Полимерный конденсатор как альтернатива электролитическому в импульсных источниках света

В своей профессиональной деятельности работы с фототехникой часто приходится сталкиваться с проблемой вытекания электролита из конденсаторов в импульсных источниках света. Это явление влечет за собой отслоение проводников печатной платы, повреждение электронных компонентов, расположенных рядом с конденсатором, приводит к нарушению целостности корпусных элементов. Кроме того, в редких случаях, может выделяться ядовитый дым, а это уже наносит серьезный вред здоровью человека. Если же электролит вытекает за пределы корпуса импульсного источника света, при попадании на кожу человека он может оставлять ожоги. Применение полимерного конденсатора исключает вытекание электролита, что обеспечивается конструктивными особенностями конденсатора данного типа. В процессе изучения данной тематики, я открыл для себя еще целый ряд преимуществ возможного использования полимерных конденсаторов в импульсных источниках света. Что и будет рассмотрено более подробно в данной статье.

Электролитические конденсаторы

В наше время заводы по производству вспышек, использует электролитические конденсаторы, а они не лишены недостатков. У них есть строго определенная полярность включения, это обусловлено их строением. Если изменить полярность, то они образуют короткозамкнутую цепь, вследствие чего будет повреждена задающая схема и при этом образуется много тепла, сопровождаясь ядовитыми испарениями и дымом из конденсатора. Многие алюминиевые модели взрывоопасны, при этом заливая рядом стоящие компоненты электролитом и засыпая фольгой, это может усугубить последствия повреждения устройства. Алюминиевая фольга, образующая одну из обкладок электролитического конденсатора, подвергается анодному окислению для образования изолирующей поверхностной пленки (толщина оксидного слоя выбирается из расчета ≈ 1,5 нм на один вольт прикладываемого напряжения). Этот тонкий изолирующий слой образует диэлектрик конденсатора. Так как процесс анодного окисления является электрохимическим процессом, а образующаяся пленка окисла является диэлектрической, то существует предельное значение толщины пленки, по достижении которой процесс дальнейшего образования окисла на границе раздела алюминий-окисел прекращается. Это означает, что для электролитических конденсаторов существует предельное значение рабочего напряжения, которое определяется толщиной пленки [1].

Полимерные конденсаторы

В отличие от электролитических конденсаторов, полимерные имеют ряд преимуществ.

• 1.Великолепные частотные характеристики.

• 2 .Стабильна емкость.

• 3 .Повышенная безопасность.

Благодаря сверхнизким значениям ESR полимерные конденсаторы имеют низкий импеданс вблизи точки своего резонанса (Рисунок 1). А более низкий импеданс уменьшает пульсации переменного тока в силовых цепях. Наши испытания показали пятикратное снижение амплитуды пульсаций в цепях с полимерными конденсаторами по сравнению с обычными танталовыми конденсаторами с низким ESR[2].

Рисунок 1 - Импедансные характеристики

В керамических конденсаторах емкость зависит от изменений температуры и постоянного напряжения смещения. Полимерные конденсаторы не имеют таких недостатков и остаются стабильным в течение долгого времени (Рисунок 2). В частности, эта стабильность важна для промышленных и автомобильных приложений, где, как правило, происходят значительные колебания рабочих температур. Повышенные температуры вызывают потери до 90% и более эффективной емкости керамического конденсатора, а это означает, что обычные конденсаторы не обеспечивают должных характеристик в реальных условиях эксплуатации. Гибридные конденсаторы добавляют к стабильности емкости еще одно измерение. В типичных условиях эксплуатации их емкость остается неизменной - и на высоких частотах, и при низких температурах, - факторах, уменьшающих емкость конденсаторов с обычным жидким электролитом[2].

Рисунок 2 – Постоянное смещение и температурный диапазон

Для обычных электролитических конденсаторов характерны проблемы безопасности, способные привести к их короткому замыканию и выходу из строя. Угроза безопасности возникает, когда электрические или механические напряжения создают дефекты или разрывы в оксидной пленке, образующей диэлектрик конденсатора. Полимерные конденсаторы способны к самовосстановлению, которое устраняет этот аварийный режим. Восстановление происходит вследствие выделения джоулева тепла, инициируемого дефектом диэлектрика, запускающим процесс короткого замыкания. Нагрев разрушает молекулярную цепь проводящего полимера вблизи дефекта, повышая его сопротивление и образуя эффективный барьер против любой утечки тока с электрода (Рисунок 3). В случае гибридных конденсаторов начинает действовать дополнительный механизм самовосстановления, так как жидкий электролит вызывает поток тока вблизи дефекта, восстанавливая оксидный слой алюминия. Чтобы проверить природу самовосстановления полимерных и гибридных конденсаторов можно подать на них повышенное напряжение. Возьмем два вида конденсаторов: полимерные SP-Cap и обычные тантал-MnO2 конденсаторы. Полимерная модель может выдержать 7-амперный ток короткого замыкания, в то время как танталовый конденсатор с большой вероятностью начнет дымиться при трех амперах и воспламенялся при пяти. Такое повышение безопасности имеет большое значение, как с технической точки зрения, так и с финансовой. Для безопасной эксплуатации разработчики, как правило, используют обычные танталовые конденсаторы при напряжениях на 30 – 50% ниже их номинального напряжения. Это общепринятое в инженерной практике занижение номинальных параметров ведет к необходимости использования конденсаторов больших размеров и стоимости. Напротив, для наших полимерных конденсаторов мы гарантируем работу при 90% от максимально допустимого напряжения[2].

Рисунок 3 – Процесс восстановления

Выводы

Т.о., можно сделать вывод, что полимерные конденсаторы намного безопаснее и стабильнее по характеристикам, чем их электролитические аналоги. На сегодняшний день полимерные конденсаторы нашли свое широкое применение в автомобилестроении и в промышленности в целом. Использование конденсаторов данного типа в источниках импульсного света значительно расширило бы пределы температурного режима их работы. Отсутствие вероятности вытекания электролита сделало бы работу вспышки более безопасной для человека. Кроме того, этот факт может значительно продлить период работы устройства. На мой взгляд, использование полимерных конденсаторов в импульсных источниках света может стать новым перспективным этапом в развитии устройств данного типа.