным рабочим напряжением для предотвращения пробоя.

Три типа по материалу анода:

1. Алюминиевые электролитические конденсаторы.
2. Танталовые электролитические конденсаторы.
3. Ниобиевые электролитические конденсаторы.

Далее рассматриваются алюминиевые.

Алюминиевые электролитические конденсаторы

Занимают лидирующие позиции благодаря высокой емкости, надежности и производительности.

Принципы конструкции

Две алюминиевые фольги (анод и катод), разделенные диэлектриком. На стороне катода — электролитический раствор и スペーサー-бумага (пробка).

Анодная фольга

Алюминий высокой чистоты (99,99%), толщина 20–100 мкм.

Травление (шероховатование)

Для увеличения эффективной площади поверхности (емкость пропорциональна площади). Два метода:

1. Физическое травление: фольга в растворе соляной кислоты.
2. Электрохимическое травление (электролиз): фольга в водном растворе HCl под действием электрического тока (постоянного или переменного).

После травления ионы хлора могут медленно разрушать алюминий, поэтому фольгу промывают водой. На рисунке — площадь поверхности для низковольтных и высоковольтных фольг после травления.

Формирование (анодное окисление)

На травленной фольге выращивают оксидный слой (Al₂O₃) — диэлектрик. Фольга помещается в электролит (фосфат аммония или борную кислоту) и подается постоянное напряжение. Толщина слоя пропорциональна напряжению (~1,4 нм на вольт).

Катодная фольга

Алюминий низкой чистоты (~98%). Также травлен, но не оксидирован. Естественный оксидный слой (1–2 В пробойное напряжение) обеспечивает контакт с электролитом.

Электролит

Проводящая ионизированная жидкость между анодом и катодом — по сути, катод конденсатора. Требования: электрическая проводимость, химическая стабильность при контакте с фольгами, низкая летучесть при высоких температурах.

Спейсер-бумага

Предотвращает короткое замыкание между анодом и катодом. Высокочистый абсорбирующий материал. Толщина зависит от номинального напряжения: для 100 В — 35–75 мкм. При превышении номинального напряжения бумага пробивается, происходит КЗ и взрыв конденсатора.

Фабрикация

Мастер-ролик фольги проходит травление и формирование. Затем режут на полосы заданной ширины, припаивают выводы, навивают с пробкой в рулон. Рулон пропитывают электролитом в вакууме. Электролит содержит полигидровые спирты (этиленгликоль — растворитель) и аммиачные соли — для восстановления оксидного слоя и повышения ресурса.

Затем элемент помещают в алюминиевый корпус, герметизируют резиновой пробкой, надевают ПВХ-обойку с маркировкой. После нарезки и пайки оксидный слой может быть поврежден — проводится старение (aging): подача постоянного напряжения при высокой температуре для восстановления диэлектрика и стабилизации тока утечки. Финальный тест на соответствие параметрам.

---

Следующая статья: Как проверить конденсатор 6 способами | Электротехника