خازن الکترولیتی آلومینیومی

لایه اکسید

خازن‌های الکترولیتی از ویژگی‌های شیمیایی برخی از فلزات خاص استفاده می‌کنند که قبلاً "فلز سوپاپ" نامیده می‌شود. اعمال ولتاژ مثبت به مواد آند در یک حمام الکترولیتی یک لایه اکسید عایق با ضخامت مربوط به ولتاژ اعمال می‌کند. این لایه اکسید به عنوان دی الکتریک در یک خازن الکترولیتی عمل می‌کند. خواص این لایه اکسید آلومینیوم در مقایسه با لایه دی الکتریک پنتوکسی تانتالیوم در جدول زیر آمده است: 
پس از تشکیل یک اکسید دی الکتریک بر روی ساختارهای آنود خشن، یک ضد الکترود باید با سطح اکسید عایق خشن همراه باشد. این توسط الکترولیت ارائه شده‌است، که به عنوان یک الکترود کاتد از یک خازن الکترولیتی عمل می‌کند. الکترولیتها ممکن است "غیر جامد" (مرطوب، مایع) یا "جامد" باشد. الکترولیت‌های غیر جامد، به عنوان یک محیط مایع که دارای هدایت یونی ناشی از حرکت یون‌ها هستند، نسبت به ستون‌های ولتاژ یا جریان‌های فعلی نسبتاً حساس هستند. الکترولیت جامد دارای یک هدایت الکتریکی است که باعث می‌شود خازن‌های الکترولیتی حساس به ستون‌های ولتاژ یا جریان‌های جاری حساس باشند. 
هر خازن الکترولیتی در اصل به شکل یک "خازن با صفحات" که ظرفیت بیشتری بزرگتر منطقه الکترود A و است گذردهی ε و ضخامت کمتر است (د) از دی الکتریک. 
ظرفیت آن متناسب محصول سطح یک صفحه است که ضریب نفوذپذیری آن برابر با ضخامت دی الکتریک است. 
خازن‌های الکترولیتی مقدار بزرگ خازنی خود را با یک منطقه بزرگ و ضخامت دی الکتریک کوچک بدست می آورند. ضخامت دی الکتریک خازن الکترولیتی بسیار نازک است، در محدوده نانو متر در هر ولت، اما ولتاژهای ولتاژ این لایه‌های اکسید بسیار بالا است. تمام اندودهای پیچیده یا پیچیده شده نسبت به یک سطح صاف از یک منطقه نسبتاً سطح بالاتری دارند. این مقدار خازنی را با یک عامل تا 200 برای خازن الکترولیتی آلومینیوم افزایش می‌دهد.

کاتد

فویل آلومینیومی دوم در خازن الکترولیتی، به نام "فویل کاتدی"، به منظور ایجاد تماس الکتریکی با الکترولیت عمل می‌کند. این فویل تا حدودی پایین تر از خلوص است، حدود 99.8٪. این همواره با یک لایه اکسید بسیار نازکی که از طریق تماس با سطح آلومینیوم با هوا به صورت طبیعی ایجاد می‌شود، تأمین می‌شود. فویل کاتد با فلزات مانند مس، سیلیکون یا تیتانیوم آلومینیوم به منظور کاهش مقاومت الکتریکی به الکترولیت و ایجاد اکسید در هنگام تخلیه مشکل است. فویل کاتد نیز برای افزایش سطح پوشش داده شده‌است. 
به علت لایه اکسید بسیار نازک که مربوط به ولتاژ ثابت حدود 1.5 است   V، ظرفیت خاص خود، با این حال، بسیار بالاتر از آن از فویل آند است.  برای توجیه نیاز به یک ظرفیت بزرگ سطح فویل کاتد، بخش پایداری شارژ / تخلیه را در زیر ببینید. 
فویل کاتد، به عنوان فویل آند، به صورت "رولهای مادر" تولید می‌شود که از آن برای تولید خازن به صورت پهن و طولی قطع می‌شود.

جداساز

فیدهای آند و کاتد باید از تماس مستقیم با یکدیگر محافظت شوند، زیرا این تماس، حتی در ولتاژ نسبتاً کم، ممکن است منجر به اتصال کوتاه شود. در صورت تماس مستقیم هر دو فویل، لایه اکسید روی سطح آند بدون حفاظت می‌کند. یک اسپیلر یا جداکننده ساخته شده از یک مقاله بسیار جذب‌کننده با خلوص بالا، دو فویل فلزی را از تماس مستقیم محافظت می‌کند. این کاغذ خازنی همچنین به عنوان مخزنی برای الکترولیت برای افزایش طول عمر خازن استفاده می‌شود. 
ضخامت اسپیرر به ولتاژ نامی خازن الکترولیتی بستگی دارد. این تا 100 است   V بین 30 و 75   μm  برای ولتاژ بالاتر، چندین لایه کاغذ (دوبلکس کاغذ) برای افزایش قدرت شکست استفاده می‌شود.

