книги / Основы конденсаторной техники

пульсном напряжении приходится ограничивать частоту повторения. При повышении частоты следования импульсов приходится ограничивать Ераб и снижать удельную энергию.

Комбинированные конденсаторы с диэлектриком из полярной и неполярной пленок выпускаются в качестве намо-

танных конденсаторов большой емкости, но с малым ТКЕ. Увеличение емкости одной из двух секций конденсатора, намотанной из полярной пленки, с положительным ТКЕ при нагревании компенсируется снижением емкости, намотанной из неполярной пленки с отрицательным ТКЕ. С появлением поликарбонатной пленки, позволяющей изготовлять намотанные конденсаторы достаточно большой емкости с малым значением ТКЕ в широком интервале температур, комбинированные пленочные термокомпенсированные конденсаторы значительно реже станут применяться в тех случаях, когда требуется конденсатор большой емкости с малым ТКЕ.

10.4. Лакопленочные конденсаторы

Конденсаторы с диэлектриком в виде тонких пленок, полученных отливкой из раствора (лака), называют лакопленочными. Они могут быть двух типов: с удаленной подложкой и с сохраненной подложкой.

При изготовлении конденсаторов с удаленной подлож-

кой механическая поддержка тонкой пленки осуществляется только во время операций получения пленки (отливки, сушки), при металлизации и при разрезке широкой металлизированной ленты на более узкие. В качестве подложки используют лакированную бумагу или синтетическую пленку. Величина tg δ

при частоте 1 кГц должна составлять не более 0,015. Допуск по емкости: ±5, ±10, ±20 %. Неустойчивость постоянной времени этих конденсаторов связана с дефектами изоляции в местах удаления обкладки при тренировке напряжением; неустойчивость усиливается при увеличении числа слабых мест пленки.

171

a – коэффициент, зависящий от рода вентильного металла и представляющий собой относительную толщину оксидно-

го слоя, Å/В (Al =14, Ta =15...17, Nb = 20...24, Ti =30).

2.Сочетание малых толщин и больших площадей и также относительно больших ε (порядка 10…100) ведет к созданию больших номинальных емкостей до единиц. Верхняя граница рабочего напряжения для электролитических конденсаторов не превышает 450…600 В.

3.Оксидная пленка может быть получена на поверхности вентильного металла, служащего одной из обкладок (анод),

авторой обкладкой является либо электролит, либо полупроводник, либо металл. Электрическая прочность оксидного слоя в несколько раз превышает электрическую прочность других диэлектриков, поэтому можно использовать тонкие слои.

4.При изменении полярности электрическая прочность резко падает, проводимость растет. Электролитические конденсаторы имеют униполярную проводимость, их эксплуатация возможна при положительном потенциале на аноде. Изменение полярности используют в электролитических выпрямителях, но при этом возникает большой ток и конденсатор выходит из строя.

5.Электролитические конденсаторы обладают большими потерями энергии, так как второй обкладкой служит электролит или полупроводник, которые имеют сопротивление больше, чем у металлов. Даже при частоте 50 Гц и температуре 20 °C для ряда типов электролитических конденсаторов tg δ

доходит до 0,1…0,2. С повышением частоты он должен возрастать почти линейно.

Электролитический конденсатор можно представить в виде последовательной эквивалентной схемы, составленной из емкости Сокс, сопротивления r оксидного слоя и сопротивле-

ния электролита rэл (рис. 15). Тангенс угла потерь для такого конденсатора

173

тора по отношению к фактической емкости оксидного слоя согласно выражению

Поэтому, если в обычных типах конденсаторов с малым сопротивлением обкладок можно заметить снижение емкости с частотой только в верхней области радиочастот, то для электролитических конденсаторов уже в области звуковых частот емкость заметно снижается. При снижении температуры сопротивление электролита начинает резко возрастать (рис. 16).

