Kondensatoriai elektros grandinėse naudojami įtampos ir srovės srautui grandinėje reguliuoti, sugeriant bet kokius pereinamuosius veiksnius arba išleidžiant papildomą energiją iškraunant, kad būtų kompensuojami nuostoliai. Kondensatoriaus charakteristikos skiriasi priklausomai nuo jo sudėties ir struktūros, ir dėl šios priklausomybės nuo charakteristikų. Elektrolitiniai kondensatoriai yra vienas iš kondensatorių tipų, kurių viena iš plokštelių yra elektrolitas, kuris labiau sumažina jo dydį.
Kontūras:
Kas yra elektrolitinis kondensatorius
Elektrolitinių kondensatorių konstrukcija
Elektrolitinių kondensatorių veikimas
Elektrolitinių kondensatorių tipai
- Aliuminio elektrolitiniai kondensatoriai
- Tantalo elektrolitiniai kondensatoriai
- Niobio elektrolitiniai kondensatoriai
Elektrolitinių kondensatorių charakteristikų palyginimas
Išvada
Kas yra elektrolitinis kondensatorius
Elektrolitinis kondensatorius yra poliarizuotas kondensatorius, kuris gali veikti tik su vienu poliškumu, tai yra, jis gali gerai veikti nuolatinės srovės grandinėse. Be to, šie kondensatoriai turi vieną metalinį elektrodą, o kitas yra pusiau skysta medžiaga, kuri veikia kaip katodas. Elektrolitas yra medžiaga, turinti didelę jonų koncentraciją, dėl šios cheminės sudėties šie kondensatoriai turi didesnę talpą, palyginti su kitų tipų kondensatoriais.
Elektrolitinių kondensatorių konstrukcija
Elektrolitiniai kondensatoriai turi dvi plonas folijas, pagamintas iš aliuminio, iš kurių ant vienos yra užpurkštas oksido sluoksnis, kuris veikia kaip dielektrikas. Tuo tarpu kita folija panardinama į elektrolitą, kuris veikia kaip katodas, ir dėl šios konstrukcijos katodo plokštės paviršiaus plotas padidėja, todėl padidėja talpa.
Dabar, atsižvelgiant į elektrolito medžiagas, kondensatorius yra padalintas į du tipus: vienas yra šlapio, o kitas - sauso tipo. Be to, elektrolitų medžiagos yra niobio, aliuminio ir tantalo oksidai, o šlapių elektrolitinių kondensatorių tipai pavadinti remiantis šiais oksidais. Kietieji arba sausieji elektrolitai yra magnio dioksidas ir organinės polimerinės laidžios medžiagos.
Oksidai susidaro automatiškai ore, kai per metalinį elektrodą teka pastovi srovė, ir dėl to susidaro dielektrinis sluoksnis, kuris yra oksido sluoksnis. Taigi, kai elektrolitinių kondensatorių aliuminio folijos formavimosi įtampa padidėja iki tam tikros ribos, oksido sluoksnio augimas turi būti sustabdytas. Drėgnų elektrolitinių aliuminio kondensatorių formavimo įtampa yra maždaug 500 voltų, o šlapių tantalo kondensatorių – apie 300 voltų. Oksido sluoksnio susidarymas paprastai vadinamas formavimu arba anodine oksidacija, o formavimo įtampa ir toliau didėja, kol pakeičia vardinę įtampą.
Elektrolitinių kondensatorių veikimas
Sujungus nuolatinės srovės maitinimą su elektrolitiniu kondensatoriumi, pradeda formuotis dielektriko sluoksnis, o iš elektrolito pradeda tekėti srovė. Įtampos skirtumas tarp anodo ir katodo sukuria elektrolite elektrinį lauką, verčiantį jonus migruoti. Teigiamus elektrolito jonus traukia katodas, o neigiamo krūvio jonus traukia anodas. Šie jonai sudaro ryšius su elektrodais, dėl kurių susidaro elektrostatinis dvigubas sluoksnis.
Šis dvigubas sluoksnis susidaro tarp elektrolito ir elektrodo, o iš šios srities vyksta krūvio perėjimas. Taigi, kai kondensatorius yra visiškai įkrautas, visi jonai yra formavimo sluoksnyje, o kai kondensatorius pradeda išsikrauti, pritraukti jonai grįžta atgal į elektrolitą.
