Elektronika (nie tylko) dla informatyków (44) Kondensatory elektrolityczne – tajemnice

W poprzednim odcinku dowiedzieliśmy się, że duża pojemność elektrolitów jest okupiona istotnymi wadami. W tym wykładzie odkryjemy niektóre z tajemnic kondensatorów elektrolitycznych.

Koniecznie trzeba podkreślić, że podczas dłuższego przechowywania klasycznych, aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych, cieniuteńka warstewka dielektryka – tlenku glinu, stopniowo ulega drobnym uszkodzeniom. Po dołączeniu do takiego kondensatora do źródła napięcia zaczyna płynąć nieduży prąd stały. Zaczyna się wprawdzie proces powtórnego formowania i po czasie rzędu minut, czy najwyżej godzin, taki prąd upływu zmniejsza się do pomijalnej wartości.

Wszystko dobrze, tylko przez te pierwsze minuty, a nawet godziny po dołączeniu napięcia, „elektrolit” może nie spełnić swojej roli z uwagi na duży prąd upływu.

Dlatego w układach, gdzie wymagana jest niezawodność i pewność działania, kondensatory elektrolityczne muszą pozostawać pod napięciem stałym, wtedy w sposób ciągły następuje proces regeneracji, a upływność i pojemność mieszczą się w przewidzianych granicach. Natomiast jeśli popularny aluminiowy elektrolit w danym układzie pozostaje bez napięcia stałego albo napięcie na nim pojawia się bardzo rzadko, np. w systemach alarmowych podczas alarmu, to wtedy istnieje poważne ryzyko, że w krytycznym momencie taki „elektrolit” nie spełni swojego zadania. Mianowicie w stanie spoczynkowym, bez napięcia, przez miesiące i lata następuje stopniowa degeneracja warstewki dielektryka. Gdy pojawi się napięcie stałe, duża upływność spowoduje przepływ znaczącego prądu stałego i obwód na pewno nie zachowa się jak prawdziwy kondensator. Praktyka pokazuje, że początkujący często popełniają błąd, polegający na stosowaniu takich „zwykłych elektrolitów” w obwodach, gdzie napięcie stałe jest równe zeru. Warto zwracać uwagę na omówiony problem, by uniknąć w przyszłości przykrych niespodzianek.

Takie właściwości i działanie kondensatorów elektrolitycznych mają też inne konsekwencje, o których warto wiedzieć. Jak już wiesz, jony ujemne dochodzące do anody, czyli elektrody dodatniej, powodują powstawanie na jej powierzchni tlenku glinu. Jednak jeśli odwróci się biegunowość przyłożonego napięcia stałego, to porowata aluminiowa anoda staje się katodą. Wędrują teraz do niej lekkie (wodorowe) jony dodatnie, które bez problemu przedostają się przez warstwę tlenku, a po dołączeniu elektronu wydziela się gazowy wodór. Przepływ prądu w przeciwnym kierunku jest ułatwiony właśnie dzięki „wścibskości” małych i lekkich wodorowych jonów dodatnich. Płynący wtedy prąd stały może mieć dużą wartość, bowiem warstwa tlenku glinu nie jest znaczącą przeszkodą dla tych wścibskich jonów dodatnich, a wydzielający się gazowy wodór dodatkowo niszczy istniejącą już warstwę tlenku. Kondensator elektrolityczny ulegnie uszkodzeniu wskutek rozerwania obudowy, spowodowanej przez wydzielający się wodór.

Zauważ, że w kondensatorze elektrolitycznym de facto występuje zjawisko jednokierunkowego przewodzenia prądu, podobnie jak w diodzie. Dlatego na schematach zastępczych kondensatorów elektrolitycznych pojawia się symbol diody. Można spotkać schematy zastępcze (modele) „elektrolitów” bez diody, w postaci jak na rysunku 1a. Rezystancja ESR to rezystancja szeregowa, będąca główną przyczyną strat mocy. L_S to pasożytnicza szeregowa indukcyjność. Rezystancja R_P reprezentuje upływność kondensatora – w innych rodzajach kondensatorów jest praktycznie nieskończenie wielka, a w „elektrolitach” jej wartość może być stosunkowo mała, zwłaszcza po pierwszym dołączeniu napięcia. W kondensatorze dołączonym do napięcia stałego prąd upływu z czasem się stopniowo zmniejsza, bo regeneruje się warstwa tlenku, czyli rezystancja zastępcza R_P rośnie.

