У электролитических конденсаторов наибольшая емкость при заданном объеме, но их особенностью является возможность работы лишь при определенной полярности приложенного напряжения. Неправильное включение может привести к взрыву конденсатора. В качестве материала анода электролитического конденсатора используются алюминий или тантал, и не секрет, что электролитическому конденсатору свойственен выпрямляющий эффект.
В настоящее время этот эффект не используется, но в отсутствие твердотельных выпрямителей переменный ток для промышленных нужд выпрямлялся электролитическими выпрямителями. И лишь затем было осознано, что банка электролитического выпрямителя является прекрасным конденсатором очень большой емкости, недостижимой при изготовлении конденсаторов с диэлектриком из пропитанной парафином бумаги.
Если кто-то из читателей некогда изготовил электролитический выпрямитель (описание приводилось в книжках для пионеров-радиолюбителей и электриков), см. нашу статью об изготовлении содового выпрямителя в аварийной ситуации, замечал, что если разорвать цепь работающего выпрямителя, после чего замкнуть алюминиевый электрод на стальной, то проскочит искра. Откуда она взялась? Ее накопила банка выпрямителя, поскольку является конденсатором.
Рисунок отражает эволюцию электролитического конденсатора. Рисунок А - ячейка простого однополупериодного выпрямителя, послужившая базой создания электролитического конденсатора. Два металлических электрода погружены в жидкость-электролит, налитую в корпус из непроводящего материала.
На рисунке Б электролит налит в металлический медный корпус, служащий отрицательным электродом; на рисунке В показано, как в одном корпусе можно разместить 3 конденсатора. На рисунке Г иллюстирован метод Мершона разделения трех положительных электродов по отдельным отсекам.
Ячейка состоит из т.н "выпрямляющего металла", погруженного в электролит совместно с неактивным электродом. Неактивный электрод может представлять собой металлическую пластину или стержень, а также являться баком, в который налит электролит. Назначение этого электрода - осуществлять электрический контакт с электролитом.
Выпрямительным эффектом обладают многие комбинации металлов с электролитами, но коммерческое значение имеют лишь алюминий и тантал, из которых наиболее широко применяется алюминий. Тантал требует едкого кислотного электролита, алюминий работает с менее коррозивными солями борной или фосфорной кислоты.
"Выпрямительным" свойством обладает не сам алюминий, а присутствующая на нем тонкая пленка окиси алюминия. Она же и является диэлектриком в конденсаторе, а поскольку при приложении к алюминиевому электроду отрицательного напряжения пленка окиси алюминия теряет свои диэлектрические свойства и начинает проводить ток, электролитический конденсатор является полярным (во всяком случае, те его типы, которые появились на заре развития электротехники).
(Отсюда напрямую вытекает устройство биполярного или неполярного электролитического конденсатора для переменного тока - в нем отформованы оба электрода, и оба электрода алюминиевые, неактивный электрод отсутствует).
При необходимости включить в схему 2 и более электролитических конденсатора, они могут быть конструктивно объединены, как показано на рисунках В и Г.
На рисунке ниже хорошо узнаваемая схема фильтра блока питания с двумя дросселями и тремя электролитическими конденсаторами. конструктивно объединенными в одной банке. Такие схемы применялись в радиоприемных устройствах еще 100 лет назад.
Ниже экспериментальная зависимость напряжения, которое можно приложить к конденсатору, в зависимости от толщины пленки окиси алюминия. (Радиофронт_1934_г._№14).
Характер зависимости понятен – чем выше формовочное напряжение, тем толще слой окиси алюминия, и тем меньше емкость конденсатора, поскольку она обратно пропорционально толщине диэлектрика.
Даже в отсутствие формовки на алюминии за 1-2 недели под воздействием кислорода воздуха образуется пленка окиси толщиной 1-2 нм (это 0,001-0,002 мкм, или "микрона"). При формовке толщина слоя увеличивается, и чем выше напряжение формовки, тем толще слой, но, поскольку в процессе формовки ток формовки уменьшается (ведь по сути, это ток утечки конденсатора, а зачем нам конденсатор с большим током утечки)?
Таким образом, по причинам технологического характера толщине окисной пленки положен предел, и считается (по крайней мере, так считалось в 1936 году), что создать электролитический конденсатор на напряжение выше 450 В невозможно.
Удивительно то, что еще в 1936 году наливные (т.е. электролитические конденсаторы с электролитом) конденсаторы использовались наряду с сухими (но тоже электролитическими, в которых пористая прокладка пропитана электролитом).
И в заключение оценим емкость аварийного выпрямителя по нашей более ранней статье. При площади алюминиевого электрода 400 кв.см и удельной емкости 0,02 мкФ/кв.см (по графику выше соответствует напряжению 100 В, на столько обычно и формуется содовый выпрямитель) емкость составит 0,02*400=8 мкФ. Конденсатор такой емкости, при заряде до 100 В, дает вполне ощутимую искру.