Elektrolitinių kondensatorių tipai
Elektrolitiniai kondensatoriai visų pirma išskiriami pagal dielektriko ir anodo medžiagos sudėtį. Elektrolitinių kondensatorių klasifikacija pateikta paveikslėlyje:
Aliuminio elektrolitiniai kondensatoriai
Aliuminio elektrolitiniai kondensatoriai turi du laidžios medžiagos sluoksnius, atskirtus oksido sluoksniu, kuris tarnauja kaip dielektrikas. Vienas elektrodas, sudarytas iš aliuminio folijos, turi didelį paviršiaus plotą, kuris veikia kaip anodas, o ant jo yra suformuotas aliuminio oksido sluoksnis, kuris bus naudojamas kaip dielektrikas. Be to, kitas kondensatoriaus elektrodas yra skystis, turintis laidžių jonų ir dažnai vadinamas elektrolitu. Kita aliuminio folija liečiasi su elektrolitu, kurį galima pavadinti katodo folija, ir ji suteikia didelį paviršiaus plotą srovei, kuri praeina per elektrolitą.
Aliuminio elektrolitinio kondensatoriaus dielektrikas susidaro oksiduojant aliuminio oksido sluoksnį. Storis yra proporcingas formavimo įtampai, kurios greitis yra 1,2 nm/V, o maksimalus pasiekiamas sluoksnio storis yra apie 1 µm net esant aukštai įtampai. Prasidėjus formavimo procesui, plėvelės duobutės inkrustuoja, kurios yra proporcingos formavimo įtampai. Taigi formavimo proceso metu būtina atsižvelgti į galutinę darbinę įtampą.
Dėl šio oksido sluoksnio susidarymo kondensatorius pasižymi netiesinėmis charakteristikomis, todėl nuolatinės srovės srovė linkusi tolygiai didėti, žemiau yra aliuminio elektrolitinio kondensatoriaus charakteristikos kreivė.
Čia VF yra formavimo įtampa, VS yra viršįtampio įtampa, o VR yra vardinė įtampa, taigi, padidėjus formavimo įtampai, prasideda oksido sluoksnių susidarymo procesas. Kad vardinė įtampa būtų saugi, ji apibrėžiama kaip kvazitiesinio kreivės taško dalis. Viršįtampių diapazonas yra tarp vardinės įtampos ir formavimo įtampos. Kondensatoriaus veikimo patikimumui įtakos turi per didelis oksido sluoksnio anodavimas, tai yra jo storio padidėjimas. Taigi, kuo didesnis anodavimas, tuo didesnis bus kondensatoriaus patikimumas.
Aliuminio elektrolitinių kondensatorių gedimo režimai
Kondensatoriai gali sugesti, nepaisant to, kad jie yra patikimi, nes yra daug veiksnių, turinčių įtakos kondensatoriaus veikimui. Taigi čia pateikiami keli aliuminio elektrolitinių kondensatorių gedimų būdai ir jų priežastys:
| Nesėkmės būdai | Trumpas aprašymas ir priežastys |
|---|---|
| Elektrolito nutekėjimas | Elektrolitų nutekėjimas įvyksta dėl įvairių priežasčių, įskaitant vidinės temperatūros padidėjimą, perteklinę įtampą ir kondensatoriaus vidinio apvalkalo nusidėvėjimą. |
| Atidarykite ventiliaciją | Atvira anga elektrolitiniuose kondensatoriuose yra saugos priemonė, kuri išskiria per didelį vidinį slėgį ir šilumą. Jei ši išleidimo anga neatsidaro, gali sugesti kondensatorius, o gedimą sukelia atvirkštinė įtampa |
| Atvira grandinė | Elektrolitinis kondensatorius veikia kaip atvira grandinė dėl didelio mechaninio įtempio arba dėl elektrolito išgaravimo. Išgaravimas gali įvykti, kai kondensatorius yra veikiamas viršįtampio arba padidėja vidinis slėgis ir šiluma. |
| Trumpas sujungimas | Elektrolitinis kondensatorius veikia kaip trumpasis jungimas dėl padidėjusios atvirkštinės įtampos, bangavimo srovių, dielektriko gedimo ir blogų folijos kraštų. |
| Nuotėkio srovės padidėjimas | Aliuminio elektrolitiniai kondensatoriai gali atlaikyti nedidelę nuotėkio srovę, tačiau laikui bėgant dėl oksido sluoksnio deoksidacijos. Be to, korozija taip pat yra pagrindinis veiksnys, didinantis aliuminio elektrolitinių kondensatorių nuotėkio srovę |
Savaiminis gijimas aliuminio elektrolitiniuose kondensatoriuose
Kai elektrolitas reaguoja su aliuminio elektrolitinio kondensatoriaus oksido sluoksniu, jis pradeda nykti, o tai dažniausiai atsitinka, kai kondensatorius nėra prijungtas prie maitinimo šaltinio ilgesnį laiką. Dėl šios oksido sluoksnio deformacijos įtampa pradeda mažėti, tačiau nuotėkio srovė išlieka ta pati, tačiau nuotėkio srovė prisideda prie oksido sluoksnio reformavimo.
