Condensadores electrolíticos

En la práctica, cada electricista se enfrenta al trabajo de adaptadores, fuentes de alimentación, convertidores de voltaje. En todos estos dispositivos, los condensadores eléctricos son ampliamente utilizados, que a menudo se denominan "electrolitos" en la jerga.

Su principal ventaja es el tamaño relativamente grande de la capacitancia con un tamaño relativamente pequeño. Además, su producción se estableció hace mucho tiempo y el costo es relativamente bajo.

Principios del dispositivo

Cualquier condensador consta de dos placas, cuyo espacio se llena con un dieléctrico.

La fórmula que se muestra en la imagen recuerda que la capacitancia C depende del área de cada placa S, la distancia entre las placas dy la constante dieléctrica del medio dentro de ellas ε. El valor ε0 es la constante eléctrica que determina la intensidad del campo eléctrico dentro del vacío.

El condensador electrolítico difiere de todos los demás en que utiliza una capa de electrolito que llena el espacio entre las dos placas, generalmente hechas de láminas de aluminio. Además, uno de ellos está cubierto con una pequeña capa dieléctrica de la película de óxido.

Las cintas de aluminio se pliegan juntas, separadas por una almohadilla de papel muy delgada empapada en electrolito. Su valor de aproximadamente 1 μm puede aumentar significativamente la capacitancia del condensador. En la fórmula anterior para determinar C, el grosor de la capa dieléctrica d está en el denominador.

La capa superior de la lámina está cubierta con papel desprendible, y toda la estructura se enrolla para colocarla en un cuerpo cilíndrico.

En los extremos de la lámina, las placas de metal se sueldan mediante métodos de soldadura en frío, proporcionando contactos para conectarse al circuito eléctrico como un cátodo y ánodo. Además, se forma una conclusión positiva en la placa con la capa de óxido.

El cátodo desempeña el papel de un electrolito que contacta toda la superficie de la segunda placa.

Dado que la capacitancia del capacitor depende del área de las placas, una de las formas de aumentarla se incluye en la tecnología de producción: esto es la corrugación de la superficie por electrolito mediante grabado químico. Se puede realizar debido a la erosión química o la corrosión electroquímica.

Los electrolitos líquidos pueden fluir de manera confiable hacia los huecos microscópicos creados del ánodo.

Se crea una capa de óxido en la lámina durante la oxidación eléctrica. Este proceso ocurre cuando la corriente fluye a través del electrolito. La siguiente imagen muestra la característica de voltaje de corriente, que muestra el cambio en las corrientes dentro del dispositivo con el aumento de voltaje.

El condensador funciona normalmente a voltaje y temperatura nominales. Si se produce una sobretensión, se reanuda la formación de la capa de óxido y comienza a generarse una gran cantidad de calor, lo que conduce a la formación de gas y a un aumento de la presión dentro del recinto sellado.

Por lo tanto, los condensadores electrolíticos son capaces de explotar, lo que a menudo sucedió con construcciones antiguas de la época de la URSS, que se llevaron a cabo en un solo caso sin crear protección contra explosiones. Esta propiedad a menudo condujo a daños a otros elementos vecinos del equipo.

Los modelos modernos crean una membrana protectora, que se destruye al comienzo de la formación de gas y esto evita una explosión. Está hecho en forma de muescas de las letras "T", "Y" o el signo "+".

Tipos de condensadores electrolíticos

Por su diseño, los "electrolitos" se refieren a dispositivos polares, es decir, deben funcionar cuando la corriente fluye en una sola dirección. Por lo tanto, se utilizan en circuitos de voltaje constante o ondulado, teniendo en cuenta la dirección de paso de las cargas eléctricas.

Para operar en circuitos de corriente sinusoidal, se han creado "electrolitos no polares". Debido a elementos adicionales en el diseño, con igual capacidad, han aumentado las dimensiones y, en consecuencia, el costo.

El electrolito entre las placas se puede utilizar en soluciones concentradas de varios álcalis o ácidos. Según el método de llenado, los condensadores se dividen en:

• líquido

• seco

• óxido de metal;

• óxido semiconductor

Como material del ánodo, se puede seleccionar una lámina de aluminio, tantalio, niobio o polvo sinterizado. Para los condensadores semiconductores de óxido, el cátodo es una capa semiconductora depositada directamente sobre la capa de óxido.

Características operacionales

La capacidad de los electrolitos para emitir gases durante el calentamiento dicta la necesidad de un condensador para garantizar la confiabilidad para crear un margen de voltaje nominal de hasta 0.5 ÷ 0.6 de su valor. Esto es especialmente cierto para su uso en dispositivos con temperaturas elevadas.

Para los condensadores diseñados para funcionar en circuitos de voltaje de CA, se especifica la frecuencia de funcionamiento. Por lo general, son 50 hercios. Para trabajar con señales de frecuencia más altas, es necesario reducir el voltaje de funcionamiento. De lo contrario, el dieléctrico se sobrecalentará y se descompondrá, la ruptura de la carcasa.

Los electrolitos con una gran capacidad y bajas corrientes de fuga son capaces de almacenar a largo plazo la carga acumulada. Por razones de seguridad, para acelerar su descarga, se conecta una resistencia con una resistencia de 1 MΩ y una potencia de 0.5 W en paralelo con los terminales.

Para su uso en dispositivos de alto voltaje, se utilizan condensadores ensamblados en circuitos en serie. Para igualar el voltaje entre ellos, las resistencias con un valor nominal de 0.2 a 1 MΩ están conectadas en paralelo a los terminales de cada uno.

