miniatura|Cele mai comune stiluri de condensatoare electrolitice cu aluminiu și tantal miniatura|Un set de condensatori electrolitici Un condensator electrolitic este un condensator polarizat a cărui anod sau placă pozitivă este realizat dintr-un metal care formează un strat de oxid strat prin anodizare. Acest strat de oxid acționează ca dielectric al condensatorului. Un electrolit solid, lichid sau gel acoperă suprafața acestui strat de oxid, care servește ca și (catod) sau placă negativă a condensatorului. Datorită suprafeței anodice mari și a stratului de oxid dielectric foarte subțire, condensatorii electrolitici au un produs capacitate-tensiune (CV) mult mai mare pe unitatea de volum, comparativ cu condensatoare ceramice sau condensatorii film, și deci pot avea capacități mari. Există trei familii de condensator electrolitic: condensatoare electrolitice cu aluminiu, condensatoare electrolitice cu tantal, și condenstoare electrolitice cu niobiu.
Capacitatea mare a condensatoarelor electrolitice le face deosebit de potrivite pentru trecerea sau ocolirea semnalelor de joasă frecvență, și pentru stocarea unor cantități mari de energie. Ele sunt utilizate pe scară largă ca și filtre de decuplarea sau de zgomot în surse de alimentare și circuite de curent continuu, pentru drivere cu frecvență variabilă, pentru cuplarea semnalelor între etaje de amplificare, și pentru stocarea energiei unui blitz.
Condensatorii electrolitici sunt componente polarizate datorită modului lor asimetric de construcție, și trebuie să fie alimentate tot timpul cu o tensiune mai mare (de exemplu, mai multe pozitiv) pe anod decât pe catod. Pentru acest motiv terminalul anod este marcat cu un semn plus și catodul cu un semn minus. Aplicarea unei tensiuni de polaritate inversă, sau a unei tensiuni care depășește valoarea maximă a tensiunii nominale de lucru cu mai mult de 1 sau 1,5 volți, poate distruge dielectricul și astfel condensatorul. Defectarea condensatoarelor electrolitice poatet fi periculoasă, rezultând într-o explozie sau un incendiu. Condensatoarele bipolare electrolitice (aka nepolarizate) pot fi alimentate oricum pentru că sunt construite special cu doi anozi conectați în serie.
Informații generale
Arborele condensatoarelor electrolitice Conform principiilor constructive de bază ale condensatoarelor electrolitice, există trei tipuri diferite: condensatoare cu aluminiu, cu tantal și cu niobiu. Fiecare dintre aceste trei familii de condensatoare utilizează electroliți lichid și solid de dioxid de mangan sau solid de polimer, deci este disponibilă o mare varietate de combinații diferite ale materialului anodic și de electrolit. alt=În funcție de natura metalului folosit ca anod și a electrolitului, există o mare varietate de condensatoare electrolitice|centru|miniatura|400x400px|În funcție de natura metalului folosit ca anod și a electrolitului, există o mare varietate de condensatoare electrolitice
Principiul de încărcare Ca și alte condensatoare convenționale, condensatoarele electrolitice stochează energie electrică statică prin separarea sarcinii electrice din câmpul electric din stratul de oxid dielectric dintre cei doi electrozi. Electrolitul lichid sau solid, este în principiu catodul, care formează cel de-al doilea electrod din condensator. Acest aspect precum și principiul de stocare le distinge de condensatoarele electrochimice sau supercondensatoarele, în care electrolitul reprezintă în general, conexiunea ionică conductoare între doi electrozi, iar stocarea apare static datorită capacitanței dublu-strat și pseudocapacitanței electrochimice.