کپسوله سازی

انحصار خازن‌های الکترولیتی آلومینیومی نیز از آلومینیوم ساخته شده‌است تا از واکنش‌های گالوانیک جلوگیری شود، به‌طور معمول با یک مورد آلومینیومی (can، tub). برای خازن‌های الکترولیتیال شعاعی در الکترولیت با مقاومت غیر تعریف شده به کاتد (زمین) متصل می‌شود. با این حال برای خازن‌های الکترولیتی محوری، مسکن به‌طور خاص با تماس مستقیم با کاتد طراحی شده‌است. 
در صورت سوء عملکرد، ولتاژ بیش از حد یا اشتباه در داخل محفظه خازن الکترولیتی، فشار گاز قابل توجهی می‌تواند به وجود آید. واحدهای طراحی شده برای بازکردن دریچه تخلیه فشار و انتشار گاز فشار بالا، از جمله قطعات الکترولیت. این نفوذ در مقابل انفجار، انفجار و یا پرواز از وان فلزی محافظت می‌کند. 
برای محوطه‌های کوچکتر، دریچه تخلیه فشار در پایین یا بطری وارونه حک شده‌است. خازن‌های بزرگتر مانند خازن‌های خازن پیچ دارای یک دریچه فشار بیش از حد قابل قفل هستند و باید در موقعیت صحیح نصب شوند.

آب بندی

مواد مهر و موم شده از خازن الکترولیتی آلومینیومی به سبک‌های مختلف بستگی دارد. برای خازن‌های پیچ ترمینال و ضربه محکم و ناگهانی، واشر آب بندی از مواد پلاستیکی ساخته شده‌است. خازن الکترولیتی محوری معمولاً یک واشر آب بندی ساخته شده از رزین فنولی با یک لایه لاستیک است. خازن‌های الکترولیتی شعاعی از پلاستیک لاستیکی با ساختار بسیار متراکم استفاده می‌کنند. تمام مواد مهر و موم شده باید به قطعات شیمیایی الکترولیت بی اثر باشد و ممکن است حاوی ترکیبات محلول نباشد که می‌تواند منجر به آلودگی الکترولیت شود. برای جلوگیری از نشت، الکترولیت باید به مواد مهر و موم نداشته باشد.

تولید

فرایند تولید با رول مادر شروع می‌شود. اولاً، فویل انود زبر شده، خرد شده و پیش ساخته شده روی رول مادر و همچنین کاغذ اسپارک و فویل کاتد به عرض مورد نیاز برش داده می‌شود.   این فویل‌ها به یک وندر اتوماتیک تغذیه می‌شوند که بخش زخمی را در یک عملیات متوالی شامل سه مرحله ترتیب می‌دهد: جوشکاری ترمینال، سیم پیچ و برش طول. در مرحله تولید بعدی بخش زخم در پایانه‌های خروجی ثابت با الکترولیت تحت اشباع خلاء خیس می‌شود. سیم پیچ آغشته شده سپس به یک مورد آلومینیومی ساخته شده و با یک دیسک لاستیکی مهر و موم شده و به صورت مکانیکی با پیچش زدن مهر و موم شده‌است. پس از آن، خازن با یک فیلم آستین کوتاه عایق ارائه شده‌است. این خازن اپتیکی آماده با ولتاژ نامی در یک دستگاه پس از شکل‌گیری دمای بالا برای درمان تمام نقص‌های دی الکتریک حاصل از روش برش و سیم پیچ تماس گرفته می‌شود. پس از شکل گیری، اندازه‌گیری نهایی 100٪ ظرفیت خازن، جریان نشت و امپدانس انجام می‌شود. Taping فرایند تولید را بسته می‌کند؛ خازن‌ها برای تحویل آماده هستند.

