Kondensatory elektrolityczne, tantalowe i aluminiowe

Podobnie jak rezystory, kondensatory są elementami, bez których nie będzie działał praktycznie nawet najprostszy układ elektroniczny.

Nie wdając się w zbyt szczegółową analizę można powiedzieć, że mamy do dyspozycji trzy główne grupy kondensatorów: elektrolityczne, ceramiczne, a także z tworzyw sztucznych.

Więc może na początek kondensatory elektrolityczne.

Kondensatory elektrolityczne aluminiowe

Mniemam, ze wiesz przynajmniej ogólnie jak zbudowany jest kondensator elektrolityczny. Są to dwa paski folii aluminiowej przedzielonej papierem, nasączonym elektrolitem.

Patrząc na oba paski folii wydają się jednakowe. Ale przyglądając się „bliżej” można zauważyć, że folia dodatnia-anoda jest bardziej szara i matowa niż folia ujemna.

Pod mikroskopem okazuje się, iż jest bardzo chropowata, przypomina trochę wyglądem skalistą pustynię. Dzięki temu rzeczywista powierzchnia dodatniej okładziny – anody jest znacznie większa niż wynikałoby to z wymiarów folii. Tak znaczne powiększenie powierzchni (rozwinięcie) uzyskuje się przez chemiczne trawienie folii.

Wiadomo, że według definicji każdy kondensator składa się z dwóch przewodników (okładek) przedzielonych warstwą dielektryka (izolatora). Wydaje się, że okładki mamy. Co jednak jest izolatorem w naszych kondensatorach? Czy papier? Nie! Przecież jest on nasączony przewodzącym elektrolitem! No więc co?

Aluminium w obecności tlenu natychmiast pokrywa się cieniuteńką warstewką nieprzewodzącego tlenku (Al₂0₃). Co najważniejsze, tlenek ten jest znakomitym izolatorem i ma dużą wartość stałej dielektrycznej.

Warstwa tlenku glinu o grubości 1um (1/1000 mm) wytrzymuje bez przebicia napięcie rzędu 700V!

Co jest izolatorem w kondensatorach elektrolitycznych?

No i wszystko jasne. W kondensatorach elektrolitycznych izolatorem jest warstewka tlenku glinu o grubości znacznie mniejszej niż 1um, a dla zwiększenia powierzchni czynnej, rozwija się powierzchnię folii anodowej w procesie trawienia chemicznego.

Jakie znaczenie ma w tym elektrolit? Otóż tak naprawdę to elektrolit jest elektrodą ujemną, natomiast drugi pasek folii aluminiowej, potocznie zwany katodą, w rzeczywistości jest tylko doprowadzeniem prądu do tej prawdziwej, płynnej katody. Ponadto tylko zastosowanie jakiegoś „wścibskiego” elektrolitu, który wciśnie się w każdą dziurę, pozwala wykorzystać zalety rozwiniętej powierzchni anody. A porowaty papier pełni rolę zbiornika ciekłego elektrolitu oraz zabezpiecza przed bezpośrednim zetknięciem obu metalowych elektrod, co mogłoby spowodować uszkodzenie delikatnej warstwy tlenku i zwarcie.

Uproszczony przekrój jednej warstwy kondensatora elektrolitycznego mokrego pokazano na rys.1.

Teraz już wiesz, na czym polega tajemnica dużej pojemności i małych wymiarów kondensatorów elektrolitycznych.

Decydujące znaczenie mają:

• duża, trawiona powierzchnia,
• bardzo cienka warstwa dielektryka (Al₂O₃)
• znaczna stała dielektryczna Al₂0₃.

Pozostaje jednak jeszcze istotny problem: dlaczego typowe kondensatory elektrolityczne muszą być polaryzowane napięciem stałym?

Otóż „winny” jest elektrolit. Wypadałoby w tym miejscu przypomnieć kilka podstawowych wiadomości.

W elektrolitach nośnikami ładunku elektrycznego są jony. W elektrolicie naszych kondensatorów jony ujemne zawierają tlen, dodatnie wodór. A jak wytwarza się warstewkę tlenku glinu? Otóż naturalna warstewka tlenku jest nadzwyczaj cienka, rzędu 1…2nm i dla uzyskania grubszych warstw stosuje się metodę elektrochemiczną polegającą ogólnie rzecz biorąc na podłączeniu do kondensatora w trakcie produkcji źródła napięcia stałego.

