Электролитический конденсатор

 

Использование: в радиоэлектронной технике, в частности в конструкции электролитических конденсаторов (ЭК). Сущность изобретения: ЭК содержит оксидированный анод и катод, раделенные пористой полимерной прокладкой и помещенные в электролит. Поры прокладки выполнены цилиндрическими или коническими, их геометрические оси составляют с перпендикуляром к поверхности прокладки углы, меньшие или равные 30^o, а суммарная площадь поверхности прокладки, занимаемая порами, S_пор, см², выбрана из соотношения S_пор = (0,03 - 0,30)S_прокл, где S_прокл - площадь поверхности прокладки, см². Такая конструкция ЭК позволяет уменьшить его эквивалентное сопротивление и увеличить его емкость. 2 ил.

Изобретение относится к радиоэлектронной технике и может быть использовано в производстве электролитических фольговых конденсаторов.

Известен электролитический фольговый конденсатор, содержащий оксидированный анод и катод, разделенные пористой прокладкой и помещенные в электролит, в котором прокладка выполнена из целлюлозной бумаги.

Использование этого материала для изготовления прокладки не может быть признано оптимальным по ряду причин. Прочностные свойства бумажных прокладок таковы, что приходится использовать достаточно толстые прокладки, в результате чего объем прокладочного материала в типичных конструкциях составляет ≈ 65% объема конденсатора, существенно ограничивая его удельную емкость.

Использование бумажных прокладок предопределяет выбор нейтральных рабочих электролитов, которые обладают большим удельным сопротивлением. В сочетании с толстой бумажной прокладкой, пропитанной электролитом, это приводит к большим последовательным сопротивления R_s. Для оксидного электролитического конденсатора R_s= R+ (1) где R сопротивление прокладки, пропитанной электролитом, Ом; tg δ_ox тангенс угла диэлектрических потерь оксидного диэлектрика (обычно tg δ_ox ≈ 0,01); ω- циклическая частота, рад ˙с^-1; С_ох емкость оксидного диэлектрика, Ф. При его малой толщине и большой диэлектрической постоянной С_ох ≈ 1-10³ мкФ.

Из выражения (1) следует, что R_s в области звуковых и более высоких частот определяется сопротивлением прокладки, пропитанной рабочим электролитом, которое определяется соотношением R ρ φ (2) где ρ удельное сопротивление электролита, Ом ˙см; Δ толщина прокладки, см; S площадь прокладки, см²; Φ- коэффициент электрического сопротивления.

В связи с тем, что коэффициент Φ зависит от толщины прокладки, информативным для величины R является произведение Δ,Φ, которое определяется материалом и особенностями структуры пор прокладки. При этом следует отметить нетехнологичность тонких бумажных прокладок из-за плохих прочностных характеристик и ограничений по применению электролитов только нейтрального состава. Перечисленные недостатки влияют на стабильность рабочих электрических параметров конденсатора и его надежность.

Известен электролитический конденсатор, принятый за прототип, включающий оксидированный анод и катод, разделенные прокладкой, выполненной из пористого полипропилена, помещенные в электролит.

Применение прокладки из пористого полимерного материала позволяет использовать кислые электролиты, обладающие малым удельным сопротивлением ρ по сравнению с нейтральными. Однако наличие пор самой разнообразной формы, образованных нитевидными полипропиленовыми волокнами, не позволяет значительно уменьшить толщину прокладки, а следовательно, и уменьшить эквивалентное последовательное сопротивление и увеличить емкость конденсатора.

Задачей изобретения является разработка такой конструкции электролитического конденсатора, которая позволила бы уменьшить эквивалентное последовательное сопротивление R_s, увеличить емкость конденсатора С и улучшить температурно-частотные характеристики конденсатора.

Поставленная задача решается тем, что в электролитическом конденсаторе, содержащем оксидированные анод и катод, разделенные пористой полимерной прокладкой и помещенные в электролит, поры прокладки выполнены цилиндрическими или коническими, угол между геометрическими осями пор и перпендикулярном к поверхности прокладки меньше или равен 30^о, а площадь поверхности прокладки, занимаемая порами, S_пор, см², выбрана из соотношения S_пор (0,03-0,30) S_прокл, где S_прокл площадь поверхности прокладки, см².

Выполнение в прокладке сквозных цилиндрических или конических пор (путем, например, бомбардировки прокладки ускоренными тяжелыми ионами с последующим химическим травлением их треков) позволяет уменьшить R_s за счет малой толщины прокладки Δ и очень низкого значений Φ. Это связано с тем, что для полимерной прокладки в первом приближении Φ определяется отношением Р S_пор/S_прокл.

Нижняя граница Р_min (3%) определяется необходимостью обеспечить значение Φ, меньшее или равное Φ_min, где Φ_min минимальное значение коэффициента электрического сопротивления для известных прокладочных материалов. Верхняя граница Р_max (30%) определяется требованием обеспечения достаточной прочности, необходимой для использования конкретной металлической конденсаторной фольги, и технологией сборки прибора
Выбор диапазона величины угла α определяется следующим Методы ядерной технологии изготовления пор в прокладке конденсатора позволяют получать поры, геометрическая ось которых составляет с перпендикуляром к поверхности минимальный угол, обычно равный нескольким градусам. Наклон пор под углом α, большим 30^о, ведет к возрастанию Φ более чем на 30% что нежелательно. Таким образом, оптимальный диапазон величин угла α составляет угол, меньший или равный 30^о. Это условие удачно сочетается с методикой изготовления пористой пленки ядерными методами.