Reformavimo procese deguonies atomas iš vandens išgaunamas ir sujungiamas su aliuminiu, o tai savo ruožtu sukuria aliuminio oksidą. Be to, likusios vandenilio dujos išleidžiamos per atvirą kondensatoriaus išleidimo angą. Taigi šis oksido sluoksnio pertvarkymo procesas vadinamas savaiminiu gijimu, kuris apsaugo nuo kondensatoriaus trumpojo jungimo. Pažymėtina, kad jei kondensatorius paliekamas be maitinimo ilgesnį laiką, oksido sluoksnis gali išeikvoti, o pertvarkymo procesas gali vykti tik prijungus jį prie maitinimo šaltinio.
Tantalo elektrolitiniai kondensatoriai
Šie kondensatoriai turi kietų elektrolitų, kurių dielektrikas yra tantalo oksidas, ir sukuria sukepintos granulės formą. Šio kondensatoriaus anodo medžiaga, kuri dažniausiai naudojama, yra tantalo milteliai, o katodui – magnio oksidas. Didžiausias dielektriko storis yra 1,7 nm/V, o gedimo įtampa yra maždaug 625 V/um.
Palyginti su aliuminio elektrolitiniais kondensatoriais, jie turi mažesnę nuotėkio srovę ir didesnę talpą. Šie kondensatoriai yra labai poliarizuoti ir jautrūs atvirkštinei įtampai, nes net nedidelė atvirkštinė įtampa gali sukelti jų gedimą. Taip yra todėl, kad dielektrikas sugenda dėl atvirkštinės įtampos, taip sukuriant trumpąjį jungimą. Tantalo elektrolitiniai kondensatoriai skirstomi į du tipus: švino tantalo ir SMD tantalo kondensatorius:
Šie kondensatoriai tinka naudoti, kai yra maža nuotėkio srovė ir reikalingas didesnis stabilumas bei patikimumas. Čia yra lentelė, kurioje parodytos kai kurios tantalo elektrolitinių kondensatorių savybės:
| Technologijos | Tantalas |
|---|---|
| Anodas | Tantalas |
| Elektrodas | MnO 2 |
| Pagrindinis patikimumas | 1% / 1000 val. @ 85 °C |
| Kondensatorių diapazonas | 0,1-1000 µF |
| Kondensatoriaus tolerancija | 10% iki 20% |
| Nominali įtampa | 2,5–50 |
| ESR (tipiškas D atvejis) | 35-100 mΩ |
| Išsklaidymo faktorius | 4-16 % |
| Nuotėkio srovės | 0,01 CV |
| Nuvertinimas esant mažam imp. Grandinės | penkiasdešimt % |
| Temperatūros diapazonas | -55 /+125°C |
Tantalo kondensatorių gedimo režimai
Nepaisant didelio patikimumo ir stabilumo, yra keletas veiksnių, dėl kurių tantalo kondensatoriai gali sulūžti, ir čia yra lentelė, kurioje trumpai paaiškinamas šių elektrolitinių kondensatorių gedimo režimas:
| Nesėkmės būdai | Aprašymas ir priežastys |
|---|---|