تاریخ

در سال 1875، یوجین Ducretet پژوهشگر فرانسوی کشف کرد که برخی از فلزات سوپاپ (آلومینیوم و دیگران) می‌توانند یک لایه اکسیدی ایجاد کنند که جریان الکتریکی را از جریان در یک جهت مسدود می‌کند، اما اجازه می‌دهد تا در جهت معکوس جریان یابد. 
کارول پولاک، تولیدکننده باتری‌ها، متوجه شد که لایه اکسید روی یک آنومالی آلومینیومی با یک الکترود خنثی یا قلیایی باقی می‌ماند، حتی زمانی که برق خاموش شد. در سال 1896 او با استفاده از لایه اکسید در یک خازن قطبی در ترکیب با یک الکترولیت خنثی یا کمی قلیایی، یک حق اختراع برای یک خازن الکتریکی مایع با الکترود های آلومینیومی (de: Elektrischer Flüssigkeitskondensator mit Aluminiumelektroden ) به دست آورد.  
اولین خازن الکترولیتی که به صورت صنعتی به کار گرفته شد، شامل یک جعبه فلزی بود که به عنوان کاتد مورد استفاده قرار گرفت و با یک الکترولیت بوراکس حل شده در آب، که در آن یک ورقه آلومینیوم آنودایز تاشو قرار داده شد. با اعمال ولتاژ DC از خارج، یک لایه اکسید روی سطح آند تشکیل شده‌است. مزیت این خازن‌ها این بود که در این زمان با توجه به مقدار خازنی متوجه شدیم که آن‌ها به‌طور قابل توجهی کوچکتر و ارزان تر از همه خازن‌های دیگر هستند. این ساخت و ساز با سبک‌های مختلف ساخت آن، اما با مورد به عنوان کاتد و ظرف به عنوان الکترولیت تا دهه 1930 مورد استفاده قرار گرفت و به عنوان خازن الکترولیتی "مرطوب" نامیده می‌شود، با توجه به محتوای آب بالا است. 
اولین استفاده معمول از خازن الکترولیتی مرطوب مرطوب بود در مبادلات تلفن بزرگ، برای کاهش هش رله (سر و صدا) در منبع تغذیه DC 48 ولت. توسعه گیرنده‌های رادیویی خانگی در اواخر دهه 1920 تقاضا برای خازن‌های بزرگ (برای زمان) و خازن‌های با ولتاژ بالا برای تکنیک تقویت کننده دریچه، معمولاً حداقل 4 میکروفاراد و تقریباً 500 ولت DC را ایجاد کردند. خازن‌های کاغذی و خازن‌های فیلم ابریشمی روغن در دسترس بودند، اما دستگاه‌هایی با این سفارش میزان خازن و ولتاژ، بزرگ و گران قیمت بودند. 
اجداد خازن الکترولیتی مدرن توسط ساموئل روبن در سال 1925 اختراع شد،   که با فیلیپ مالوری، بنیان‌گذار شرکت باتری که در حال حاضر به عنوان Duracell International شناخته می‌شود، همکاری می‌کند. ایده روبن ساختار انباشته یک خازن میکا نقره را تصویب کرد. او یک فویل دوم جداگانه را برای تماس با الکترولیتی مجاور فویل آنود به جای استفاده از ظرف حاوی الکترولیت به عنوان کاتد خازن معرفی کرد. فویل دوم انباشته ترمینال خود را به ترمینال اضافی اضافه کرد و ظرف دیگر کارکرد الکتریکی نداشت. این نوع خازن الکترولیتی با یک فویل آند از یک فویل کاتدی با یک الکترولیت مایع یا ژل از طبیعت غیر آبی جدا شده‌است که به این معنی است که محتوای آب بسیار کم خشک است، به عنوان خشک "نوع خازن الکترولیتی.  این اختراع همراه با اختراع فویل زخم جدا شده با کاغذ اسپردر 1927 توسط ایکل ایکل، Hydra-Werke (آلمان)  ، اندازه و قیمت را به میزان قابل توجهی کاهش داد، که باعث شد که رادیوهای جدید برای یک گروه وسیع تر مقرون به صرفه باشند از مشتریان.  
ویلیام دوبلیر که اولین ثبت اختراع برای خازن های الکترولیتی در سال 1928 به ثبت رسید،  ایده های جدید برای خازن های الکترولیتی را تولید کرد و در سال 1931 در کارخانه کورنل دوبلیر (Plainfield، New Jersey) کارخانه بزرگ تولید کرد.  در همان زمان در برلین، آلمان، "Hydra-Werke"، یک شرکت AEG، تولید خازن‌های الکترولیتی را در مقادیر زیادی آغاز کرد. 
