Именно высокий коэффициент удельной ёмкости позволяет электролитическим конденсаторам быть компактными. А использование широко распространённого алюминия и простота изготовления таких приборов – быть дешёвыми и востребованными.
Впрочем, об этом я уже писал в прошлой статье. Здесь же хочу заострить внимание на их особенностях, способствующих широкому применению этих пассивных компонентов в каскадах электроники и в схемах электрики.
Устройство алюминиевых электролитических конденсаторов
Для разработки новых моделей конденсаторов учёным пришлось поработать, наверное, не меньше, чем с транзисторами. Так вот, с появлением этих самих полупроводников, аппаратура становилась компактнее. Но понадобились и конденсаторы ёмкие и тоже малогабаритные, да ещё и, желательно, максимально дешёвые и простые в производстве. Этим критериям наилучшим образом соответствовали давно изобретённые алюминиевые электролитические конденсаторы.
Казалось бы, ну куда уже проще может быть строение конденсатора: две электрические пластины, между которыми расположен диэлектрик. Оказывается, не всё так однозначно. Если собрать «сэндвичем» или свернуть в рулон пластины в виде фольги с бумажным диэлектриком, например, то получится неплохой накопитель электрического заряда. Но достигнуть высокой ёмкости таким образом можно только при очень больших габаритах.
Однако, если вспомнить формулу, расчёта ёмкости конденсатора, то в ней есть метрическая величина, уменьшение которой увеличивает эту самую ёмкость. Вот формула:
С=Sℇℴℇ℩/d,
где:
S – площадь совместного перекрытия пластин;
ℇℴ – постоянный диэлектрический коэффициент, равный 8,854187817×10ˉ̄¹²;
ℇ℩ – коэффициент диэлектрической проницаемости диэлектрика;
d– среднее значение расстояния между пластинами.
Из этой формулы понятно, что чем меньше d, тем больше ёмкость С. В идеале выходит, что уменьшая расстояние, а значит в некоторой степени и габариты, можно увеличить ёмкость. Но на практике тонкий диэлектрик увеличивает вероятность электрического пробоя. Поэтому утончая расстояние, снижается максимально допустимое напряжение.
Однако, если внимательно рассмотреть физическую структуру, например, бумажного конденсатора (см. рисунок), то наблюдается неплотность прилегания диэлектрика к пластинам. Образовавшиеся пустоты заполнены воздухом, а это уже другой тип диэлектрика с иной диэлектрической проницаемостью и пробивной электрической прочностью. Можно конечно хорошо прижать пластины и выкачать воздух, чем некоторые технологии и занимаются, но этим ёмкость сильно не поднимешь.
У электролитических же конденсаторов бумага служит теперь не диэлектриком, а сепаратором, пропитавшего её электролита. Итак, бумага становится продолжением электрода, катода, так как электролит проводит хорошо ток только в одну сторону. Второй электрод (анод) изолирован коркой оксида, выращенного на фольге специальной технологией окисления. Толщина окисла и будет определять расстояние между пластинами, так как электролит проникает очень плотно к самой поверхности корки.
Также площадь межэлектродного перекрытия S, в электролитических конденсаторах, не определяется только размерами фольги, но общей площадью поверхности анода с коркой оксида. Именно поэтому, в конденсаторах малой и средней величины допустимого напряжения, используются технология травления фольги будущего анода, увеличивающая площадь S конденсатора, а в итоге и саму его ёмкость.
Оксид алюминия
Оксидная плёнка очень прочная, хорошо держится на своём металле, легко выращивается и не пропускает влагу, а значит и электролит. Оксид алюминия имеет сравнительно высокую диэлектрическую проницаемость, порядка 9,5×10ˉ¹⁰. А диэлектрическая прочность достигает 10 кВ/мм. Это позволяет изготавливать ёмкие конденсаторы с максимальным напряжением в несколько сотен вольт.
А уменьшив расстояние корки до сотых миллиметров – удаётся получить ёмкие малогабаритные «электролиты», значением в десятки и даже сотни тысяч микрофарад, работающие на максимальном напряжении от единиц до десятков вольт.
