Электролитические конденсаторы в силовой электронике и наиболее популярные типы конденсаторов сегодня. Алюминиевые электролитические конденсаторы – особенности, преимущества, недостатки.
Конденсаторы используются во многих областях силовой электроники, в том числе для аккумулирования энергии, коррекции коэффициента мощности, регулирования выходного напряжения импульсных источников питания, запуска и работы электродвигателей, фильтрации (в качестве компонентов фильтров) гармоник статических преобразователей и т.д. Наряду с этим, существуют различные типы конденсаторов, отвечающие разным электрическим, тепловым и механическим ограничениям, связанным с их использованием. Более того, каждый конденсатор должен соответствовать определенным критериям, таким как емкость, напряжение, размер, что в совокупности определило на сегодняшний день развитие трех основных конструктивных сегментов конденсаторов – керамические, пленочные и электролитические. Причем правильный выбор конденсатора для системы может быть очень важным, потому что в большинстве случаев конденсатор является «узким» местом – причиной отказов и сбоев в работе силового оборудования. Так, например, на практике надежность силовых электронных преобразователей определяется частотой отказов конденсаторов, как правило, звеньев постоянного тока, а сам тип преобразователя во многом обуславливает и выбор типа конденсатора
Электролитические конденсаторы состоят из двух электродов (анода и катода) и электролита, пленочный оксидный слой выступает в качестве диэлектрика. Электролитический конденсатор – поляризованный, роль анода в нем чаще всего играет алюминиевый сплав, на поверхности которого образуется оксидный слой-диэлектрик благодаря электрохимическим принципам, которые ограничивают использование обратного напряжения (т.е. чтобы поддерживать стабильность оксида, напряжение на плюсовой клемме всегда должно быть выше напряжения на отрицательной).
Действительно обратное напряжение вызовет химическую реакцию (восстановление оксида и выделение газообразного водорода – дигидрогена, существенно увеличивающего внутреннее давление, приводящее к взрыву), разрушая диэлектрик на аноде, что ведет к короткому замыканию.
Электролит представляет собой жидкость или полимер, содержащий высокую концентрацию любого типа ионов, хотя, как правило, некоторые ионы предпочтительны для стабильности электролита. Существуют смеси электролита с полимерами, которые обеспечивают лучшее состояние проводимости и стабильности, но в целом сегодня наиболее «ходовыми», востребованными стали алюминиевые, танталовые и ниобиевые конденсаторы.
Алюминиевые электролитические конденсаторы – особенности, преимущества, недостатки.
Теоретически конденсатор имеет КПД более 95% и может работать более одного миллионов циклов заряда и разряда в течение всего срока службы, а повышение емкости возможно, как за счет увеличения площади электродов, так и изменением относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика и его толщины. Благодаря большой поверхности электрода и оксидному слою толщиной менее 1500 нм электролитические конденсаторы имеют удельную емкость, которая значительно больше, чем у всех остальных типов конденсаторов.
Алюминиевые электролитические конденсаторы имеют более высокий объемный КПД за счет значительно меньшей минимальной толщины диэлектрика, чем все остальные, однако им характерны высокое внутреннее сопротивление и индуктивность, вызывающие (условно) ограничение высокочастотных характеристик и низкотемпературной стабильности.
Конденсаторы выпускают различных размеров (варьируются от 3 мм до 90 мм в диаметре и от 5 мм до 210 мм в высоту), а благодаря своему диапазону номинальных напряжений и емкостей алюминиевые электролитические конденсаторы сегодня лидируют по спросу на рынке.
Этот тип конденсатора обеспечивает высокую удельную мощность, рабочую температуру до 150°C, хорошую стабильность и длительный срок службы (теоретически – около 15 лет при температуре 65 °C), они менее дорогие, чем танталовые, ниобиевые не только из-за используемых материалов, но и из-за производственного процесса. Однако такие конденсаторы имеют значительную утечку тока, высокую чувствительность к обратной полярности, к электролитам предъявляются очень жесткие требования по проводимости, химической стабильности, высоким температурам вспышки/воспламеняемости, химической совместимости (например, с тем же алюминием) и экологичности.
В следующем материале цикла продолжают рассматриваться особенности алюминиевых, а также танталовых и ниобиевых конденсаторов.
