Kondensator elektrolityczny: główne parametry urządzenia, jak działa i co decyduje o dużej pojemności

Kondensator elektrolityczny jest obecny w projektach zdecydowanej większości urządzeń elektrycznych. Telewizory, radio, sprzęt audio, pralki, klimatyzatory, komputery, drukarki – to nie jest pełna lista urządzeń wyposażonych w taki kondensator. Urządzenie znajduje szerokie zastosowanie nie tylko w sprzęcie gospodarstwa domowego, używanym w życiu codziennym, ale także w sektorze przemysłowym, wojskowym i budowlanym.

Cechy konstrukcyjne

Szeroki zakres zastosowań kondensatorów elektrolitycznych wynika z ich wysokich właściwości użytkowych i prostoty konstrukcji. Przy stosunkowo niewielkich rozmiarach mają dość dużą pojemność. Standardowy aluminiowy system skraplacza składa się z:

1. Dwie taśmy papierowe. Do ich produkcji stosuje się specjalny papier kondensatorowy, impregnowany związkiem przewodzącym prąd elektryczny.
2. Dwie aluminiowe listwy. Folia do ich produkcji jest przetwarzana w specjalny sposób.

Wszystkie paski są zwijane w jedną rolkę. Rolę elementu aktywnego pełnią wyprowadzenia połączone z elektrodami i wyposażone w uszczelkę. Całość zamknięta jest w aluminiowym korpusie w kształcie walca.

W oparciu o ten system produkowanych jest kilka typów modeli:

• z wyprowadzeniami ułożonymi w jednym kierunku;
• o zwiększonej wytrzymałości mechanicznej mocowania;
• do montażu natynkowego.

Etapy produkcji

Wszystkie kondensatory elektrolityczne o dużej pojemności są produkowane przy użyciu sprawdzonej technologii. Proces produkcji składa się z kilku ważnych etapów:

1. Trawienie folii. Terminem tym określa się procedurę zwiększania efektywnej powierzchni. Zwiększenie powierzchni staje się możliwe dzięki korozji elektrochemicznej lub erozji chemicznej. Prąd pulsujący wraz z określoną temperaturą i składem elektrolitu zmienia kształt, wielkość folii oraz liczbę mikroskopijnych kanalików na jej powierzchni.
2. Tworzenie warstwy tlenkowej. Folia anodowa, która została poddana procesowi wytrawiania ulega utlenianiu, tj. jest narażony na działanie roztworu soli amonowych, kwasu fosforowego lub borowego (w przypadku kondensatorów wysokonapięciowych). W niektórych przypadkach na folii katodowej narasta również warstwa tlenku glinu Al2O3.
3. Krajanie na plastry. Paski o określonej długości i szerokości wycinane są z papieru i folii, które zostały poddane niezbędnej obróbce.
4. Połączenie przewodów. Są one połączone z elektrodami za pomocą zgrzewania na zimno lub punktowego.
5. Impregnacja. Jest produkowany w celu wypełnienia elektrolitem porów papieru kondensatorowego. Wcześniej kondensator elektrolityczny jest osuszany pod ciśnieniem. Pory muszą zawierać pewną ilość elektrolitu. Jego nadmiar usuwamy umieszczając elementy w wirówce. Aby uniknąć utraty elektrolitu, wewnątrz urządzenia zainstalowane są gumowe uszczelki.

Ostatnim etapem produkcji jest montaż wszystkich części w jedno urządzenie, pokryte ochronną aluminiową obudową i powłoką izolacyjną. Kolejnym obowiązkowym krokiem jest sprawdzenie, czy warstwa tlenku nie jest uszkodzona i przywrócenie jej.

Główna charakterystyka

Konstrukcję kondensatora najłatwiej przedstawić w uproszczonym opisie. Na nim widać główne parametry kondensatorów elektrolitycznych:

1. Pojemność. Ten wskaźnik jest wprost proporcjonalny do temperatury. Spadek temperatury (do zera i poniżej) prowadzi do tego, że wzrasta lepkość kompozycji elektrolitowej (a także opór w mikroskopijnych porach folii), prowadząc do zmniejszenia objętości. Natomiast wzrost temperatury powyżej 20 stopni prowadzi do rozszerzenia części i całkowitej pojemności urządzenia. Również wartość tego wskaźnika zależy od częstotliwości. Częstotliwość i amplituda napięcia przemiennego przyłożonego do urządzenia pomagają określić jego pojemność.
2. Równoważna rezystancja szeregowa (ESR). Jego wielkość i związek z innymi wielkościami określa wzór ESR = (tan δ) / (2 * π * f * ESС). Kąt δ powstaje między wektorem napięcia konkretnego kondensatora a wektorem napięcia przy idealnej pojemności. Tan δ to iloraz mocy czynnej podzielonej przez moc bierną (gdy napięcie jest sinusoidalne).
3. Rezystancja całkowita (impedancja) jest uzyskiwana w wyniku całkowitego działania pojemności warstwy tlenkowej, rezystancja czynna separator papierowy i elektrolit, pojemność separatora impregnowanego elektrolitem, indukcyjność uzwojeń i zacisków kondensator.

Inną ważną cechą jest szybkość przepływu prądu przez warstwę tlenku dielektrycznego na elektrodzie dodatniej. Jeśli kondensator nie otrzymuje napięcia przez długi czas, prąd upływu będzie wysoki. Wskazuje to na zniszczenie warstwy tlenku glinu.

Odmiany kondensatorów

Integralną częścią urządzenia i kluczem do jego efektywnego działania jest obecność elektrolitu pomiędzy płytami. W zależności od tego, która kompozycja pełni tę funkcję, kondensatory to:

• suchy;
• płyn;
• metaliczny tlenek;
• półprzewodnik tlenkowy.

Charakterystyczną cechą urządzeń półprzewodnikowych tlenkowych jest to, że rolę katody pełni w nich półprzewodnik osadzony bezpośrednio na tlenku glinu. Anoda może być wykonana z aluminium, tantalu, niobu lub spiekanego proszku.

Obecność katody i anody wskazuje, że kondensator elektrolityczny należy do kategorii urządzeń polarnych. Jego działanie jest możliwe przy przepływie prądu tylko w jednym kierunku. Elektrolity niepolarne zostały opracowane do pracy w obwodach elektrycznych z prądami sinusoidalnymi. Podczas ich produkcji wykorzystywane są dodatkowe elementy, które znacznie zwiększają gabaryty i cenę gotowych urządzeń.

Osobnym rodzajem urządzenia, które zapewnia przepływ procesów elektrochemicznych, jest jonizator. Jego zasada działania opiera się na kontakcie elektrolitu z płytą, w wyniku czego powstaje podwójna warstwa elektryczna. Taka konstrukcja pozwala na wykorzystanie superkondensatora nie tylko zgodnie z jego przeznaczeniem, ale również jako chemiczne źródło energii elektrycznej.

Zebrana w krótkim czasie pojemność superkondensatora może być utrzymana przez długi czas. Przy napięciu około dziesięciu woltów pojemność może osiągnąć kilka faradów. Przy optymalnie dobranej kombinacji napięcia i temperatury jego żywotność może sięgać 40 tysięcy godzin. Jednak wahania początkowo ustawionych charakterystyk spowodują kilkudziesięciokrotne skrócenie żywotności (do 500 godzin).

Obszar zastosowania superkondensatorów jest szeroki. Służą do tworzenia kopii zapasowych różnych zasilaczy. Z powodzeniem stosowane są w panelach słonecznych, radioodbiornikach samochodowych i inteligentnych domach.