پلکک در حال حاضر در درخواست ثبت اختراع خود در سال 1886 نوشت که ظرفیت خازن افزایش می یابد، اگر سطح فویل آنود خیس شد. از آن زمان به بعد روش‌های مکانیکی مانند انفجار شن و ماسه یا خراشیدگی و اچینگ شیمیایی با اسید و نمک‌های اسیدی ناشی از جریانات بالا، از روش‌های مختلفی استفاده شده‌است.  برخی از این روش‌ها در کارخانه سی دی بین سال‌های 1931 تا 1938 توسعه یافتند. امروزه (2014) اچینگ الکتریکی شیمیایی فویل‌های ولتاژ پایین می‌تواند تا 200 برابر سطح سطح در مقایسه با یک سطح صاف به دست آید.   پیشرفت مربوط به فرایند اچینگ، دلیل کاهش مداوم ابعاد خازن‌های الکترولیتی آلومینیومی در دهه‌های گذشته است. 
دوره پس از جنگ جهانی دوم با پیشرفت سریع در فناوری رادیو و تلویزیون و همچنین در کاربردهای صنعتی همراه است که تأثیر زیادی بر مقدار تولید و همچنین سبک، اندازه و تعدیل سریال خازن‌های الکترولیتی دارد. الکترولیت‌های جدید بر اساس مایعات آلی باعث کاهش جریان نشت و ESR، دامنه‌های وسیع تر دما و افزایش طول عمر می‌شود. پدیده‌های خوردگی ناشی از کلر و آب را می‌توان با فرایندهای تولید خلوص بالاتر و با استفاده از افزودنی‌ها در الکترولیت‌ها اجتناب کرد. 
توسعه تانتالم خازن های الکترولیتی در اوایل 1950s   با دی اکسید منگنز الکترولیتی جامد، که دارای هدایت 10 برابر بهتر از همه انواع دیگر از الکترولیت غیر جامد، همچنین تحت تأثیر توسعه خازن‌های الکترولیتی آلومینیومی. در سال 1964 اولین خازن آلومینیومی الکترولیتی با الکترولیت جامد (خازن آلومینیومی جامد (SAL) ) در بازار عرضه شد که توسط Philips توسعه یافت.  
دهه‌های 1970 تا 1990 با توسعه سری‌های جدید خازن الکترولیتی حرفه‌ای آلومینیوم حرفه‌ای با ف.   e جریان نشت بسیار کم یا با ویژگی‌های عمر طولانی و یا برای دماهای بالاتر تا 125   ° C، که به‌طور خاص برای کاربردهای خاص صنعتی مناسب بود.  تنوع زیادی از سری‌های بسیاری از خازن‌های الکترولیتی آلومینیومی با الکترولیت‌های غیر جامد تاکنون (2014) نشان دهنده سازگاری خازن‌ها با نیازهای مختلف صنعتی است. 
در سال 1983، سانیتو با استفاده از خازن الکترولیتی آلومینیومی " OS-CON "، کاهش بیشتر ESR را به دست آورد. این خازن‌ها به عنوان یک هادی آلی جامد TTF-TCNQ ( tetracyanoquinodimethane ) استفاده می‌شود که موجب بهبودی در تخلیه الکتریکی دیاکسید منگنز می‌شود. 
مقادیر ESR خازن‌های TCNQ به وضوح توسط کشف پلیمرهای هدایت شده توسط آلن جی هیگر، آلن مک دیارمید و هیدکی شیراکاوا کاهش یافت .  رسانایی پلیمرهای رسانایی مانند پلیپیرل  یا PEDOT  بهتر از TCNQ با یک فاکتور 100 تا 500 است و نزدیک به رسانایی فلزات است. در سال 1991، پاناسونیک SP-Cap  یک خازن الکترولیتی پلیمر آلومینیومی را در بازار گذاشت. این خازن‌های الکترولیتی با الکترولیت پلیمری به مقدار ESR به اندازه کافی کمتری برای رقابت با خازن‌های چند لایه سرامیکی (MLCCs) دست یافتند. آن‌ها هنوز هم ارزان تر از خازن تانتالیوم بودند و مدت کوتاهی در دستگاه‌هایی با طراحی صاف، مانند لپ تاپ ها و تلفن های همراه استفاده می شد . 
الکترولیت‌های جدید آب در ژاپن از اواسط دهه 1980 با هدف کاهش ESR برای خازن‌های الکترولیز غیر جامد ارزان قیمت طراحی شده‌است. آب ارزان است، یک حلال مؤثر برای الکترولیت‌ها، و به‌طور قابل توجهی هدایت الکتریکی را بهبود می‌بخشد. 
تولیدکننده ژاپنی Rubycon یکی از رهبران در توسعه سیستم‌های الکترولیت مبتنی بر آب با هدایت افزایش یافته در اواخر دهه 1990 بود.  سری جدید خازن‌های غیر جامد با الکترولیت بر اساس آب در ورقه‌های داده شده "Low-ESR"، "Low Impedance"، "Ultra-Low Impedance" یا "Current-High-Ripple Current" نامگذاری شده‌است. 
یک دستورالعمل به سرقت رفته از یک الکترولیت مبتنی بر آب، که در آن مواد ثبات دهنده مهم   وجود نداشت،  در سال‌های 2000 تا 2005 منجر به مشکل خازن‌های توده ای در رایانه‌ها و منابع تغذیه شد تحت نام " طوفان خازن " شناخته شده‌است. در این خازن‌ها آب به شدت با شدت و حتی خشونت آمیز با آلومینیوم واکنش نشان می‌دهد، همراه با رشد گرما و گاز در خازن، و اغلب منجر به انفجار خازن می‌شود.