Materiale de bază și principiul de formare alt=Principiul de bază al oxidării anodice (de formare), în care, prin aplicarea unei tensiuni cu o sursă de curent, un strat de oxid se formează pe un anod metalic|miniatura|Principiul de bază al oxidării anodice (de formare), în care, prin aplicarea unei tensiuni cu o sursă de curent, un strat de oxid se formează pe un anod metalic Condensatoarele electrolitice folosesc o caracteristică chimică a unor metale speciale, numite anterior "metale supapă", care în contact cu un electrolit special formează un strat izolator foarte subțire de oxid pe suprafața lor de oxidare anodică care poate funcționa ca un dielectric. Există trei metale anodice diferite ce se utilizează pentru condensatoarele electrolitice:
Condensatoare electrolitice de aluminiu folosesc folie de aluminiu de mare puritate, cu oxid de aluminiu ca și dielectric Condensatoare electrolitice cu tantal folosesc un pelete sinterizate ("melc") cu pulbere de tantal de înaltă puritate, și cu pentaoxid de tantal ca și dielectric Condensatoare electrolitice cu niobiu folosesc un "melc" sinterizat de niobiu de înaltă puritate sau de pulbere de oxid de niobiu de, cu pentaoxid de niobiu ca și dielectric.
Pentru a crește capacitatea pe unitatea de volum, toate materialele anodice sunt fie corodate sau sinterizate și au o suprafață rugoasă ce le asigură o suprafață totală mult mai mare în comparație cu o suprafață netedă, în aceeași zonă sau în același volum. Prin aplicarea unei tensiuni pozitive la anodul format din materialele mai sus-menționate într-o baie electrolitică, se va forma un strat de oxid cu o grosime corespunzătoare cu valoarea tensiunii aplicate. Acest strat de oxid acționează ca un dielectric într-un condensator electrolitic. Proprietățile acestor straturi de oxid sunt prezentate în tabelul următor:+ Caracteristicile diferitelor straturi de oxid de aluminiu, tantal și niobiu ale condensatoarelor electroliticeJ.L. Stevens, A.C. Geiculescu, T.F. Strange, Dielectric Aluminum Oxides: Nano-Structural Features and Composites PDF T. Kárník, AVX, NIOBIUM OXIDE FOR CAPACITOR MANUFACTURING , METAL 2008, 13. –15. 5. 2008, PDF Anod-material Dielectric Structura deOxidPermitivitaterelativă Tensiune de străpungere(V/µm) Grosime strat
electric(nm/V)AluminiuOxid de aluminiu Al2O3 amorf 9.6 710 1.4 cristalin 11.6...14.2Jeng-Kuei Chang, Chia-Mei Lin, Chi-Min Liao, Chih-Hsiung Chen, Wen-Ta Tsai, Journal of The Electrochemical Society, 2004. Effect of Heat-Treatment on Characteristics of Anodized Aluminum Oxide Formed in Ammonium Adipate Solution DOI: 10.1149/1.1646140 800...1000Th. F. Strange, T. R. Marshall, Very high volt oxide formation of aluminum for electrolytic capacitors, US Patent 6299752 B1, 9. Okt. 2001, 1.25 1.0...Tantal Pentaoxid de tantal Ta2O5 amorf 27 625 1.6Niobiu sauOxid de niobiu Pentaoxid de niobiu Nb2O5 amorf 41 400 2.5După formarea unui oxid dielectric pe structura anodică rugoasă, un contra-electrod trebuie să se potrivească cu suprafața durp a oxidului izolator. Acest lucru este realizat de către electrolit, care acționează în calitate de electrod catod al condensatorului electrolitic. Există multe tipuri diferite de electroliți în uz. În general, ele se disting în două specii, electrolit "lichid" și "solid". Ca mediu lichid, care are conductivitate ionică cauzată de deplasarea ionilor, electroliții lichizi se pot potrivi cu ușurință în structurile dure. Electroliții solizi care au conductibilitatea electronilor se pot potrivi cu structurile dure, cu ajutorul unor procese chimice speciale cum este cel de piroliză pentru dioxid de mangan sau de polimerizare pentru polimeri.
Prin compararea permitivității diferitelor materiale oxidice se vede că pentaoxidul de tantal are o permitivitate de aproximativ trei ori mai mare decât oxidul de aluminiu. Prin urmare condensatoare electrolitice cu tantal de o anumită valoare teoretică CV, sunt mai mici decât condensatoare electrolitice cu aluminiu. În practică, diferite marje de siguranță pentru a realiza componente fiabile, fac dificilă această comparație.
Stratul izolator de oxid generat la anod, se distruge la aplicarea unei tensiuni inverse..