W obwodzie biegun dodatni źródła-anoda kondensatora elektrolit-biegun ujemny popłynie prąd stały. Ponieważ w elektrolicie przepływ prądu polega na przemieszczaniu jonów, a jony ujemne zawierają tlen, więc w tym procesie zwanym formowaniem, na powierzchni anody wytwarza się warstwa tlenku glinu, a z drugiej strony jako produkt uboczny powstaje gazowy wodór. Powstająca stopniowo warstwa izolującego tlenku coraz bardziej zmniejsza wartość płynącego prądu, a po pewnym czasie prąd stabilizuje się na nieznacznej wartości i proces tworzenia tlenku ustaje. Warto zwrócić uwagę, że grubość tak powstałej warstwy tlenku zależy od przyłożonego napięcia – tzw. napięcia formowania, które zawsze jest większe o 20… 100% od założonego nominalnego napięcia kondensatora.

Dlaczego napięcie formowania powinno być większe od napięcia pracy?

Ponieważ w czasie pracy przez kondensator praktycznie nie powinien płynąć prąd stały (tzw. prąd upływu).

Jeśli wejrzysz głębiej  w katalogi, to znajdziesz wykonania oznaczone LL (dawniej typ 1) oraz GP (dawniej typ 2). LL jest skrótem od Long Life (długowieczny), A GP – General Purpose (ogólnego przeznaczenia). Kondensatory LL są formowane wyższym napięciem niż kondensatory GP o takim samym napięciu nominalnym. Wyższe napięcie formowania daje grubszą warstwę tlenku, a w konsekwencji mniejszy prąd upływu i mniejsze prawdopodobieństwo uszkodzenia. Grubsza warstwa dielektryka daje jednak mniejszą pojemność, więc kondensatory LL mogą mieć większe wymiary niż kondensatory o takich samych nominałach w wykonaniu zwykłym.

Z podanych informacji można wyciągnąć kilka ważnych wniosków

Po pierwsze, chyba już rozumiesz, że uszkodzenie kondensatora podwyższonym napięciem nie jest spowodowane przebiciem warstwy tlenku, tylko powtórnym rozpoczęciem procesu formowania, związanego nieodłącznie z wydzielaniem gazu, który w końcu powoduje eksplozję kondensatora.

Pewnie miałeś też do czynienia z „elektrolitami”, które… wyschły. Jeśli obudowa kondensatora nie będzie szczelna, podwyższone ciśnienie związane z normalnym gazowaniem podczas pracy może spowodować utratę elektrolitu i z kondensatora elektrolitycznego zrobi się stopniowo dobry kondensator powietrzny, tyle że o pojemności kilkudziesięciu… pikofaradów.
Dlaczego kondensatory elektrolityczne z ciekłym elektrolitem składowane przez dłuższy czas bez napięcia mają znaczny prąd upływu, który po niedługim czasie pozostawania pod napięciem zmniejsza się do pomijalnej wartości? Po prostu podczas składowania cieniuteńka warstwa tlenku ulega drobnym uszkodzeniom, które później po podaniu napięcia są samoczynnie reperowane przez jony ujemne dążące do anody.

Dlatego w układach, gdzie wymagana jest niezawodność i pewność działania, kondensatory elektrolityczne muszą pozostawać pod napięciem, wtedy w sposób ciągły następuje proces regeneracji, a upływność i pojemność mieszczą się w przewidzianych granicach.

Pomału dochodzimy wreszcie do podsumowania odpowiedzi na pytanie dlaczego omawiane kondensatory powinny być spolaryzowane napięciem stałym. Jony ujemne dochodzące do anody powodują powstawanie tlenku glinu. Jednak jeśli odwróci się biegunowość przyłożonego napięcia stałego, to nasza aluminiowa anoda staje się katodą. Wędrują teraz do niej lekkie jony dodatnie, które bez większych kłopotów przedostają się przez warstwę tlenku, a po dołączeniu elektronu wydziela się gazowy wodór. Płynący prąd stały może mieć dużą wartość, bowiem warstwa tlenku glinu nie jest znaczącą przeszkodą dla wścibskich jonów dodatnich, a wydzielający się gazowy wodór dodatkowo niszczy istniejącą już warstwę tlenku. Znów kondensator ulegnie uszkodzeniu wskutek eksplozji związanej z wydzielaniem gazu. W kondensatorze elektrolitycznym występuje zjawisko jednokierunkowego przewodzenia prądu, podobnie jak w diodzie. Dlatego na schematach zastępczych kondensatorów elektrolitycznych pojawia się symbol diody.