аб

Рис. 16. Общий характер зависимости емкости и угла потерь от частоты (а) и от температуры (б) для электролитического конденсатора

174

Это влечет за собой резкое возрастание tg δ и снижение эф-

фективной емкости, согласно выражению (3). В связи с этим для электролитических конденсаторов критическим является нижний предел рабочей температуры, у них недостаточная стабильность емкости во времени, большой ток утечки, малая постоянная времени – τс.

При уменьшении температуры сопротивление электролита увеличивается, что вызывает рост tg δ и снижение эффек-

тивной емкости.

11.1. Конструкции электролитического конденсатора

Ранее основным типом вентильного металла, применяемого при изготовлении электролитических конденсаторов, являлся только алюминий. Наряду с ним нашли широкое применение и другие вентильные металлы: тантал, ниобий и титан. Свойства этих металлов приведены в табл. 3.

Таблица 3

По конструкции электролитические конденсаторы отличаются типом второй обкладки – катода (рис. 17).

В первых конденсаторах в качестве второй обкладки использовался жидкий электролит в виде водного раствора слабых кислот и щелочей (см. рис. 17, а). Недостатком их являлась относительная сложность конструкции, связанная с ис-

175

пользованием жидкости внутри конденсатора, низкая морозостойкость (около 0 °С), большой угол потерь. Преимуществом являлось свойство самовосстановления при пробое.

Рис. 17. Схемы конструкции основных типов электролитических конденсаторов: а – жидкостный; б – сухой; в – сухой неполярный; г – твердый, оксидно-полупроводниковый; д – оксидно-металличе- ский; 1 – вентильный металл (анод); 2 – оксидный слой; 3 – жидкий электролит; 4 – металлический корпус (катод); 5 – вязкий электролит в волокнистой прокладке; 6 – катодная фольга; 7 – слой полупроводника; 8 – слой графита; 9 – слой металла, нанесенный напылением;

10 – тонкий слой металла, нанесенный испарением

Значительное упрощение конструкции достигнуто при замене жидкого электролита вязким пастообразным электролитом, которым пропитана волокнистая прокладка (бумага, ткань), разделяющая анодную и катодную фольгу (см. рис. 17, б). Сближение анода и катода уменьшило путь тока через электролит, что привело к уменьшению tg δ и улучшению температурно-частот-

ных характеристик. Улучшилась морозостойкость и стабильность характеристик конденсатора во времени. Но у такого конденсатора ухудшилась способность к самовосстановлению.

Встречно-последовательное соединение двух полярных конденсаторов (см. рис. 17, в) позволило получить неполярную систему, не чувствительную к изменению полярности напряжения. Но такие конденсаторы можно использовать лишь при постоянном напряжении, когда возможна смена полярности, или при кратковременном включении на переменное напряжение.

176

Качественное изменение характеристик электролитического конденсатора было получено при замене электролита твердым полупроводником (см. рис. 17, г). Конденсаторы с таким типом катода получили название оксидно-полупровод- никовые (ОП). Замена электролита слоем полупроводника снижает величину сопротивления rэл, меняет характер его за-

висимости от температуры, так как вместо ионной электропроводности электролита имеем электронную проводимость полупроводника. В области низких температур угол потерь мало изменяется с температурой, а емкость снижается почти линей-

но (рис. 18).

проводникового конденсатора от температуры

Недостатком ОП конденсатора является резкое ухудшение способности к самовосстановлению, поэтому при равных значениях рабочего напряжения приходится увеличивать толщину оксидного слоя – это снижает Суд и qуд.

Полупроводник – вторая металлическая обкладка (см. рис. 17, д). Применяется в оксидно-металлическом конденсаторе. У алюминия много дефектов в оксидном слое, что приводит к короткому замыканию, поэтому применить такую конструкцию для алюминиевых конденсаторов нельзя. У других типов металлов, например тантала, оксидный слой однородный, дефектов мало, поэтому применение такой конструкции возможно. Используют в плоских, малогабаритных схемах, мик-

177

ромодулях. Эффект униполярности в оксидно-металлических конденсаторах проявляется очень слабо, а иногда отсутствует.