Bazele produsului C/V alt=Un material dielectric este introdus între două conductoare plăci (electrozi), fiecare din zonele A și cu separarea d.|miniatura|Un material dielectric este introdus între două conductoare plăci (electrozi), fiecare din zonele A și cu separarea d. Fiecare condensator electrolitic formează în principiu un "condensator plat" a cărui capacitate este cu atât mai mare cu cât este mai mare electrodul A, mai mare permitivitatea ε, și mai subțire dielectricul (d).
Grosimea dielectricului condensatoarelor electrolitice este foarte mică, în intervalul nanometrilor pe volt. Pe de altă parte, tensiunea de străpungere a acestor straturi de oxid este destul de mare. Cu acest strat de oxid dielectric foarte subțire, combinat cu o valoare mare a tensiunii de străpungere a dielectricului, condensatoarele electrolitice pot obține o mare capacitanță volumetrică. Acesta este unul din motivele capacității mari a condensatoarelor electrolitice în comparație cu condensatoarele convenționale.
Toți anozii corodați sau sinterizați au o suprafață totală mult mai mare în comparație cu o suprafață netedă, din aceeași zonă sau din același volum. Aceasta mărește valoarea capacității, în funcție de tensiunea nominală, cu un factor de până la 200 de ori, pentru un condensator electrolitic din aluminiu cu electrolit lichid, precum și pentru cele cu tantal și electrolit solid.A. Albertsen, Jianghai Europe, Keep your distance – Voltage Proof of Electrolytic Capacitors, PDF I.Horacek, T.Zednicek, S.Zednicek, T.Karnik, J.Petrzilek, P.Jacisko, P.Gregorova, AVX, High CV Tantalum Capacitors - Challenges and Limitations Suprafața totală mare comparativ cu cea netedă, reprezintă al doilea motiv pentru valoarea relativ mare a condensatoarelor electrolitice, în comparație cu alte familii de condensatoare.
Toate condensatoarele electrolitice au un avantaj special. Deoarece tensiunea de formare definește grosimea stratului de oxid, tensiunea ulterioară de lucru a condensatorului electrolitic poate fi produsă foarte simplu la valoarea nominală dorită. Prin urmare, volumul unui condensator este definit prin produsul dintre capacitate și tensiune, așa-numitul " produs CV".
Construcția de bază a condensatorului electrolitic din aluminiu cu electrolit lichid
Construcția de bază condensatorului electrolitic din tantal cu electrolit solid
Istoric miniatura|Condensator electrolitic de capacitate mică din 1914. Acesta avea o capacitate de circa 2 µf. miniatura|Anodul unui condensator electrolitic din aluminiu "umed", Bell System Technique 1929
Origine Fenomenul care poate forma un strat de oxid de aluminiu și de alte metale precum tantal, niobiu, mangan, titan, zinc, cadmiu etc. printr-un proces electrochimic, și care blochează curentul electric care curge într-o direcție, dar permite curgerea acestuia în cealaltă direcție, a fost descoperit în 1875 de către cercetătorul și fondatorul francez Eugène Ducretet. El a inventat termenul de "valvă de metal" pentru astfel de metale.
Charles Pollak (născut Karol Pollak), un producător de acumulatori, a descoperit că stratul de oxid de pe un anod de aluminiu a rămas stabil într-un electrolit neutru sau alcalin, chiar și atunci când alimentarea a fost oprită. În 1896, el a depus un patent pentru un "Condensator electric lichid cu electrozi de aluminiu" (de: Elektrischer Flüssigkeitskondensator mit Aluminiumelektroden), bazat pe ideea de a folosi stratul de oxid într-un condensator polarizat în combinație cu un electrolit neutru sau ușor alcalin.Charles Pollack: D.R.P. 92564, filed 14. Januar 1896, granted 19. Mai 1897 D.R.P. 92564J. Both, Electrolytic capacitors, 1890 to 1925: early history and basic principle, Electrical Insulation Magazine, IEEE, Volume:31, Issue: 1, January–February 2015,
Condensatorul "umed" din aluminiu stanga|miniatura|Diverse forme istorice ale anodului pentru condensatoare umede. Pentru toți acești anozi vasul metalic exterior servește drept catod