1. Obecně o elektrolytických kondenzátorech
Elektrolytické kondenzátory se vyskytují prakticky v každém elektronickém zařízení, včetně vybavení raketoplánu nebo splachovací automatiky pisoáru. Protože se jedná o pasivní součástku, jejíž vlastnosti jsou podmíněny jistými elektrochemickými procesy, lze považovat elektrolytický kondenzátor jako takový za díl s podstatně zvýšeným činitelem poruchovosti, daleko vyšším než např. v porovnání s rezistorem či síťovou zástrčkou. Spolehlivost a životnost tohoto druhu kondenzátorů je přímo podmíněna čistotou surovin použitých při výrobě a technologické kázni, nepřímo pak jejich pracovními podmínkami /teplota okolí, mechanické namáhání, elektrické zatížení/. Pracujeme s nimi poměrně často a tak neuškodí trocha teorie o jejich principech, provedení a správného používání. Vše, co v tomto článku bude uvedeno, se vztahuje pouze na hliníkové elektrolytické kondenzátory. Elektrolytické kondenzátory jiných provedení, např. tantalové nebo s polovodivým elektrolytem, pracují na odlišných principech, využívají jiných materiálů, mají odlišné vlastnosti i použití a budou popsány v samostatné stati.
2. Princip činnosti a provedení
Od jiných druhů nepolarizovaných kondenzátorů /keramických, svitkových, slídových/ se klasický hliníkový elektrolytický kondenzátor liší tím, že jednu z elektrod – katodu – netvoří kovová elektroda, ale vodivý elektrolyt. Je to chemikálie, jejíž přesné složení každý výrobce poměrně úzkostlivě tají a tak o ní my, obyčejní smrtelníci víme jen tolik, že je na vzduchu a k ostatním anorganickým i organickým látkám zvláště za horka poměrně žíravá, lepkavá, při případném výbuchu kondenzátoru a potřísnění oděvu smrdí tak neuvěřitelně, až v daném momentu člověku napadne, že skunk je vlastně proti němu navoněný elegán. Elektrolyt musí být co nejvíce elektricky vodivý, v rozsahu pracovních teplot kondenzátoru nesmí zamrzat ani vřít, z hlediska chemického nesmí reagovat s materiály uvnitř kondenzátoru – s vývody, s hliníkem, s Al2O3, pryží, plasty a materiálem separátoru. Dále musí umožňovat elektrolytickou oxidaci hliníku. Elektrolyty bývají směsí vody, etylénglykolu, vyšších alkoholů, solí a různých aditiv, tzv.gelové elektrolyty obsahují obdobné složky. Protielektrodou -anodou – je hliníková fólie o čistotě 99,999 nebo lepší, která je pro zvětšení svého povrchu elektrochemicky naleptána a rovněž elektrochemickým způsobem vytvořena izolační vrstvička Al2O3, která tvoří vlastní dielektrikum. Katodová fólie /hliníková nebo cínová/ tvoří jen velkoplošný přívod proudu pro elektrolyt, jenž je nasáknut ve speciálním papíru o velké nasákavosti a tvoří tedy jakýsi zásobník, zabraňuje zkratu mezi fóliemi a navíc zajišťuje minimální napěťovou bezpečnost kondenzátoru. Na čistotě materiálu kovových fólií, kvalitě nasákavého separátoru a koneckonců i na kvalitě uzávěru kondenzátoru závisí jeho výsledná kvalita a hlavně životnost. Celek /obě fólie se separátorem/ je svinut do svitku a podmíněně neprodyšně uzavřen v hliníkovém, popř. i plastovém pouzdře. V pouzdře může být umístěno i několik svitků – vytváří se tak vícenásobný /vícekapacitní/ kondenzátor. Běžně se vyráběly sdružené dvou- až pětinásobné kondenzátory pro elektronkové přístroje, kde každý kondenzátor má různou kapacitu dle účelu použití, záporné póly všech jsou propojeny. Rovněž se vyrábí dvojité kondenzátory pro symetrické zdroje polovodičových zesilovačů, kde jsou svitky uvnitř již vhodně propojeny.
Izolační vrstva Al2O3 na anodové fólii se tvoří ve výrobě procesem, zvaným formování kondenzátoru. V současnosti se používá tzv. předformovaná fólie, nový kondenzátor by tedy teoreticky nepotřeboval další formování. Při výrobě se používá oxidovaná fólie šířky, kterou si obvykle řeže výrobce kondenzátorů z širokých rolí. Hrany fólie ve svitku tedy oxidované nebývají a teprve při formování se na nich vytváří vrstva oxidu. Na automatické výrobní lince bývají kondezátory rychle formovány a měřeny. V dřívějších výrobách se ale i nové kondenzátory větších kapacit /nebo pro vyšší napětí/ dlouhodobě formovaly v tzv. formovacích stojanech po několika stovkách kusů. Bylo tak velmi snadné pouhou optickou kontrolou vyřadit vadný kus – každý kondenzátor měl ve stojanu svou dvojici svorek a svou kontrolní žárovku s číslem svorek. V dnešní době a při dnešních objemech výrob je něco podobného zcela vyloučeno a jen při výrobě nejdražších průmyslových kondenzátorů přebírají kusové měření a kontrolu automaty.
