Анодирование. Электролитические конденсаторы
Анодным материалом в электролитических конденсаторах является фольга из чистого 99,99 % алюминия толщиной 85-100 микрон. Раньше (а иногда и сейчас) использовался алюминий с чистотой 99,8 %. Электролитом является раствор борной кислоты, с буферированным декагидратом тетрабората натрия или боратом аммония с почти нейтральным уровнем рН. Состав его зависит от электрического напряжения в процессе или от функции анодируемого изделия.
Во процессе анодирования с целью создания покрытия барьерного типа, после того, как было достигнуто необходимое электрическое напряжение, которое может варьироваться от 3 до 650 вольт, воздействие тока резко снижается, так как образуется изоляционный слой, и экспоненциально падает на протяжении всего периода, который необходим для образования окончательного устойчивого тока утечки, не более нескольких микроампер на см,2 который является электронным и не оказывает влияние на образующееся покрытие.
Конденсатор состоит из двух параллельных металлических пластин, разделенных диэлектрическим или изоляционным слоем. Электрическая емкость системы в абсолютных единицах выражается по формуле C = KA/4EπD, где А – площадь, K – диэлектрическая проницаемость, D – расстояние между пластинами. В случае с электролитическим конденсатором D обозначает толщину анодного слоя, одна пластина представляет собой алюминиевый анод, другая – электролит, хотя, конечно же, должна присутствовать и катодная пластинка для того, чтобы замкнуть цепь. Существует несколько причин очень большой емкости, получаемой при использовании электролитических веществ. Во-первых, всего лишь при 14 А/В (1,4 н/м), когда образуется 500-вольтовое покрытие толщиной 0,7 микрон, толщина становится на два порядка ниже, чем у любого другого альтернативного бумажного или пластмассового изолятора, что не позволяет ему оказывать сопротивление тому же электрическому напряжению. При работе с низком напряжении величины D настолько малы, что они не могли бы быть образованными каким-то другим способом. Так как D находится в знаменателе, то емкость действительно может оказаться очень большой. Во-вторых, покрытие оксида алюминия обладает очень высокой диэлектрической проницаемостью в районе 8-10, что является его немалым преимуществом. В-третьих, путем травления анода можно 10 кратно увеличить емкость. В результате электролитический конденсатор может быть микроскопических размеров в сравнении с размером и весом бумажного или пластмассового эквивалентов.
Впервые электролитические конденсаторы были применены в начале 1930-х гг. Изначально жидкостный электролитический конденсатор представлял собой свинцовую или алюминиевую емкость с водным электролитом и свободно скрученной в спираль анодной фольгой, а также изоляционным материалом, чтобы предотвратить утечку раствора. Естественная способность этой миниатюрной ванны для анодирования к самовосстановлению обеспечила высокую надежность этих компонентов. Так называемые сухие оксидные конденсаторы были введены в эксплуатацию несколько лет спустя. В этих конденсаторах электролит представлял собой вязкий раствор борной кислоты в глицерине или этиленгликоле. Конструкция представляла собой трехслойный композитный материал, где полоска пористой бумаги находилась в жидком электролите между анодной пластиной и вспомогательной плоской катодной фольгой. Этот набор скручивался и помещался в металлическую или картонную тару с внешним соединением. Получение таких конденсаторов было описано Джексоном, Морлейем и Бернаром.
Использование протравленных анодов впервые было начато в 1945. Процедура травления в хлориде натрия описана на странице 194. Для конденсаторов высокого напряжения первоначальное увеличение площади поверхности было 4-5 кратным, сейчас достигает до 10-кратного, а для конденсаторов низкого напряжения, широко используемых в транзисторных схемах, увеличение площади поверхности может быть еще интенсивнее. Так, стоило лишь убрать 30 % веса фольги, и новые технологии позволили человеку высадиться на Луне. В единицах системы МКСА площадь (А) измеряется в см2, D = 14 A/V, K = 8, емкость (С) измеряется в микрофарадах = 505 А/В. Во время процесса образования анодной пленки соблюдается пропорция С = 1/В. Это означает, что для образования покрытия при 10В емкость будет в 50 раз больше, чем для 500В. Очевидно, что выгоднее применять более низкое напряжение, в соответствии с назначением изделия. В наше время схемы низкого напряжения, конденсаторы, имеющие огромное значение, могут достигать миниатюрных размеров. В 1969 году японский разработчик Нитсуко создал конденсатор емкостью 1 F (1000000 микрофарад).
Недостатки электролитических веществ и требования к их использованию:
(a) Следует строго соблюдать полярность и поддерживать на изделии электрическое напряжение;
(b) Имеется небольшой, но продолжительный остаточный ток утечки;
(c) Не следует превышать установленное рабочее напряжение;
(d) Перед включением изделие подлежит проверке, так как после периода простоя диэлектрический слой подлежит повторному формированию;
(e) Когда изделие не используется, происходит медленное разрушение, что обеспечивает бóльшую нагрузку на приборы электропитания в течение периода восстановления после включения;
(f) Срок годности при хранении ограничен до двух лет, после чего использование изделия не безопасно;
(g) Производить вещества необходимо из материалов высокого качества и в лабораторных условиях.
