Конденсаторы с оксидным диэлектриком (ОДК)

Диэлектриком конденсаторов этого класса являются тонкие оксидные пленки, формируемые на поверхности вентильного металла, используемого в качестве одной из обкладок конденсатора – анода, называемые анодными оксидными пленками (АОП).

В общем виде структуру ОДК можно представить схемой, изображенной на рисунке 3.1. На анодной обкладке из вентильного металла (1) методом электрохимического оксидирования создается оксидный слой этого металла (2). Между диэлектриком (2) и второй обкладкой конденсатора (4) находится проводящий катодный материал (3) – жидкий электролит (водный раствор серной кислоты в танталовых конденсаторах типа К52), вязкий электролит или пропитанная им бумага (в алюминиевых конденсаторах типа К50), твердофазный полупроводник (диоксид марганца, органический полупроводник в конденсаторах типа К53).

Рис. 3.1 – Структура оксидного конденсатора

Основные свойства применяемых в ОДК вентильных металлов и их анодных оксидных пленок приведены в таблице 3.1.

Таблица3.1.

Металл	Оксид	°С	Отн. ε оксида	Уд. ток утечки анода, мкА/мкФ·В
Тантал	Ta2O5		27,6	0,01
Алюминий	Al2O3		8,5	0,1
Ниобий	Nb2O5		41,4	0,05
Титан				0,1

Из таблицы 3.1 следует, что по величине диэлектрической проницаемости АОП уступают многим керамическим материалам, у которых ε может достигать нескольких тысяч единиц. Тем не менее, конденсаторы, реализующие емкость в системе металл - оксид металла - катодный материал, обладают рекордно высокими значениями удельной емкости и удельного заряда. Причинами этого являются:

1. Сверхмалая толщина диэлектрика – десятые-сотые доли микрона.

2. Высокое значение отношения эффективной площади обкладок к объему емкостного элемента вследствие очень развитой поверхности анода (объемное пористое тело или травленая фольга), обеспечиваемой специальными технологическими методами.

3. Применение катодного материала, обеспечивающего эффективное использование высокой удельной емкости оксидированного анода.

В отличие от других типов конденсаторов ОДК полярны – полярность приложенного к ним напряжения должна соответствовать положительному потенциалу на аноде и отрицательному на катоде. В противном случае конденсатор может быть поврежден. Данное свойство ОДК ограничивает их применение в электронных схемах.

Вторая проблема – ограниченный диапазон рабочих частот и температур. Вследствие сравнительно высокого сопротивления катодной обкладки (электролита, полупроводника) величина tgδ оксидных конденсаторов даже на частоте 50 Гц при нормальной температуре достаточно велика: tgδ ≈ 0,05 ÷ 0,20. С ростом частоты tgδ линейно возрастает. Диапазон рабочих частот оксидного конденсатора принципиально ограничен величиной, так называемой критической частоты f_кр, при превышении которой резко уменьшается емкость конденсатора и возрастает tgδ.

С понижением температуры tgδ оксидных конденсаторов резко возрастает в связи с увеличением сопротивления катодного материала, что ограничивает температурный диапазон снизу. Верхняя граница рабочих температур, кроме физических свойств катодного материала, определяется экспоненциальным ростом проводимости оксидного диэлектрика с увеличением температуры. Как правило, даже у конденсаторов герметизированной конструкции максимальная рабочая температура не превышает 125 ^оС.

Поскольку двуокись марганца обладает более высокой проводимостью, чем жидкий электролит, оксидно-полупроводниковые конденсаторы имеют лучшие частотные и температурные характеристики, чем оксидно-электролитические конденсаторы.

Современные оксидные конденсаторы имеют рабочие напряжения от 1,6 до 500 В и емкости от единиц микрофарад до 1,3 Ф. Это обусловливает их широкое применение в фильтрах источников электропитания, цепях развязки и т.п.