Protože hliníková fólie obsahuje zbytky atomů cizích prvků a vrstvička Al2O3 rovněž není nikdy zcela homogenní, prochází kondenzátorem po připojení na jmenovité napětí malý proud, zvaný zbytkový nebo také svodový. Delším beznapěťovým skladováním nebo odstavením přístroje z provozu na delší dobu dochází k rozpouštění izolační vrstvy Al2O3, tzv. odformování. Takto odformovaný kondenzátor má značně sníženo jmenovité provozní napětí a značně vysoký zbytkový proud, rovnající se několikatisícinásobku zbytkového proudu, běžného pro dotyčný typ. Takto odformované kondenzátory velkých kapacit je velmi nebezpečné připojovat přímo ke tvrdému zdroji ss napětí, protože jednak mohou přílišným počátečním proudem zničit usměrňovače nebo jiné prvky v zařízení, jednak prudkým ohřevem kondenzátoru při novém formování hrozí exploze přetlakem uvnitř kondenzátoru. U kondenzátorů větších kapacit může dojít i k lokálnímu prudšímu ohřevu, a lokálnímu poškození varem elektrolytu. Postup formování elektrolytických kondenzátorů bude uveden v samostatné stati.
Elektrolytické kondenzátory jsou pro případ přepólování /viz dále/, případně velkého překročení jejich dovoleného pracovního napětí opatřeny přetlakovou pojistkou, z nichž některé druhy se chovají podobně jako zpětný ventil. Takový kondenzátor si v případě krátkodobého překročení dovolených hodnot pouze upšoukne, ale není okamžitě vyřazen z činnosti. Toto vratné provedení přetlakové pojistky se vyskytuje pouze u průmyslových kondenzátorů s velkou kapacitou a životností. Většina ostatních variant přetlakových pojistek je nevratných a odsoudí kondenzátor k výměně, zvláště pak běžné radiální kondenzátory s drátovými vývody. U nich přetlaková pojistka není buď vůbec /častěji/, případně je vytvořena jen prolisy a místním zeslabením materiálu na dně kalíšku kondenzátoru.
U axiálních elektrolytických kondenzátorů Tesla řady TE9xx a TF0xx slouží gumová průchodka, kudy prochází kladný pól kondenzátoru současně jako přetlaková pojistka, průchodka a lemování pouzdra je tvarováno tak, aby ani při havárii nenatropil kondenzátor příliš velké škody. Radiální kondenzátory Tesla řady TC934-939 s pájecími oky, řady TC515-521 s centrálním šroubem mají přetlakovou pojistku řešenu pryžovou zátkou,
u typů TE672-683 pryžovou membránou , které ovšem u starších kondenzátorů ztvrdnou a pojistka jako taková není schopna plnit svou funkci. Tyto starší kondenzátory – pokud je už musíte použít – je nutné z bezpečnostních důvodů provozovat při značně sníženém napětí. Velmi dobře řešenou přetlakovou pojistku mají radiální elektrolytické kondenzátory, vyráběné Teslou jako poslední, řady TE922-927.
Vyzkoušel jsem ji na jednom starším kusu TE924 4m7/40V – který se mi stejně nelíbil svým zvýšeným svodovým proudem – přiložením tvrdého napětí 40V, avšak v opačné polaritě. Až cca po 2 minutách se ozvalo plesknutí a pak zvuk podobný parní píšťale, jak plyn bezpečně unikal přetlakovým ventilem. Ono plesknutí bylo protržení tenkého okraje gumové zátky pojistky. Pokud nový, moderní a levný čínský kondenzátor větší kapacity a rozměrů podobná opatření ve dně nebo víčku kondenzátoru postrádá, pak se máte rovněž nač těšit – výrobce totiž spoléhá na vystřelení těsnicího pryžového uzávěru, kudy procházejí vývody. Takový kondenzátor se v okamžiku exploze chová podobně, jako raketový motor a projektil současně – obrovský přetlak plynu uvnitř a povolující uzávěr jej ženou vpřed, přičemž kondenzátor během letu vyprazdňuje svůj obsah dovnitř přístroje, nejčastěji na desku, na které nám velmi záleží a která nám dala hodně práce….