АЛЮМИНИЕВЫЙ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЙ КОНДЕНСАТОР КАК ЭЛЕМЕНТ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

Полезная модель относится к электронике и может быть использована при анализе характеристик алюминиевых электролитических конденсаторов при схемотехническом моделировании. Алюминиевый электролитический конденсатор как элемент с распределенными параметрами представляет собой схему, моделирующую электрические и физические характеристики алюминиевого электролитического конденсатора.
Конструктивно алюминиевый электролитический конденсатор представляет собой многослойную ленту, изображенную на фиг.1, образующую длинную резистивно-емкостную линию. Внутри корпуса конденсатора лента скручена в рулон.
При описании электрических свойств алюминиевого электролитического конденсатора используют схемы, состоящие из ограниченного числа каскадно соединенных резистивно-емкостных электрических цепочек, как, например, изображенной на Figure 7 (Sam G. Parler, Jr.Cornell Dubilier. «Improved Spice Models of Aluminum Electrolytic Capacitorsfor Inverter Applications»). Каждая резистивно-емкостная цепочка описывает участок длины ленты конденсатора. При определении емкости каждой цепочки полную емкость алюминиевого электролитического конденсатора делят на длину ленты и умножают на длину участка, представляемого этой цепочкой. Аналогично определяют все сопротивления в каждой цепочке.
Одним из недостатков такого представления алюминиевого электролитического конденсатора, является то, что для увеличения точности моделирования необходимо увеличивать количество последовательно повторяющихся звеньев модели, которое влечет за собой увеличение количества параметров модели и объема вычислений. Другим недостатком является то, что такой способ моделирования влияния пор фолы неприемлем из-за огромных вычислительных затрат для анализа модели. Поэтому влияние пор фольг на свойства конденсатора учитывается достаточно грубо, введением поправочных коэффициентов.
Задачей предложенной полезной модели является повышение точности при уменьшении объема вычислений при анализе характеристик алюминиевых электролитических конденсаторов, достигаемое путем использования электрической схемы с распределенными параметрами.
Поставленная задача достигается тем, что алюминиевый электролитический конденсатор реализован в виде многослойной структуры с распределенными резистивно-емкостными параметрами, причем входы и выходы схем замещения конечного элемента в распределенной структуре расположены на верхнем и нижнем слоях. Многослойная структура представлена в виде верхнего слоя, среднего слоя и нижнего слоя. Схема замещения верхнего слоя состоит из поперечной распределенной емкости параллельно соединенной с поперечным распределенным импедансом, поперечным распределенным сопротивлением и последовательно соединена с продольным распределенным сопротивлением. Средний слой состоит из поперечного погонного сопротивления. Нижний слой состоит из поперечной распределенной емкости параллельно соединенной с поперечным распределенным импедансом, поперечным распределенным сопротивлением и последовательно соединенной с продольным распределенным сопротивлением
На фиг.1 показана конструкция алюминиевого электролитического конденсатора в виде многослойной структуры. Эта многослойная структура состоит из верхнего слоя 1 - пористой анодной фольги; среднего слоя 2 - электролита; нижнего слоя 3 - пористой катодной фольги. На фиг.2 показана схема конденсатора в виде длинной линии, разделенной на части, каждая из которых представлена четырехполюсником, называемым конечным элементом (КЭ). На фиг.3 изображена схема замещения конечного элемента. На фиг.4 показан график изменения емкости от частоты, в котором под буквой (а) показано изменение емкости модели алюминиевого электролитического конденсатора как элемента с распределенными параметрами, а под буквой (б) - результаты измерения емкости промышленно выпускаемого алюминиевого электролитического конденсатора. На фиг.5 показан график изменения эквивалентного последовательного сопротивления от частоты алюминиевого электролитического конденсатора, в котором под буквой (а) показано изменение эквивалентного последовательного сопротивления математической модели алюминиевого электролитического конденсатора как элемента с распределенными параметрами и под буквой (б) - результаты измерения промышленно выпускаемого алюминиевого электролитического конденсатора.
Многослойная лента, изображенная на фиг.2 длиной L разбита на n конечных элементов (КЭ). Длина участка конечного элемента Δ1 будет равна длине полосы L разделенной на количество конечных элементов. На фиг.3 показана схема замещения конечного элемента алюминиевого электролитического конденсатора, который состоит из следующих элементов, отражающих характеристики слоев многослойной ленты:
Характеристики верхнего слоя отражаются
4
- продольным погонным сопротивление анодной фольги r,
1
- поперечной погонной емкостью анодной фольги c,
1
- импедансом анодных пор на данной длине rc
2
- поперечным погонным сопротивлением утечки оксидной пленки r. Характеристики среднего слоя отражаются
1
- поперечным погонным сопротивлением электролита r. Характеристики нижнего слоя отражаются
1
- поперечной погонной емкостью двойного электрического слоя c,
2
- импедансом катодных пор на данной длине rc,
3
- поперечным погонным сопротивлением двойного электрического слоя катода r,
5
- продольным погонным сопротивлением катодной фольги r.
При создании модели алюминиевого электролитического конденсатора как элемента с распределенными параметрами необходимо выполнить следующие действия:
Разбить ленту алюминиевого электролитического конденсатора на конечные элементы. Схема замещения конечных элементов в виде четырехполюсников, показана на фиг.3. Элементы, входящие в схему замещения характеризуются погонными параметрами вдоль ленты конденсатора.
Найти погонные у-параметры четырехполюсника схемы замещения. При длине Δ1 участка КЭ стремящегося к нулю, структура алюминиевого электролитического конденсатора станет распределенной.
Вычислить погонные у-параметры четырехполюсника схемы замещения, зная полные параметры конденсатора.
Используя алгоритмы, применяемые при анализе цепей с распределенными параметрами (Гильмутдинов А.Х., Ушаков П.А. Расчет электрических и геометрических параметров пленочных распределенных RC-элементов. Учебное пособие. КАИ. Казань. 1990., глава 2) найти искомые параметры модели алюминиевого электролитического конденсатора.
Преимуществом предложенного технического решения является то, что при вводе новых элементов схемы объем вычислений изменяется незначительно, так как для вычисления параметров модели достаточно вычислить погонные импедансы схемы замещения одного конечного элемента. Возможность реализации предложенного технического решения была проверена при помощи математического моделирования, результаты которого представлены на фиг.4, 5, из которых видно, что частотные электрические характеристики модели отражают частотные электрические характеристики промышленно выпускаемых образцов.