Однако ни один из этих факторов не помешал использовать электролитические конденсаторы миллионам людей. Изначально использовалась, в основном, 99,8 % фольга, но в 1950 году начали применять 99,9 % фольгу, которая практически заменила материал более низкого качества, за исключением стран, где существуют ограничения на импорт. Ток утечки был сокращен до 1/3 от показателей 99,8 % анодов, увеличилось время восстановления, срок годности при хранении увеличился в 2-3 раза. Позже, с добавлением в состав фольги высокого качества особых элементов, были улучшены свойства конденсаторов. На настоящий момент существуют описания применения добавок In или Cd, Pb или Bi, Ga, Ti, Ti и B, V, Cu, Cu и Sn, Mn, Cr и Ca.
Обычной практикой, используемой в настоящее время, является предварительное образование фольги в длительном процессе с использованием горячего электролита, содержащего примерно 10 % борной кислоты, при температуре 95-100°С и высокой плотности тока. Фольга вводится в раствор с учетом электрического напряжения и с определенной скоростью, в зависимости от технических требований прибора. Окончательное образование и выдержка компонента может занять до трех недель при рабочем электрическом напряжении на 10 % больше зарегистрированного. Использование нежидкостного электролита, применяемого в конденсаторе, требует тщательного приготовления, так как гликоль и борная кислота образуют сложный эфир в реакции с водой как с одним из компонентов. Поэтому необходимо сократить содержание воды путем длительного кипячения, до тех пор, пока точка кипения не достигнет установленного уровня. Трещины на тонкой пленке, образовавшиеся во время сборки конденсатора, нейтрализуются оксидом во время использования благодаря присутствующему в конденсаторе электролиту. Для жидкостных конденсаторов необходимо использовать борную кислоту особого качества (SO), приготовленную путем тройной рекристаллизации, и очищенную воду. Черч доказал, что влияние хлорида можно проследить в 1/100000000 части. Его метод заключался в исследовании сухой кромки при напылении тонкого алюминиевого слоя на оксид, а затем в подсчете числа разрушений на слабых участках при увеличении электрического напряжения. Каждый такой участок изолируется в результате образования электрической дуги.. Влияние хлоридов на образование электролита было также изучено Шарпом и Панитцем, а также Надкарни с сотрудниками.
Увеличившиеся запросы производителей электронных деталей привели к изменениям в производстве электролитов, и сейчас вместо борно-гликольной смеси используется электролит, в основе которого лежит диметилформамидный раствор (ДМФ). Использование этого материала расширяет температурный диапазон конденсаторов от -55°С до +125°С, что позволяет применять их в тех случаях, в которых его нельзя было использовать при использовании борно-гликольных электролитов.
Было выдано множество патентов, обусловленных выбором подходящих видов электролита, и были предложены смеси ДМФ, содержащие такие компоненты, как адипиновая кислота, трифторуксусная кислота, малеиновая кислота, салициловая кислота, лимонная кислота, винная кислота и муравьиная кислота. В любом случае они должны раствориться, чтобы получились токопроводящие растворы, и обладать по крайней мере ограниченной способностью образовывать барьерные оксиды в тех случаях, когда необходимо восстановление диэлектрического вещества, а также сопротивляемостью сильным полям, как и положено электролитам.
Чтобы преодолеть эти ограничения были разработаны более сложные методы образования барьерного покрытия. Они включают предварительное образование водного оксида, зачастую путем помещения фольги в кипящую воду, а затем стандартное анодирование в борной кислоте. Образовавшееся сложное покрытие состоит из слоя псевдобемита на внешней поверхности, который обезвоживается во время анодирования и включается в состав стандартного покрытия внизу. Природу такого сложного покрытия, которое, как считается, увеличивает емкость фольги, исследовали Альвитт и Бернар и Кудо и Альвитт. Они также подтверждают, что псевдобемит обладает способностью к обезвоживанию, превращаясь в оксид алюминия. Однако в то же время, они обнаружили, что такие сложные оксиды имеют пустоты, которые могут занимать 5 % объема барьерного покрытия. Эти пустоты приводят к электрической нестабильности, что может вызвать снижение способности диэлектрического покрытия противостоять сильному электрическому полю. Однако это можно исправить путем обработки анодированной фольги в горячей дистиллированной воде, а затем повторного анодирования при изначальном электрическом напряжении. Реакция воды и оксида значительно увеличивает полную релаксацию диэлектрика, что приводит к повторному анодированию с образованием стабильного оксида. Этот процесс был описан Бернаром и Расселлом
Алюминий покрывается жидким оксидным слоем путем погружения на непродолжительное время (обычно 5-10 минут) в кипящую воду, а затем анодируется при электрическом напряжении в несколько сот вольт в жидкостном борном электролите. Если анодная фольга находится несколько минут при постоянном электрическом потенциале (VA), электрический ток (ID) уменьшается до небольшой доли тока анодирования (IA), демонстрируя нормальный режим работы стабильного анодного оксида.
Однако, если фольгу убрать из электролита, обработать в кипящей воде в течение, скажем, 2 минут и вернуть в ванну для анодирования с применением того же электрического тока (ID), зарегистрированного на конечном этапе образования оксида, первоначальное барьерное напряжение будет близко к нулю. В этом случае понадобится значительный электрический заряд, порядка нескольких процентов заряда при анодировании, чтобы анодный элемент мог сопротивляться изначальному электрическому напряжению анодирования. Дайер и Альвитт, изучая схожие воздействия, пришли к выводу, что электрическая нестабильность сложного оксидного покрытия является его внутренним свойством, обусловленным присутствием внутренних полостей, в которые может попадать вода, когда исчезает формационное поле. При повторном анодировании полости заполняются барьерным оксидом, и покрытие стабилизируется.
Pages: 1 2
Загрузка ...