Można też spotkać wersje schematu zastępczego z diodą, jak na rysunku 1b, z dwoma pojemnościami składowymi (rysunek 1c) i z diodą Zenera o napięciu przebicia wyższym od napięcia nominalnego kondensatora (rysunek 1d). Użycie symbolu diody Zenera odzwierciedla fakt, że po zwiększeniu napięcia o prawidłowej biegunowości powyżej napięcia nominalnego, rozpoczyna się proces ponownego formowania, kiedy to płynie duży prąd (jonowy), zwiększa się grubość warstwy tlenku i wydziela się gazowy wodór. Charakterystyka prądowo-napięciowa kondensatora elektrolitycznego naprawdę przypomina charakterystykę diody Zenera – rysunek 2.

Dociekliwi Czytelnicy zapewne zauważą, że po odwróceniu biegunowości przyłożonego napięcia rolę anody zacznie pełnić druga aluminiowa elektroda. Rzeczywiście, jednak ta druga elektroda, pełniąca wcześniej rolę doprowadzenia do płynnej katody, nie była uformowana i pokryta była jedynie naturalną cieniutką warstwą tlenku (w niektórych kondensatorach wyraźnie widać, że folia katodowa jest gładka, jasna i błyszcząca). Przy dołączeniu elektrolita do źródła napięcia o przeciwnej biegunowości i dużej wydajności prądowej zacznie się proces formowania nowej anody, nastąpi przepływ dużego „odwrotnego” prądu i zacznie narastać warstwa izolacyjnego tlenku na gładkiej folii katodowej, ale zanim zdąży ona narosnąć i ograniczyć prąd, wcześniej kondensator… eksploduje!

Wielu elektroników przekonało się o tym, odwrotnie wlutowując elektrolita w układ. Stare duże kondensatory tego rodzaju dla zmniejszenia ryzyka wybuchu miały specjalny korek (fotografia 3).

Natomiast małe dość często mają na górze obudowy osłabienie obudowy w postaci krzyżyka lub gwiazdki (fotografia 4), by nadmierne wydzielanie wodoru nie spowodowało eksplozji, a co najwyżej łagodne rozszczelnienie w tym właśnie osłabionym miejscu. Pomimo takich zabezpieczeń zdarza się, i może to potwierdzić wielu hobbystów, że odwrotnie włączone „elektrolity” potrafią wybuchać z dużym hukiem, dymem i nieprzyjemnym zapachem. Dlatego podczas pierwszego włączenia układu należy odsunąć się i odwrócić od układu, by obudowa odwrotnie wlutowanego, wybuchającego kondensatora nie trafiła w oko.

Proszę Cię jednak, nie sprawdzaj, jak wybuchają kondensatory!

Z podanych właśnie informacji możesz natomiast wyciągnąć kilka dalszych interesujących wniosków.

Pamiętaj, że uszkodzenie kondensatora elektrolitycznego podwyższonym napięciem nie jest spowodowane przebiciem warstwy tlenku, tylko powtórnym rozpoczęciem procesu formowania, związanego nieodłącznie z wydzielaniem gazu, który w końcu powoduje eksplozję kondensatora.

Być może słyszałeś, że kondensatory mogą się przeformować na inne napięcie – jest to częściowo prawda. Kondensator pozostawiony pod napięciem, nieco większym od nominalnego, stopniowo przeformuje się na to napięcie… pod warunkiem że wcześniej nie wybuchnie. Przy takim formowaniu, rosnąca warstwa tlenku powoduje jednak znaczący spadek pojemności. Nie polecam takiej metody „ulepszania” kondensatorów.

Może też słyszałeś o problemie wysychania „elektrolitów”. Ciekły elektrolit może odparować i stopniowo ulotnić się na zewnątrz. Jeśli obudowa kondensatora nie będzie szczelna, wzrost temperatury i podwyższone ciśnienie, związane z normalnym grzaniem podczas pracy, mogą spowodować utratę elektrolitu i z kondensatora elektrolitycznego w ciągu kilku lat zrobi się stopniowo dobry kondensator… powietrzny, tyle że o pojemności kilkudziesięciu pikofaradów. Dlatego niech nie przyjdzie Ci do głowy pomysł, żeby zabezpieczyć i odpowietrzyć elektrolita przez wywiercenie w obudowie maleńkiej dziurki. Wprawdzie dziś problem wysychania jest zdecydowanie mniejszy niż wiele lat temu, niemniej trzeba wiedzieć, że często regeneracja starszego sprzętu polega właśnie na wymianie wszystkich kondensatorów elektrolitycznych na nowe.