Ktoś uważny zauważy jednak, że przecież po odwróceniu biegunowości przyłożonego napięcia rolę anody pełnić będzie druga aluminiowa elektroda. Rzeczywiście na to wygląda. Czy to nie zmieni sytuacji? Nie, ponieważ ta druga elektroda pełniąca wcześniej rolę doprowadzenia do płynnej katody nie była uformowana i pokryta jest jedynie naturalną cieniutką warstwą tlenku (stąd jasna, błyszcząca folia katodowa w niektórych kondensatorach). Owszem, przy przepływie „odwrotnego” prądu zacznie na niej narastać warstwa izolacyjnego tlenku, zanim jednak zdąży się ona utworzyć i ograniczyć prąd, kondensator eksploduje!

A jeśli w procesie produkcji byłyby uformowane obie folie aluminiowe?

Genialna myśl! Wtedy przy danej biegunowości jedna z elektrod pełniłaby rolę anody, a po zmianie biegunowości – druga! Może cię zaskoczę – takie kondensatory są produkowane – są to kondensatory elektrolityczne bipolarne, zwane też niebiegunowymi. Mogą one pracować bez ograniczeń przy napięciu zmiennym bez składowej stałej.

Dlaczego więc nasze popularne „elektrolity” nie są wykonywane w ten sposób? Powody są przynajmniej dwa: kondensatory niebiegunowe mają zdecydowanie większy prąd upływu, a ponadto przy danych wymiarach ich pojemność jest prawie dwukrotnie mniejsza niż odpowiednich kondensatorów bipolarnych. Wynika to z szeregowego połączenia pojemności obu okładek. Co prawda w kondensatorach biegunowych pojemność jest tak samo wypadkową  dwóch pojemności.

Jednak z uwagi na znikomą grubość warstwy tlenku na ujemnej okładce (a tym samym dużą pojemność), decydująca jest pojemność związana z anodą.

Kondensatory tantalowe

W kondensatorach tantalowych anoda wykonana jest nie z aluminium, tylko ze spiekanego proszku tantalowego. W wyniku spiekania otrzymuje się strukturę porowatą, przypominającą nieco gąbkę – uzyskuje się w ten sposób w niewielkiej objętości bardzo dużą powierzchnię. Następnie, analogicznie jak przy kondensatorach aluminiowych, metodami elektrochemicznymi wytwarza się na powierzchni izolacyjną warstewkę pięciotlenku tantalu (Ta₂0₅), która podobnie jak Al₂0₃ma bardzo dobre właściwości dielektryczne.

Wreszcie porowatą anodę wypełnia się elektrolitem. W popularnych „perełkach” jest to dwutlenek manganu Mn0₂. Mniej popularne są kondensatory z elektrolitem ciekłym, a właściwie żelowym. Mimo dobrych parametrów, najlepszych z kondensatorów elektrolitycznych, kondensatory tantalowe z ciekłym elektrolitem nie są popularne.

Najczęściej spotyka się „tantale suche”. Za sprawą dwutlenku manganu, który jest rodzajem półprzewodnika, kondensatory tantalowe mają własności biegunowe. Powinny więc być spolaryzowane napięciem stałym o określonej biegunowości, jednak w niektórych katalogach można znaleźć informację, że dopuszczalna jest polaryzacja napięciem przeciwnym o wartości 5… 15% napięcia nominalnego.

Pięciotlenek tantalu jest bardzo odporny na uszkodzenia, dlatego upływność kondensatorów tantalowych jest mniejsza niż aluminiowych, a prądy upływu praktycznie nie zmieniają się nawet po kilkuletnim okresie składowania bez napięcia. Długo nieużywanych „tantali” nie trzeba więc formować, zresztą nie ma to sensu, bo bez elektrolitu zawierającego jony proces formowania nie występuje.

Porównywarka cen sprzętu RTV