| Didelis lygiavertis serijos atsparumas | ESR yra atsparumo nuostolių, atsirandančių dėl įvairių veiksnių, pvz., komponentų ir kontaktų atsparumo arba priešingų dielektriko jėgų, derinys. Tantalo kondensatoriai skirti dirbti esant mažam ekvivalentiniam pasipriešinimui. Tačiau dėl mechaninio ir šiluminio poveikio kondensatoriams padidėja įtampa, dėl kurios padidėja ESR, todėl kondensatorius sugenda. |
| Maža talpa | Paprastai tantalo elektrolitinių kondensatorių talpa, dirbant įprastomis sąlygomis, nekinta. Tačiau, jei kažkur grandinėje yra trumpasis jungimas arba teigiama kondensatoriaus kojelė yra pažeista, talpa gali sumažėti. |
| Didelė nuotėkio srovė | Kaip minėta anksčiau, tantalo kondensatoriai yra labai jautrūs atvirkštinei įtampai. Dėl nuotėkio srovės padidėjimo indukuojama atvirkštinė įtampa, dėl kurios kondensatorius sugenda dėl priešingo poliškumo. |
Savaiminis gijimas tantalo elektrolitiniuose kondensatoriuose
Tantalo elektrolitiniuose kondensatoriuose magnio dioksido anodo veikimas daro jį savaime išsigyjančiu kondensatoriumi. Skildamas dielektrikui, dėl šiluminių sąlygų magnio dioksidas oksiduojasi ir dėl cheminio proceso susidaro deguonis ir magnio trioksidas:
Padidėjus šilumai, vyksta aukščiau minėta reakcija, o deguonis absorbuojamas magnio diodu arba tantalo oksidu, bet ne tantalo pentoksidu. Magnio trioksidas taip pat turi didelį atsparumą, todėl jis yra geras izoliatorius.
Jei kondensatoriuje yra polimero elektrodas, tada savaiminio gijimo procesas skiriasi nuo magnio dioksido. Dėl polimero jame nebėra deguonies, o tai labai sumažina užsidegimo energiją. Šiuo atveju sritis, kurioje įvyko dielektrinis gedimas, yra izoliuojama nuo kitos kondensatoriaus dalies dėl garavimo arba atsilupimo. Dėl šio reiškinio blokuojamas srovės tekėjimas iš gedimo zonos, taip išvengiama kondensatoriaus trumpojo jungimo. Nustatyta, kad polimero savaiminio gijimo procesas nėra toks veiksmingas, kaip magnio dioksido savaiminio gijimo procesas.
Niobio elektrolitiniai kondensatoriai
Niobio elektrolitiniai kondensatoriai turi tokią pačią formą kaip ir tantalo elektrolitiniai kondensatoriai, taip pat turi daug bendro, kai kalbama apie jų charakteristikas. Taip yra todėl, kad niobis yra tantalo metalo sesuo, tačiau yra ir šio kondensatoriaus trūkumų. Niobio elektrolitiniame kondensatoriuje yra niobio pentoksido kaip dielektriko, kurio dielektrinė konstanta yra dvigubai didesnė nei tantalo, tačiau skilimo stipris sumažėja iki pusės.