Warto pamiętać, że w przypadku popularnych aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych jeden problem to wzrost upływności związany z degeneracją cienkiej warstwy tlenku (przy czym pojemność wtedy nie maleje, a może nawet wzrastać). Drugi problem to wysychanie elektrolitu, które oznacza stopniowe, nieodwracalne zmniejszanie pojemności.

Kondensatory elektrolityczne bipolarne

Niektórzy elektronicy przekonali się, zwykle przypadkiem, że odwrotne włączenie elektrolitu do niewielkiego napięcia stałego nie musi kończyć się wybuchem, a niekiedy układ pracuje zupełnie normalnie.

Nie jest do końca prawdą opinia, że elektrolityczne kondensatory aluminiowe nie mogą pracować przy odwrotnej biegunowości przyłożonego napięcia. W takiej nienormalnej sytuacji należy się jednak liczyć ze zwiększonymi prądami upływu. Z wcześniejszego opisu wynika, że „elektrolity” mogą pracować przy napięciach, które nie spowodują formowania folii katodowej (i nieodłącznego gazowania). Dlatego niektóre katalogi podają dopuszczalne stałe napięcie wsteczne równe 2 V, jednak absolutnie bezpieczną wartością wydaje się napięcie 1 V. Napięcie to wynika choćby z grubości istniejącej, naturalnej warstwy tlenku na powierzchni folii katodowej.

Także jeżeli napięcie wsteczne niewiele przekracza wspomniane 1…2 V, to katoda stanie się anodą, nastąpi stopniowy proces jej formowania, stosunkowo szybko narośnie warstwa tlenku, ograniczy prąd, a niewielka ilość wytworzonego wodoru nie doprowadzi do rozerwania obudowy. Tak przeformowany „elektrolit” może prawidłowo i bezawaryjnie pracować przez długie lata przy niewysokim „odwrotnym” napięciu.

A jeśli tak, to nasuwa się pytanie: czy można w procesie produkcji wytrawić i uformować obie folie aluminiowe?

Dobra myśl! Wtedy przy danej biegunowości rolę anody pełniłaby jedna z elektrod, a po zmianie biegunowości – druga! Może Cię zaskoczę – takie kondensatory są produkowane – są to kondensatory elektrolityczne bipolarne, zwane też niebiegunowymi. Mogą one pracować bez ograniczeń przy napięciu zmiennym bez składowej stałej. Są stosowane na przykład jako kondensatory rozruchowe do jednofazowych silników indukcyjnych (fotografia 5).

Dostępne są też mniejsze kondensatory bipolarne (fotografia 6).

Jednak popularne „elektrolity” nie są wykonywane w ten sposób. Powody są przynajmniej dwa: kondensatory niebiegunowe mają zdecydowanie większy prąd upływu, a przy danych rozmiarach ich pojemność jest około dwukrotnie mniejsza niż odpowiednich kondensatorów bipolarnych. Wynika to z szeregowego połączenia pojemności obu okładek. Wskazuje na to uproszczony schemat zastępczy z rysunku 7, a także z wcześniejszego rysunku 1c.

Co prawda w zwykłych kondensatorach biegunowych pojemność jest tak samo wypadkową wspomnianych dwóch pojemności (rysunek 1c), jednak z uwagi na znikomą grubość warstwy tlenku na ujemnej okładce, a tym samym dużą pojemność i łatwość przebicia, wypadkowe właściwości określa pojemność C_A, związana z anodą. Natomiast w kondensatorach bipolarnych obie elektrody mają jednakowe właściwości. Ogólnie biorąc, kondensatory elektrolityczne bipolarne mają bardzo słabe parametry i są wykorzystywane tylko w mniej wymagających zastosowaniach.

Warto jednak wiedzieć, że kondensator niebiegunowy można samodzielnie zrobić w prosty sposób, przez przeciwsobne połączenie szeregowe dwóch jednakowych kondensatorów biegunowych (katoda do katody, według rysunku 8).

Pojemność takiego zestawu jest równa połowie pojemności jednego kondensatora.

