Важнейшие электронные компоненты техники, стоящие в одном ряду с микросхемами и резисторами, — это, конечно же, конденсаторы.
Конденсатор — это электронное устройство, которое накапливает электрический заряд. Он состоит из двух проводящих пластин, разделенных изолирующим материалом, называемым диэлектриком. В зависимости от области применения для изготовления диэлектрика используются различные типы изоляционных материалов.
Все современные конденсаторы делятся на две большие группы: полярные и неполярные. Полярность или неполярность того или иного емкостного компонента зависит главным образом от вещества, примененного в качестве диэлектрика между его обкладками.
Стоит отметить, что конденсаторы выпускаются на разное рабочее напряжение и в широком диапазоне емкостей. Конденсаторы тех или иных серий, в рамках одного типа, отличающиеся внутренней конструкцией, предназначаются для работы в различных режимах (в зависимости от характера тока, протекающего по цепи, в которой предполагается использовать данный конденсатор) и могут различаться сроком службы. Далее речь пойдет об электролитических конденсаторах.
Что такое электролитический конденсатор?
Электролитические конденсаторы отличаются от конденсаторов других типов возможностью достижения высоких емкостей по отношению к своему размеру. Именно по этой причине в качестве накопительных, фильтрующих конденсаторов в источниках питания обычно применяют именно электролитические конденсаторы.
В электролитических конденсаторах жидкий электролит выступает в роли одного из электродов (чаще всего в роли катода). Электролит представляет собой жидкость или гель с большим количеством ионов.
Высокое емкостное реактивное сопротивление электролитических конденсаторов имеет свои преимущества и недостатки.
Они характеризуются высоким током утечки, эквивалентным последовательным сопротивлением и ограниченным сроком службы. Электролитические конденсаторы могут быть жидкими или полимерными. Обычно они изготавливаются из алюминия или тантала, но могут использоваться и другие материалы.
Существует три основных типа электролитических конденсаторов: алюминиевые, танталовые и полимерные. Давайте их рассмотрим.
Электролитические алюминиевые конденсаторы
Алюминиевые конденсаторы имеют самую большую емкость по отношению к своему размеру. Такие конденсаторы полярны, то есть они включаются в цепь строго с соблюдением полярности напряжения, прикладываемого к клеммам.
Выпускаются алюминиевые конденсаторы в цилиндрических корпусах; они бывают рассчитаны на рабочее напряжение от 4 до 630 вольт; производятся на емкости из диапазона от 0,1 мкф до 2,7 Ф.
У конденсаторов данного типа положительная (анодная) обкладка изготовлена из алюминиевой фольги толщиной до 100 мкм. Фольга имеет протравленную поверхность, так что активная площадь увеличивается до 200 раз в сравнении с гладкой необработанной фольгой. Тонкий слой оксида алюминия на поверхности анодной пластины выступает здесь в качестве диэлектрика между обкладками.
Далее идет пропитанная электролитом бумага, предназначенная для предотвращения прямого контакта между обкладками. Ее толщина составляет от 30 до 75 мкм, а если напряжение между обкладками более 100 вольт — слой бумаги не один.
В качестве электролита, обеспечивающего ионную проводимость, здесь, как правило, используют состав на основе этиленгликоля и борной кислоты, либо электролит на водной основе (до 20% воды), способный обеспечить функционирование электронного компонента при максимальной температуре 85 или 105°C.
Конденсаторы серии low ESR (с низким эквивалентным последовательным сопротивлением, для более сильных токовых пульсаций) содержат в своем электролите до 70% воды. Разрушительное действие воды на алюминиевые обкладки предотвращают внедрением в состав специальных добавок.
Второй обкладкой конденсатора (отрицательной, катодной) служит, по сути, жидкий электролит, прилегающий к шероховатой поверхности анодной обкладки. Но далее идет снова слой фольги — катодной фольги — предназначенной для соединения с соответствующей клеммой.
Алюминиевые электролитические конденсаторы типа SMD имеют аналогичное внутреннее устройство, они предназначены для поверхностного монтажа на печатную плату, имеют миниатюрные габариты, рассчитаны на напряжение в пределах 50 вольт.
Электролитические танталовые конденсаторы
Здесь анодная алюминиевая фольга заменена танталом. Подобно тому, как это происходит с алюминием, танталовый анод также легко поддается покрытию оксидной пленкой.
Классический чиповый танталовый конденсатор представляет собой спеченный порошок (размер исходных частиц - до 10 мкм) тантала в качестве пористого анода, покрытый диэлектрической пленкой пентоксида тантала в электролитической ванне, затем — твердым диоксидом марганца, играющим роль электролита и катода. Диоксид марганца получается путем пиролиза жидкого нитрата марганца, в который погружают покрытую оксидом тантала гранулу.
Далее идет создание контактного вывода: покрытую диоксидом марганца гранулу последовательно погружают в графит, затем в серебро, а к серебру припаивают внешний катодный вывод.
Таким образом тантал позволяет получить полярный конденсатор с высокой удельной емкостью при сравнительно малых габаритах.
Эквивалентное последовательное сопротивление танталовых электролитических конденсаторов не изменяется при увеличении частоты, а импеданс компонента на частоте 100 кГц достигает минимального значения. По этой причине танталовые конденсаторы широко применяются в сильноточных высокочастотных низковольтных (в пределах 50 вольт) цепях.
Используя танталовые конденсаторы, необходимо строго соблюдать полярность и не превышать номинальное рабочее напряжение компонента, поскольку при нарушении нормальных условий эксплуатации разрушение конденсатора сопровождается возгоранием.
Электролитические полимерные конденсаторы
В электролитических полимерных конденсаторах жидкий электролит заменен на твердый токопроводящий полимер или на полимеризованный органический полупроводник.
Конденсаторы данного типа отличаются более низким эквивалентным последовательным сопротивлением, практически не зависящим от температуры.
Характеристики полимерных компонентов в целом более стабильны, чем у конденсаторов с жидким электролитом на водной основе, и срок службы у них, конечно, сильно дольше.
Обычно полимеры являются изоляторами. Но здесь в качестве электролита используется особый проводящий полимер с двойными связями, легированный, допускающий в итоге движение носителей заряда — дырок.
Технологически прекурсоры полимера в форме порошка проникают в поры протравленного алюминиевого анода, затем осуществляется полимеризация.
Проводящие полимеры, наиболее широко используемые в полимерных конденсаторах, это: полипиррол и политиофен. Полимерные конденсаторы выводного и планарного форматов весьма востребованы сегодня в производстве различных электронных гаджетов.
Смотрите также:
От чего зависит емкость конденсатора
В чем отличие конденсаторов и аккумуляторов
Устройство, практическое применение, достоинства и недостатки ионисторов (суперконденсаторов)