Итак, алюминиевый электролитический конденсатор. Его обкладки (катод и анод) изготавливаются из алюминиевой ленты, между которыми проложена специальная электролитическая бумага, пропитанная электролитом. Одна из обкладок имеет очень тонкий слой оксида алюминия, появляющегося в результате электролитического окисления и являющегося диэлектриком. Этот оксидный слой обладает свойствами односторонней проводимости, но в определенном направлении приложения электрического потенциала он обладает отличными диэлектрическими свойствами, а также малой толщиной, что позволяет изготавливать конденсаторы больших емкостей с небольшими размерами. Конструкция электролитического конденсатора показана на рис.1.

рис.1 Конструкция электролитического конденсатора

В связи с этим обстоятельством подавляющее большинство выпускаемых промышленностью электролитических конденсаторов являются полярными элементами, и при их включении в схему нужно соблюдать соответствующую полярность. Если обе алюминиевые полосы имеют на своей поверхности слой оксида, конденсатор станет неполярным. Такие конденсаторы тоже выпускаются, но распространены они значительно меньше. Например, фирма Hitano выпускает неполярные конденсаторы серии ENR и ENA, имеющие диапазон емкостей от 0,47 до 1000 мкФ и рабочими напряжениями до 160 В с температурным диапазоном от -40 до +85 градусов Цельсия. Номенклатура отечественных конденсаторов серии К50-68Н, выпускаемых заводом "Элеконд" (http://www.elecond.ru) скромнее: от 2,2 до 22 мкФ и от 16 до 50 В при том же диапазоне рабочих температур.

Здесь описываются так называемые электролитические конденсаторы с жидким электролитом. Существует и другой тип электролитических конденсаторов - с "твердым" электролитом, но здесь мы его рассматривать не будем.

Емкость алюминиевого электролитического конденсатора может приближенно быть вычислена из следующей формулы для плоскопараллельного конденсатора, известой из курса физики:

Очевидно, чтобы достигнуть более высокой емкости конденсатора, диэлектрическая проницаемость и площадь диэлектрика должны быть как можно больше, а толщина диэлектрика - как можно меньше. В таблице 1 показаны значения диэлектрических постоянных и толщина материалов, использующихся в различных типах конденсаторов.

Однако чем тоньше диэлектрик, тем меньше напряжение его пробоя. В случае электролитических конденсаторов толщину диэлектрика можно снижать, рассчитывая ее на определенное максимальное рабочее напряжение и снижая габариты конденсатора. Но чем тоньше оксидная пленка, тем более жесткие требования предъявляются к механической стойкости и к их надежности, долговечности, срокам службы.

Таблица 1
Тип конденсатора	Диэлектрик	Диэлектрич. проницаемость	Толщина диэлектрика
Алюминиевый электролитический конденсатор	Оксид алюминия	7…10	0.0013-0.0015 мкм/В
Танталовый электролитический конденсатор	Оксид тантала	24	0.001-0.0015 мкм/В
Пленочный конденсатор (металлизированный)	Полиэстерная пленка	3,2	0,5-2,0 мкм
Керамический конденсатор (высокая диэлектрическая проницаемость)	Титанат бария	500-20000	5 мкм
Кермический конденсатор (термокомпенсированный)	Оксид титана	15-250	5 мкм

Создание оксидной пленки происходит с помощью гальванического травления в хлориде алюминия при пропускании переменного (АС) или постоянного (DC) тока, либо попеременного чередования AC и DC токов. Существует два основных типа травления: поверхностное травление, представленное на рис.2 (поверхность) и рис.3 (разрез) являющееся в основном продуктом АС электролиза, выполняется в основном для конденсаторов с низким значением допустимого рабочего напряжения, и туннельное травление (рис.4 и рис.5), получающееся в результате воздействия DC электролиза, применяющееся для конденсаторов со средним и высоким значением допустимого напряжения.