Niobio pentoksidas yra jautrus aukštesnei temperatūrai ir labai patikimas nuo 85 laipsnių iki 105 laipsnių temperatūros diapazone. Dėl padidėjusio patikimumo esant aukštesnei temperatūrai jis tinkamas naudoti pramonėje. Dėl didesnės dielektrinės konstantos dielektriko storis yra didelis, kad būtų pasiektas toks pat įtampos lygis kaip ir tantalo. Tai neabejotinai padidina patikimumą, tačiau yra apribojimas dielektriko storiui. Tačiau vardinė niobio įtampa yra mažesnė nei tantalo kondensatorių, čia yra lentelė, kurioje parodytos niobio ir niobio oksido savybės:
| Parametrai | Vienetai | Pabaigos vertė | Niobis | Niobio oksidas |
|---|---|---|---|---|
| Milteliai | Nb metalas | nb0 | ||
| Kietumas | Vidutinis | Aukštas | ||
| Rūdos turinys | rūdos / energijos kaina | 3 % | 3 % | |
| Nekondensatoriaus naudojimas | Prieinamumas | 90 % | 90 % | |
| Tankis | [g/gcc] | Svoris, kritimo testas, CV | 8.6 | 7.3 |
| Uždegimo energija | [mJ] | Atsparumas degimui | 2 | 600 |
| Degimo greitis | [mm/s] | Degimo greitis | 8 | 1.5 |
| Specifinė šiluma | [j/mol/K] | Atsparumas apkrovai | 25 | 40 |
| Dielektrinis | CV | Nb2O5 | Nb2O5 | |
| Storis | 10 -9 m/V | CV | 2.5 | 2.5 |
| Dielektrinė konstanta | 41 | 41 |
Vienas didelis niobio pagrindu pagamintų elektrolitinių kondensatorių trūkumas yra tas, kad jie turi mažesnę vardinę įtampą ir mažesnę talpos kartų įtampą (CV). Kondensatorius niobio pagrindu rodo didesnę priklausomybę nuo temperatūros, tačiau jie yra saugesni ir atitinka lygiaverčius serijos atsparumo standartus. Čia pateikiamos niobio elektrolitinių kondensatorių savybės:
| Technologijos | Niobio oksidas | Niobis |
|---|---|---|
| Anodas | NbO | Nb |
| Elektrodas | MnO 2 | MnO 2 |
| Pagrindinis patikimumas | 1 %/1000 val. @ 85°C | 1% / 1000 val. @ 85 °C |
| Kondensatorių diapazonas | 10-100 µF | 10-100 µF |
| Kondensatoriaus tolerancija | 20 % (10 %) | 20 % (10 %) |
| Nominali įtampa | 4-10 | 4-20 |
| ESR (tipiškas D atvejis) | 100 mΩ | 100 mΩ |
| Išsklaidymo faktorius | 6-14 % | 4-16 % |
| Nuotėkio srovės | 0,02CV | 0,01-0,04 CV |
| Nuvertinimas esant mažam imp. Grandinės | dvidešimt procentų | penkiasdešimt % |
| Temperatūros diapazonas | -55/105°C (+125°C dev.) | -55 /+125°C |
Savaiminis gijimas niobio elektrolitiniuose kondensatoriuose
Niobio elektrolitiniuose kondensatoriuose katodas dažniausiai yra iš magnio oksido, o anodas – iš niobio oksido. Skirtingai nuo tantalo, niobio okside yra daug deguonies, todėl jis turi didelę užsidegimo energiją, tačiau turi mažą užsidegimo riziką. Šio niobio elektrolitinio kondensatoriaus savaiminio gijimo procesas yra gana skirtingas ir saugesnis nuo kitų, todėl jis yra daug geresnis nei kiti elektrolitiniai kondensatoriai. Kai dielektrikas skyla, tarp dielektriko, kuris yra niobio pentoksidas, ir anodo, kuris yra niobio oksidas, susidaro niobio dioksidas. Taigi tai apsaugo nuo kondensatoriaus trumpojo jungimo dėl dielektriko gedimo, o varža vis tiek išlieka didelė.
Elektrolitinių kondensatorių charakteristikų palyginimas
Visų trijų tipų elektrolitiniai kondensatoriai turi skirtingas charakteristikas, nes jų sudėtis skiriasi viena nuo kitos, todėl čia yra lentelė, kurioje pateikiamos trijų tipų kondensatoriai:
Išvada
Elektrolitiniai kondensatoriai turi vieną elektrodą kaip elektrolitą, todėl padidėja jų talpa, nes padidėja elektrodo paviršiaus plotas. Be to, dielektrikas yra oksido sluoksnis, kuris susidaro ant anodo elektrodo, kai kondensatorius yra prijungtas prie maitinimo šaltinio. Elektrolitiniai kondensatoriai yra poliarizuoti, o tai reiškia, kad jie gali sugesti esant atvirkštiniam poliškumui. Be to, jie turi savaiminio išgydymo funkciją, kuri neleidžia kondensatoriams sugesti.