Elektrolüütkondensaator

Elektrolüütkondensator on elektriliselt polaarne kondensaator, mille anoodelektrood (+) on metallist ja teine elektrood katood – vedelast või tahkest elektrolüüdist, mis katab anoodmetalli pinnastruktuuri. Dielektrikuna toimib õhuke oksiidikiht anoodi pinnal.
Elektrolüütkondensaatoreid liigitatakse anoodi materjali järgi järgmiselt:
Omaette elektrolüütkondensaatorite rühma moodustavad polümeerelektrolüütkondensaatorid, mille anood võib olla nii alumiiniumist kui tantaalist, kuid elektrolüüdina toimib spetsiaalne hea elektrijuhtivusega polümeerne keemiline ühend.
Kõigepealt töötati välja alumiiniumkondensaatorid ja need on ka elektrolüütkondensaatoritest odavaimad ja kõige laiemalt kasutusel. Tantaal- ja nioobiumkondensaatoreid toodetaksepeamiselt SMD- ehk pindmontaažikomponentidena, et neid saaks kasutada õhukeste elektroonikaseadete trükkplaadil.
Elektrolüütkondensaatoreid kasutatakse nende suure erimahtuvuse pärast, mis on palju suurem kui näiteks keraamikakondensaatoritel. Suur erimahutavus (ruumalaühiku suhtes) saavutatakse seetõttu, et kareda pinna või teralise ning poorse struktuuriga anoodi aktiivpind on suur ja dielektrikuna toimiv oksiidikiht väga õhuke. Energiamahutavuse poolest jäävad elektrolüütkondensaatorid siiski superkondensaatoritele tunduvalt alla.
Elektrolüütkondensaator kui polaarne komponent on kasutatav üksnes alalisvooluahelas, seejuures pluss anoodil. Vale polaarsusega alalispinge ja suur vahelduvpinge rikub dielektriku ja võib esile kutsuda kondensaatori lõhkemise ning tuleohu. Toodetakse siiski ka bipolaarseid (kahepolaarseid) elektrolüütkondensaatoreid, milles on kaks vastulülituses anoodi. Niisuguseid kondensaatoreid kasutatakse näiteks audiosignaaliahelais.
Suure erimahutavuse tõttu on elektrolüütkondensaatorid asendamatud alalisvoolu-toiteallikate ja alalispingemuunduriteon silufiltrites, samuti soovimatute pingeimpulsside ja sageduste lühistamiseks.
Anood ja dielektrik.
Elektrolüütkondensaatori anoodi materjalil (Al, Ta, Nb) formeeritakse oksiidikiht anoodoksüdatatsiooni protsessis, kusjuures alalisvooluallika pluss anoodil ja miinus vajalike ventiilmetallidega elektrolüüdivannis.
Nii moodustuv õhuke oksiidikiht on suure läbilöögitugevusega, umbes 1 volt 1 nanomeetri kohta. Dielektriku paksus vajaliku nimipingega kondensaatori jaoks saadakse formeerimispinge valikuga.
Anoodi materjalid ja vastavad dielektrikuna toimivad oksiidid on järgmised:
Tantaalpentoksiidi läbitavus on küll märksa suurem kui alumiiniumoksiidil, kuid et tantaalpentoksiidi puhul on pinna ebatasasused suuremad, peab oksiidikiht olema töökindluse huvides paksem, mistõttu samasuguste näitajatega kondensaatorid ei erine suuruselt kuigi palju.
Elektrolüüt.
Elektrolüüdi ülesanne on anoodi oksiidikihiga pinna ebatasasused võimalikult täielikult katta ja ühtlasi luua hea kontakt kondensaatori negatiivsele väljaviigule. Anoodi pinna pooridesse saab tungida ainult vedel elektrolüüt. Ka tahke elektrolüüt tuleb kondensaatori valmistamisel kanda anoodile vedelal kujul ja seejärel tahkestada.
Elektrolüüt peab olema hea elektrijuhtivusega. Alumiinium- ja tantaalanoodiga kondensaatorites kasutatakse enamasti vedelat või geelitaolist elektrolüüti (näiteks tantaalkondensaatorites väävelhapet). Polümeerelektrolüütkondensaatorite elektrolüüt on vastavalt kondensaatori nimetusele polümeersest materjalist, nimelt elektrit juhtivast polümeerist polüpürrool.