рис.2 Поверхностное травление	рис.3 Разрез обкладки при поверхностном травлении	рис.4 Туннельное травление	рис.5 Разрез обкладки при туннельном травлении

Затем с целью создать поверхность с высокой чистотой, диэлектрик помещается в раствор борной кислоты. На рисунках (рис.6, рис.7, рис.8) показана структура оксидного слоя конденсаторов с разным значением допустимого рабочего напряжения. Легко заметить, что толщина диэлектрика практически прямо пропорциональна допустимому напряжению и составляет цифру 0,0013-0,0015 мкм/В.

рис.6 Напряжение 20 В	рис.7 Напряжение 100 В	рис.8 Напряжение 250 В

Для тех, кто знаком с химией, приводится химическая запись процесса формирования диэлектрического слоя.

рис.9 Шнурование диэлектрика

Зачем в электролитическом конденсаторе электролит? Не проще было бы окислить обкладки и проложить между ними бумагу, свернув затем в трубочку? Оказывается, нет. Конденсатор, изготовленный таким способом, будет иметь небольшую емкость, так как обкладки получаются отстоящими друг от друга достаточно далеко. Поэтому бумага пропитывается специальным жидким электролитом - проводящей жидкостью - одна из алюминиевых обкладок становится вторичным катодом, а собственно катод получается из бумаги, пропитанной электролитом. Таким образом, диэлектриком становится оксидный слой, и достигается высокая емкость конденсатора.

К электролитической жидкости для пропитки конденсаторов предъявляются следующие основные требования: во-первых, это должна быть токопроводящая жидкость, во-вторых, она должна восстанавливать дефекты оксидного слоя, в-третьих - химически устойчивым с фольгой анода и катода и, в-четвертых, не должен создавать давление внутри оболочки конденсатора при нормальной работе. Поэтому разработаны разные типы электролитов для работы при разных напряжениях, разными рабочими температурами.

Несколько слов о процессе производства электролитических конденсаторов. Первая операция состоит в подготовке поверхности анода и вторичного катода с целью увеличения ее эффективной площади и создания окисной пленки. Для этого поверхности подвергают AC или DC травлению электрическим током, в результате чего поверхность становится бугристой. Кстати, результат этой операции можно ощутить, разобрав неисправный конденсатор и ощупав поверхность обкладки - она обычно шершавая на ощупь. Увеличение эффективной площади позволяет сократить внешние размеры конденсаторов.

рис.10 Формирование "пакета"

Иногда после этого проводится анодирование в борной кислоте для создания гладкой поверхности диэлектрика, но для конденсаторов с малым значением допустимого рабочего напряжение это анодирование обычно не проводится. После этого обкладки нарезаются лентами с шириной, соответствующей габаритам конденсатора и сворачиваются в трубочку вместе с проложенной электролитической бумагой, фиксируются полоской изолирующего материала (рис.10).

Теперь этот "пакет" возможно пропитывать жидким электролитом. После завершения пропитки этот "пакет" уже может функционировать как нормальный конденсатор. Однако его нужно защитить от возможности испарения электролита и механических повреждений. С этой целью "пакет" вставляют в корпус, "корпусируют", выполняют операцию конечного уплотнения.

рис.11 Конструкции конденсаторов

Для уплотнения с торцов выводов используется резина, бакелитовая смола или пластмассовая пластина с установленными на нее клеммами-выводами (для мощных конденсаторов). После уплотнения современные конденсаторы вставляются в термоусадочные трубки, которые образуют изоляцию корпуса, изготавливаемого из алюминия (рис.11). Термоусадочные трубки не используются при изготовлении конденсаторов для поверхностного монтажа.

Тренировка конденсатора проводится при приложении к нему постоянного напряжения в условиях предельной температуры окружающей среды. Эта операция позволяет выявить дефектные партии на стадии изготовления. После проводятся операции по формовке выводов (рис.12), выборочная проверка партий, упаковка и отправка потребителю.