Si es necesario usar condensadores electrolíticos polares en circuitos de voltaje alterno, se ensambla un circuito en el que la corriente a través de cada elemento pasa solo en una dirección. Para este uso diodos y resistencia limitadora de corriente.

Dichos esquemas se ensamblaron previamente para rotar la fase de la corriente en relación con el voltaje al arrancar potentes motores eléctricos asíncronos trifásicos desde una red monofásica. Ahora este problema ya está perdiendo su antigua relevancia.

La ausencia de una resistencia limitadora de corriente en dicha cadena conduce al sobrecalentamiento de la capa dieléctrica y al fallo del condensador electrolítico.

El electrolito líquido se seca a través del tiempo a través de defectos en la carcasa. Debido a esto, la capacidad se reduce gradualmente. Con el tiempo, alcanza un valor crítico. Un condensador electrolítico que se ha caído del funcionamiento a menudo causa una falla en el dispositivo eléctrico.

El condensador funciona mal debido a la violación de la resistencia equivalente ESR

Los condensadores electrolíticos tienen otra característica técnica que afecta su rendimiento durante la operación. Con el tiempo, el condensador disminuye gradualmente la conductividad eléctrica entre las placas y los terminales debido a los procesos eléctricos internos que ocurren constantemente. Su valor se estima mediante la resistencia activa equivalente, que se indica mediante el índice ESR. En ruso, llaman EPS: resistencia en serie equivalente.

Esta característica parasitaria que surge no afecta el funcionamiento de los electrolitos en circuitos con una frecuencia de hasta 50 hertzios, utilizando el devanado de salida del transformador, la rectificación de diodos y un condensador para suavizar las pulsaciones. Pero, en dispositivos que usan señales de alta frecuencia dentro de fuentes de alimentación conmutadas, una resistencia activa en serie a la capacitancia ya no permite que el circuito funcione.

Un condensador con ERS aumentado no difiere en apariencia de uno que funciona. Es solo que su resistencia activa aumenta en más de un ohmio y puede alcanzar hasta 10 ohmios.

Métodos de determinación

La industria produce instrumentos que permiten medir este valor sobre la base de un prototipo inventado en Rusia en los años 60. Le permiten tomar medidas sin evaporar los condensadores del circuito, funcionan según el principio de medidores de resistencia de puente para corriente alterna.

Los artesanos crean sus propios diseños simplificados que nos permiten evaluar la salud del condensador mediante este parámetro en función de la determinación de la resistencia activa superior a 1 Ohm. Como indicador similar, puede ensamblar un dispositivo simple, que se muestra en el diagrama.

Se utiliza una batería normal de tipo dedo para alimentarlo. El LED indica la idoneidad del condensador eléctrico por el parámetro ERS comparando las señales de alta frecuencia en el transformador toroidal que provienen del condensador y el circuito oscilante generado.

La imagen del mismo esquema en una forma algo simplificada se muestra a continuación.

El condensador de prueba está conectado a un devanado realizado en una vuelta en un transformador de un núcleo ferromagnético con una permeabilidad magnética del orden de 800 ÷ 1000. El voltaje en este devanado no supera los 200 milivoltios, por lo que puede evaluar las características del electrolito sin soldar desde la placa.

Tal indicador no requiere ajustes especiales. Es suficiente verificar el brillo del LED en la resistencia de control de un ohmio y navegar en futuras mediciones. El transistor puede ser utilizado por cualquier persona con una corriente de colector de 100 mA y una ganancia de más de 50.

Dicha sonda no funcionará con precisión con condensadores que tengan una capacidad inferior a 100 μF.

Ionistor - supercondensador

Un tipo de condensador con un electrolito que proporciona el flujo de procesos electroquímicos es ionistor. Utiliza el efecto de una doble capa eléctrica que ocurre cuando el material de revestimiento entra en contacto con el electrolito y combina las funciones de un condensador con una fuente de corriente química.

Su diseño se muestra en la imagen.

Aquí, el grosor de la doble capa formada es muy pequeño. Esto le permite aumentar significativamente la capacidad del ionistor. Además, es más fácil para estos condensadores aumentar el área de la superficie de contacto de las placas. Están hechos de materiales porosos, por ejemplo, carbón activado, metales espumados.

La capacidad del ionistor puede alcanzar varios faradios con un voltaje en las placas de hasta 10 voltios. Lo recluta en poco tiempo y luego lo guarda de manera confiable. Por lo tanto, estos modelos se utilizan para respaldar varias fuentes de alimentación.

Las condiciones de funcionamiento afectan en gran medida la duración del estado operativo del ionistor. Si la temperatura de operación no excede los 40 grados, y el voltaje es del 60% del valor nominal, entonces el recurso puede ser más de 40,000 horas.

Solo es necesario aumentar su calentamiento a 70 grados y el voltaje, hasta un 80%, ya que la duración de la batería se reduce a 500 horas. Los ionistas encuentran una amplia variedad de aplicaciones en la vida cotidiana. Trabajan en conjuntos de paneles solares, equipos de radio para automóviles, domótica inteligente.

El fabricante de automóviles surcoreano Hyundai Motor Company está trabajando en la producción de autobuses eléctricos alimentados por ionistores. Se planea que su carga se realice durante paradas cortas en la ruta de movimiento.

En esencia, este tipo de transporte reemplaza por completo al trolebús, que excluye toda la red de cables de contacto del trabajo.