Vedela elektrolüüdiga kondensaatorite hinnatavaks omaduseks on endaparandusvõime: oksiidikihi kohaliku läbilöögi järel võib dielektriku isolatsioonivõime taastuda. Kuid nende töötemperatuurivahemik on piiratud, kusjuures kõrge ümbrustemperatuuri mõjul võib elektrolüüt kuivada ja seega kondensaatori eluiga lüheneda.
Tahke elektrolüüdi parameetreid mõjutab temperatuur märksa vähemal määral. Tahke elektrolüüdi oluliseks eeliseks on ka elektronjuhtivus. Elektronjuhtivusega materjal reageerib palju kiiremini elektrivälja muutustele kui ioonjuhtivusega vedel elektrolüüt. Vastavalt on ka tahke elektrolüüdiga kondensaatorite piirsagedus kõrgem – nad reageerivad pinge järskudele muutustele väiksema viivitusega.
Tahke elektrolüüdina kasutatakse alumiinium- ja tantaalkondensaatorites mangaandioksiidi MnO2 või mõnda juhtivat polümeeri. Nioobiumkondensaatorites on ainult tahke polümeerne elektrolüüt.
Ehitus ja üldparameetrid.
Alumiiniumelektrolüütkondensaatori valmistamisel keeratakse oksüdeeritud alumiiniumi riba (anood) koos teise alumiiniumfooliumi (katood) ja eraldava paberiribaga rulli, niisutatakse elektrolüüdiga, suletakse alumiiniumkesta ja ühendatakse elektroodid väljaviikudega. Teine fooliumiriba on õigupoolest vajalik ainult kontakti loomiseks elektrolüüdiga, mis on tegelik katood.
Tantaal- ja nioobiumelektrolüütkondensaatori paagutatud peeneteraline poorne anoodelektrood kaetakse elektrolüüdikihiga kontakti loomiseks grafiidi- või hõbedakihiga; kest on harilikult plastist ja sageli SMD-versioonis.
Ajaloost.
Alumiiniumelektrolüütkondensaatori talitlus põhineb nähtusel, et alumiiniumi pinnale on võimalik elektrokeemiliselt tekitada kiht, mis laseb voolu läbi ainult ühes suunas. Niisuguse ventiiliefekti avastas Prantsuse uurija Eugène Ducretet 1875. aastal. Edasises uurimistöös leiti, et niisugune omadus on ka tantaalil, nioobiumil, mangaan jt. Poola leiutaja Charles Pollak tegi seda nähtust edasi uurides kindlaks, et oksiidikiht jääb teatud elektrolüütide keskkonnas alumiiniumi pinnale püsima ka voolu väljalülitamise järel, ja konstrueeris "alumiiniumelektroodiga vedelikkondensaatori" ja patenteeris selle 1896. a. Tänu üliõhukesele dielektrikule sai nüüd hakata valmistama kondensaatoreid, mis mahtuvuselt järsult ületasid seniseid klaas- ja paberkondensaatoreid. Niisuguste kondensaatorite anood oli voldistatud alumiiniumplekist ja katoodiväljaviiguks esialgu vedela elektrolüüdi metallanum.
Rulli keeratud elektroodidega ja paberist vahekihiga kondensaatori patenteeris Saksa leiutaja Alfred Heckel 1927. aastal. Alumiiniumi pinna söövitustehnika edasiarendamise teel on suurendatud järjest aktiivpinda, nii et tänaseks ületab see madalpingelistel kondensaatoritel kuni 200kordselt sileda pinna pindala. Ühtlasi on välja töötatud tõhusamaid elektrolüüte ja vastavalt parandatud elektrilisi parameetreid ja pikendatud tööiga.
Tantaalanoodiga elektrolüütkondensaatoreid hakati tootma 1950. aastail. Koos tantaalkondensaatoritega arendati edasi ka nioobiumanoodiga komponente (peamiselt selle tõttu, et nioobium on odavam). 1990. aastail töötati välja eriti peeneteralise tantaalipulbri tehnoloogia, mille tulemusena mahuline erimahtuvus suurenes kuni kümnekordselt. Tänapäeval valmistatakse tantaalkondensaatoreid peamiselt pindmontaažikomponentidena.
Juhtivast polümeerist tahke elektrolüüdiga alumiiniumkondensaatoreid hakati laialdasemalt tootma 1990. aastail.