рис.12 Формовка выводов

Теперь поговорим об основных характеристиках электролитических конденсаторов. Во-первых, они характеризуются электрической емкостью. Формула для вычисления электрической емкости анода (в мкФ) была приведена выше (Са). Учитывая, что катод также имеет свою емкость (Сс), общая емкость электролитического конденсатора определится из формулы:

Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и тангенс угла потерь (tanb) - другие важные параметры конденсатора, о которых мы сейчас поговорим. Полный импеданс конденсатора (Z) состоит из нескольких компонент, составляющих эквивалентную схему (рис.13):

рис.13 Эквивалентная схема конденсатора

С - собственная емкость конденсатора (Ф);
r - сопротивление утечки электролита (Ом);
R - эквивалентное последовательное сопротивление (Ом);
L - эквивалентная последовательная индуктивность (Гн).

На низких частотах (50 Гц - 1 кГц) эквивалентная последовательная индуктивность обычно не учитывается в силу своей незначительности, и ESR имеет чисто активный характер.

Тангенс угла потерь и добротность (Q) определяется из следующих формул:

В случае, когда влиянием L пренебречь нельзя, полное сопротивление (Z) запишется в виде:

Необходимо также отметить, что R обусловлено главным образом сопротивлением фольги обкладок и выводов, а L - индуктивностью обкладок. Характер поведения различных составляющих полного сопротивления конденсатора в зависимости от частоты приведен на рис.14.

рис.14 Характер поведения Xc, Z, Xl, R

Хорошо видно, что падение полного сопротивления конденсатора происходит до определенной частоты, после чего падение замедляется, стабилизируется на определенном уровне, близком к активному сопротивлению, и начинает расти. Рост полного сопротивления происходит вследствие наличия индуктивности L. Именно поэтому электролитические конденсаторы плохо "работают" на высоких частотах и их приходится в силовой технике шунтировать неполярными конденсаторами.

При выборе электролитических конденсаторов достаточное внимание нужно уделять токам утечки. Причина их появления кроется в неидеальном характере поляризации диэлектрика, наличии влаги в диэлектрике, наличии вкраплений соединений хлора и металлических примесей. Величина тока утечки может быть уменьшена только на этапе изготовления конденсатора, и с улучшением уровня технологий ее доля становится меньше и меньше, однако полностью ее не исключить. Токи утечки зависят от времени, приложенного напряжения и температуры окружающей среды. Если схемотехника диктует необходимость длительного хранения электрического заряда, к выбору конденсатора по параметру тока утечки следует относиться очень внимательно.

рис.15 Зависимость С от температуры

Как уже было неоднократно сказано, в алюминиевых электролитических конденсаторах применяется жидкий электролит. Поскольку электролит, как любая жидкость, обладает характеристиками вязкости, проводимости, внешние климатические факторы оказывают на конденсатор некоторое влияние. Электрическая проводимость электролита увеличивается с увеличением температуры и снижается при ее понижении. Мы рассмотрим влияние температуры на такие известные нам параметры, как емкость, тангенс угла потерь, ESR, полное сопротивление и ток утечки.

Емкость алюминиевых электролитических конденсаторов увеличивается при увеличении температуры и соответственно уменьшается при уменьшении температуры. Связь между температурой и емкостью отражена на рис.15.

Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), а следовательно и тангенс угла потерь, и полное сопротивление (Z) изменяются при изменении температуры и частоты. Наиболее типичный характер этих изменений для электролитических конденсаторов показан на рис.16. и рис.17. Хорошо видно, что с ростом частоты растут потери.

Ток утечки увеличивается при увеличении температуры и уменьшается при уменьшении температуры, что отражено на рис.18.

рис.16 Зависимость тангенса угла потерь от частоты

рис.17 Зависимость ESR и Z от частоты

рис.18 Зависимость тока утечки от температуры