Электролиты, травление электродов и особенности конструкции алюминиевых электролитических конденсаторов. Самовосстановление алюминиевых электролитических конденсаторов.
Как было показано в предыдущем материале цикла материалов по конденсаторам для силовой электроники одним из основных компонентов алюминиевых электролитических конденсаторов является электролит, который обеспечивает «трансфер» ионов между катодом и анодом, и должен быть очень хорошим проводником в широком диапазоне температур. На текущий момент выделяют 3 основных группы электролитов для алюминиевых электролитических конденсаторов:
- электролиты на основе борной или бензойной кислоты, растворенной в этиленгликоле или глицерине и воде.
Эти растворы уже стали «стандартными» электролитами, которые уже давно используются из-за их низкой стоимости, имеют содержание воды от 5 до 20%, применяются для конденсаторов с пороговой рабочей температурой 85 °C и даже 105 °C во всем диапазоне напряжений до 500 В. Однако в этих электролитах происходит нежелательная химическая реакция, при которой кислота со спиртом дает сложный эфир и воду, что провоцирует деградацию электролита и коррозионные процессы на электродах из алюминиевого сплава;
- безводные электролиты на основе органических растворителей, таких как диметилформамид (dimethylformamide – DMF), γ-бутиролактон (γ-butyrolactone – GBL) или диметилацетамид (dimethylacetamide – DMA).
Эти электролиты с органическим растворителем подходят для температурных диапазонов до 150 °C, имеют низкие значения токов утечки и устойчивость к старению (деградации). Лучшие характеристики имеют электролиты на базе DMА и GBL, но они дороже электролитов на основе диметилформамида, который в свою очередь является канцерогеном и может быть вредным для здоровья людей;
- электролиты на водной основе (с высоким содержанием воды – до 70%), используемые в алюминиевых электрических конденсаторах с номинальным напряжением до 100 В для получения низкого импеданса, низкого ESR при сравнительно небольшой стоимости.
Для повышения емкости без увеличения габаритов используют контролируемое травление электродов с помощью «маски», которую затем удаляют, а для травления применяют фосфорную кислоту (H3PO4), уксусную и азотную кислоты (HNO3). Толщина оксидного слоя (от нескольких нм до нескольких сотен нм) и травление алюминиевой фольги анода (позволяющее увеличить эффективную поверхность в 20–200 раз), в совокупности с жидким электролитом дает возможность выйти на значительные показатели емкости.
Между катодом и анодом помещают специальную конденсаторную бумагу, которая служит физическим сепаратором, ограничивающим риск коротких замыканий между двумя электродами, но если тонкий слой Al2O3 (оксид алюминия) на катоде образуется в результате естественного окисления алюминия, что ограничивает коррозию, то слой оксида алюминия на аноде, образуется во время изготовления конденсатора в результате приложения потенциала и согласно уравнению 2(𝐴𝑙3+) + 3𝐻2𝑂→𝐴𝑙2𝑂3+6𝐻+.
Самовосстановление алюминиевых электролитических конденсаторов
Электролитические конденсаторы имеют специфическую особенность – постоянный ток утечки из-за несовершенства диэлектрика и химических процессов, происходящих при хранении и/или во время, когда нет приложенного напряжения. Для того, чтобы резко снизить ток утечки конденсатора сегодня используют способ кратковременной подачи фиксированного напряжения на конденсаторы, запускающий электрохимическую реакцию, которая приводит к естественному окислению алюминиевого сплава, протекает даже при незначительных дефектах диэлектрика и регенерирует слой оксида алюминия.
Этот способ называют «самовосстановлением» электролитического конденсатора, но процесс не следует путать с «самовосстановлением» диэлектрика пленочных металлизированных конденсаторов после локального пробоя. При «самовосстановлении» электролитических конденсаторов ток утечки падает уже в течение первых минут подачи напряжения, отражая регенерацию диэлектрического слоя, обусловленную окислительно-восстановительными реакциями, а время, необходимое для «самовосстановления» зависит от типа электролита.
После того, как диэлектрический слой полностью регенерирует (обычно в течение нескольких минут), ток утечки стремится к стабильному номинальному значению, а если это не происходит, то значит в конструкции есть необратимые повреждения.