Рабочий температурный диапазон конденсаторов с прокладкой, обладающей указанной системой пор, шире в области низких температур, чем диапазон рабочих температур конденсаторов с обычной прокладкой. Возможно это связано с известным эффектом присутствия незамерзающей прослойки воды между твердой фазой электролита и стенками капилляра. Эти прослойки представляют собой граничную фазу льда, структура которого настолько изменена под действием поверхности поры, что осуществляется переход из кристаллического в жидкое состояние. Теорий этого явления для электролитов, находящихся в сильных электрических полях, характерных для конденсаторных структур, пока не существует.

В предлагаемом устройстве электрического оксидного конденсатора увеличение емкости осуществляется за счет уменьшения примерно в 4 раза объема прокладочного материала.

На фиг. 1 показан электролитический конденсатор в аксонометрии; на фиг. 2 представлена прокладка в разрезе.

Электролитический конденсатор включает оксидированный анод 1 и катод 2, разделенные пористой полимерной прокладкой 3. Анод 1 и катод 2 снабжены соответственно контактами 4 и 5. Перегородка 3 из полимерного материала выполнена со сквозными цилиндрическими или коническими порами 6 (фиг.2).

Ниже приведены примеры конкретного осуществления заявляемого электролитического конденсатора.

Для конденсаторной прокладки с цилиндрическими сквозными порами значение коэффициента Φ может быть получено из простых физических представлений. Поскольку Φ показывает увеличение сопротивления смоченной электролитом прокладки по отношению к сопротивлению электролита, величина этого коэффициента обратно пропорциональна величине Р, пропорциональна отношению длины микропор к толщине пленки, т.е. пропорциональна (cos α)^-1, и пропорциональна отношению электрического поля в конденсаторе к компоненте электрического поля, направленной вдоль оси пор. Это отношение также равно (cos α )^-1. Таким образом
Φ= (Р cos² α)^-1. (3)
С увеличением α коэффициент Φ увеличивается. Так, при возрастании α от нескольких градусов до 30^о Φ возрастает на 33% Этим обусловлен выбор значений α, не превышающих 30^о.

П р и м е р. Был изготовлен пленочный оксидный конденсатор, состоящий из двух металлических фольг толщиной 20 мкм, одна из которых оксидирована и служит анодом, и прокладкой между ними, выполненной из лавсана толщиной 10 мкм, со сквозными цилиндрическими порами 0,56 мкм. Среднее значение угла α между геометрическими осями пор и перпендикуляром к поверхности составляло 15^о (имеет место разброс величины α от 0 до 30^о). Значение Р составляло 4% т.е. поверхность прокладки, занимаемая порами, была 0,04 S_прокл.

Измеренный для этого конденсатора коэффициент Φ имел значение Φ 32. Эта величина коэффициента Φ в пределах ошибок измерений Р_s,δ Р и α хорошо совпадает со значением Φ, вычисленным по формуле (3): Φ 27. При значениях Р 10% и Р 30% для коэффициента Φ вычисленного на основании формулы (3), получают соответственно Φ= 11 и Φ 3,6. У конденсатора, принятого за прототип, Φ 6.

Применение прокладки со сквозными цилиндрическими порами с указанными в формуле диапазонами α и S_пор существенно улучшает использование объема конденсатора. Учитывая, что в конденсаторной сборке используются две прокладки, суммарная толщина сборки рассмотренного выше конденсатора составляет 60 мкм.

В конденсаторе, принятом за прототип, были использованы прокладки из пористого полипропилена. Необходимую прочность эти прокладки достигали при суммарной толщине 50 мкм. Толщина сборки в этом случае составляет 90 мкм.

Таким образом, применение прокладки со сквозными цилиндрическими порами увеличивает эффективность использования объема конденсатора и, следовательно, увеличивает емкость конденсатора по сравнению с прототипом на 50%
Проведены измерения внутреннего сопротивления конденсатора, рассмотренного выше, в зависимости от температуры. Увеличение R_s при понижении температуры от комнатной до t -60^оС составляет 50% в то время как для конденсатора с обычно используемой прокладкой из конденсаторной бумаги и таким же электролитом это увеличение составляет ≈ 200% Подобная тенденция однако в меньшей степени наблюдается и для конденсатора с пористой полипропиленовой прокладкой. Так, при снижении t^о от 24 до -40,5^оС (для более низких t^о данных отсутствуют) сопротивление R_s для такого конденсатора увеличивается на 185% а для конденсатора с таким же электролитом и бумажной прокладкой R_s увеличивается на 640%
Таким образом, использование прокладки с цилиндрической формой сквозных пор существенно увеличивает диапазон рабочих температур в сторону низких температур.

Формула изобретения

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЙ КОНДЕНСАТОР, содержащий оксидированный анод и катод, разделенные пористой полимерной прокладкой и помещенные в электролит, отличающийся тем, что поры прокладки выполнены цилиндрическими или коническими, угол между геометрическими осями пор и перпендикуляром к поверхности прокладки меньше или равен 30^o, а суммарная площадь поверхности прокладки, занимаемая порами S_пор, выбрана из соотношения
S_пор = (0,03 - 0,30) S_прокл,
где S_прокл - площадь поверхности прокладки, см².

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2