Inne „elektrolity” aluminiowe

W popularnych kondensatorach aluminiowych, elektrolitem i prawdziwą katodą jest ciecz. Właściwości elektrolitu znacząco wpływają na finalne właściwości kondensatora, dlatego od lat poszukiwano jak najlepszych elektrolitów. Istotną właściwością elektrolitu musi być mała lepkość, by elektrolit wniknął także w najmniejsze pory anody, ale z drugiej strony powinien jak najwolniej odparowywać. Oprócz tego musi mieć szereg innych właściwości, w tym dobrą przewodność elektryczną, ale też np. małą palność, zdolność do pracy w szerokim zakresie temperatur i stabilność parametrów w czasie.

Dawniej w kondensatorach aluminiowych stosowano elektrolity, zawierające związki boru i cukry (glikol etylenowy). Stosowano i stosuje się elektrolity ciekłe na bazie różnych kwasów organicznych i nieorganicznych, a także pochodne amoniaku. Poszukiwania coraz lepszych elektrolitów doprowadziły do tego, że skład elektrolitu jest pilnie strzeżoną tajemnicą producentów. Niektóre elektrolity mogą być żrące lub toksyczne, dlatego nie należy rozbierać kondensatorów elektrolitycznych.

Oprócz elektrolitów w postaci płynnej, stosowane są też elektrolity, które po wniknięciu w pory trawionej anody przybierają postać stałą.

Od dość dawna znaną, ale rzadko spotykaną odmianą są kondensatory aluminiowe stałe, w firmowych katalogach oznaczane solid aluminium capacitors. Fotografia 9 pokazuje taki kondensator z dostępnej do dziś serii 123 SAL-A o dużej żywotności i temperaturze pracy do +200 °C.

Od popularnych mokrych różnią się one elektrolitem, czyli materiałem katody. Elektrodą dodatnią, anodą, nadal jest trawiona folia aluminiowa, a dielektrykiem też jest warstewka tlenku glinu (Al₂O₃). Natomiast katodę stanowi tam dwutlenek manganu (MnO₂) w postaci stałej. Dwutlenek manganu ma znacznie lepszą przewodność od elektrolitów ciekłych, co pozwala zmniejszyć szkodliwą rezystancję szeregową ESR. Ponieważ nie ma wtedy ciekłego elektrolitu, nie ma też ruchomych jonów w roli nośników prądu. Teoretycznie więc kondensatory takie mogłyby pracować przy dowolnej biegunowości napięcia stałego. Jednak ze względu na obecność choćby śladów wilgoci i związane z tym ryzyko wystąpienia przewodnictwa jonowego niszczącego dielektryk, zaleca się polaryzowanie tych kondensatorów odpowiednim napięciem stałym.

Dwutlenek manganu jest lepszy od ciekłych elektrolitów, ale też nie jest idealny. W poszukiwaniu elektrolitu bliskiego ideału wykorzystuje się różne odmiany soli, zwanej TCNQ (7,7,8,8-tetracyanoquinodimethan) oraz rozmaite przewodzące polimery.

Od pewnego czasu na rynku obecne są kondensatory aluminiowe z elektrolitem polimerowym. Nazywane są często kondensatorami polimerowymi. Ich budowa jest dokładnie taka, jak wspomnianych właśnie kondensatorów ze stałym elektrolitem. Górna część Fotografii 10 przedstawia miniaturowe aluminiowe kondensatory polimerowe SMD Panasonic SP-Cap (Specialty Polymer Aluminum Electrolytic Capacitors). Ich wewnętrzna budowa pokazana jest na rysunku w dolnej części fotografii 10. Porowata powierzchnia paska trawionej, utlenionej folii aluminiowej wypełniona jest cieniutką warstewką polimeru, który stanowi właściwą katodę. Na nią przychodzi cienka warstewka węgla (grafitu) i pasty srebrnej, co stanowi doprowadzenie prądu do katody.

Fotografia 11 też przedstawia kondensatory polimerowe Panasonic w obudowach takich, jak klasyczne elektrolity aluminiowe SMD oraz kondensaotry polimerowe MuRata. Ciekawostką jest fakt, że firma MuRata, znana z rozmaitych elementów ceramicznych, jako jedyne elementy nieceramiczne produkuje właśnie aluminiowe kondensatory polimerowe.

Generalnie kondensatory polimerowe mają właściwości dużo lepsze od klasycznych aluminiowych „elektrolitów”. Te lepsze właściwości wynikają głównie z większej przewodności (nawet 100…1000-krotnie większej od klasycznych ciekłych elektrolitów), a także z innych korzystnych cech użytego polimeru.

W następnym wykładzie omówimy kondensatory tantalowe i niobowe.

Piotr Górecki