11.2. Технология изготовления алюминиевых (сухих) электролитических конденсаторов

Основным типом алюминиевого конденсатора является сухой конденсатор, секции которого изготовляются намоткой из оксидированной анодной алюминиевой фольги, волокнистой прокладки, пропитанной вязким электролитом, а также неоксидированной катодной алюминиевой фольги и обычно пропитываются после намотки. Для изготовления анодной фольги применяется алюминий высокой степени чистоты (99,95 и 99,99 %) – для уменьшения тока утечки и создания хорошего оксидного слоя. Анодная фольга подвергается травлению, для увеличения ее удельной поверхности при заданной площади анода (рис. 19).

При шероховатой поверхности анода созданный при формовке тонкий оксидный слой следует за всеми неровностями. Электролит, служащий второй обкладкой, также заполняет неровности поверхности, что позволяет увеличить емкость, приходящуюся на единицу площади. Отношение общей поверхности травленого анода Sпов к его площади Sа носит название

коэффициента травления:

178

Kтр = SSпова .

Коэффициент травления снижается с увеличением формовочного напряжения, т.е. с увеличением толщины оксидного слоя. Применяют электрохимическое травление в растворе NaCl при температуре 40...60 °C. Процесс создания оксидного

слоя на поверхности анодной фольги называется формовкой. Формовочное напряжение необходимо брать с известным запасом по отношению к Uраб. Чем больше запас, тем толще оксидный слой и тем меньше ток утечки конденсатора; однако в этом случае снижается емкость. Произведение формовочного напряжения Uф на удельную емкость примерно постоянно

и называется коэффициентом формовки:

Суд Uф = Kф ≈ const.

При травленых анодах величина Kф должна быть умно-

жена на Kтр.

В качестве формовочного электролита может быть взята чистая вода. Но проводимость воды невелика, поэтому используют раствор борной или лимонной кислоты с небольшой добавкой буры или аммиака. Обычно применяют трехступенчатую формовку. Фольга непрерывно движется через формовочные ванны, которые питаются от отдельных источников энергии с постоянным повышением напряжения на каждой из ванн и постепенным ослаблением раствора электролита (уменьшением концентрации). Затем идет намотка секций на намоточных станках.

При намотке секций сухих конденсаторов нарезанные анодные ленты с прикрепленными к ним анодными выводами вкладывают между лентами бумаги и вместе с катодной фольгой наматывают на оправку. После того как катодная лента

179

полностью намотана на оправку, ленты бумаги обрезают и дают дополнительный виток катодной ленты, затем ее обрезают, на секцию надевают скрепляющее резиновое колечко и снимают ее с оправки. Намотанные секции подвергают пропитке рабочим электролитом. После чего секцию помещают в алюминиевый корпус, к которому присоединяют катодный вывод; анодный вывод подсоединяют к лепестку крышки.

После намотки и пропитки секция сухого конденсатора имеет резко увеличенный ток утечки. При нарезке анодной фольги повреждается оксидный слой и ток утечки увеличивается. Для заформовки поврежденных участков производят тренировку под номинальным напряжением с последовательным включенным сопротивлением, ограничивающим ток (чтобы не было перегрева). В составе рабочего электролита сухого конденсатора всегда имеется некоторое количество воды. Опасен как недостаток, так и избыток влаги, поэтому такие конденсаторы герметизируют или уплотняют.

Оксидные конденсаторы не подвергаются испытаниям на пробой. Переход к напряжениям выше Uф дает резкое возрас-

тание тока. Конденсаторы с оксидным диэлектриком являются низковольтными. Используются в качестве накопителей энергии. Неполярные сухие конденсаторы используются для пуска однофазных двигателей.

11.3. Танталовые электролитические конденсаторы

Танталовые сухие конденсаторы по конструкции подобны сухим алюминиевым конденсаторам. Повышенная механическая прочность тантала позволяет использовать фольгу с резко уменьшенной толщиной, что позволяет отчасти компенсировать сильно увеличенный удельный вес тантала по сравнению с алюминием. Повышенная более чем в 2 раза ε оксида тантала по сравнению с ε оксида алюминия и уменьшенная толщи-

180