И. Хомутов и А. Бобровщиков.
Радиолюбителям хорошо уже известны «содовые выпрямители» и «конденсаторы». Вероятно, многие, строившие себе такие выпрямители и емкости, разочарованы в их работе. Однако, вновь поднимая этот вопрос, мы усиленно рекомендуем обратить на электролитические конденсаторы и выпрямители внимание, так как они вполне этого заслуживают. В процессе наших работ в ГЭЭИ, а также по американским материалам Г. А. Смитта и Джемса Миллена, которыми мы пользовались, выявились вполне заслуживающие внимания результаты, которые мы и приводим ниже.
Электролитический конденсатор обычно делается из полоски химически чистого алюминия или тантала, раствора буры, борно-кислого аммония, лимонно-кислого аммония, кислого фосфорно-кислого аммония, кислого двууглекислого аммония или хромистого аммония и свинцового, стального или никелевого электрода. Наилучшей из всех указанных возможных комбинаций является полоска алюминия, раствор борно-кислого аммония и свинцовый электрод. Все это помещается в стеклянную банку из-под элементов или аккумуляторов (см. рис. 1).
Если мы приложим к электродам некоторое напряжение, причем на алюминий дадим плюс, а на свинец минус, то через электролит пройдет некоторый ток.
Под влиянием электролитического действия пластинка алюминия очень быстро покроется тонким слоем окиси
или гидратами окислов и пузырьками кислорода. Эти два слоя обладают достаточно хорошими свойствами диэлектрика. Тут
надо рассматривать алюминиевую пластину как одну обкладку конденсатора, а электролит как другую обкладку, слой окислов
и газа представляет диэлектрик между ними, а свинцовый электрод служит лишь контактом с электролитом. Если взять формулу
емкости конденсатора
К положительным сторонам электролитического конденсатора относится и то, что он не боится пробивного напряжения. Возможность пробоя изолирующего слоя, конечно, не исключена, но, будучи пробит, он мгновенно вновь восстанавливается. Ниже приводится таблица 1 предельного напряжения, которое меняется в зависимости от электролита от 122 до 480 вольт. Выше этого напряжения на конденсатор давать не следует или же следует конденсаторы включать последовательно.
| Электролит | Предельное напряжение в вольтах. |
| 122 вольт | Хромистый аммоний. |
| 425 "" | Кислый двууглекислый аммоний |
| 460 "" | Кислый фосфорно-кислый аммоний |
| 470 "" | Лимоннокислый аммоний. |
| 480 "" | Бура. |
В таблице 1 видно, что наилучший результат дает раствор буры, однако, так как в буру входит натр, конденсаторы с этим электролитом быстрее подвергаются порче из-за активности металла натрия, который разрушает поверхность алюминиевого электрода. Поэтому необходимо избегать в растворах наличие активных, могущих вступать в соединения с алюминием элементов.
Кроме того присутствие натра дает неприятный запах при продолжительном употреблении. Совершенно недопустимо присутствие хлористых и бромистых соединений, которые сильно мешают действию конденсаторов. Вообще же, как правило, все растворы и материалы должны быть химически чистыми, а вода для разведения солей дестиллированная (в крайнем случае прокипяченная дождевая).
Наилучшим из всех растворов — на котором мы остановились после целого ряда испытаний, оказался раствор борно-кислого аммония.
Раствор этот легко получить следующим способом. В дестиллированной воде растворяется борная кислота, причем раствор должен быть сделан насыщенным. Так как борная кислота вообще растворяется плохо, то рекомендуется дестиллированную воду употреблять горячую. Раствор будет насыщенным тогда, когда после охлаждения его, из него будут выкристаллизовываться твердые соли, если в остывший раствор бросить кристаллик борной кислоты. В этот остывший раствор следует вливать небольшими порциями 25% раствор амиака, т. е. нашатырный спирт (желательно химически-чистый, но во всяком случае не содержащий мыла и буры), по мере прибавления амиака следует производить при помощи лакмусовой бумаги или фенол-фтолеиновой пробу на содержание щелочи. Нейтрализация должна быть полная, т. е. опущенная в раствор бумага не должна менять окраски. Перещелочение раствора нашатырным спиртом не страшно потому, что современем амиак из раствора испарится и нейтрализация будет полная.
Все дальнейшие рассуждения об электролитических конденсаторах и процессе их изготовления мы будем вести применительно к описанному выше электролиту, т. е. раствору борно-кислого аммония.
Емкость электролитического конденсатора зависит исключительно от напряжения, при котором он формирован, конечно, при одной и той же поверхности пластин. Величины емкости на кв. см пластины приведены в таблице 2.
| Формов. напряжение. |
Емкость в µF на см2. |
| 50 | 2,00 |
| 75 | 1,20 |
| 100 | 0,9 |
| 150 | 0,5 |
| 200 | 0,37 |
| 300 | 0,25 |
| 400 | 0,18 |
| 500 | 0,1 |
Как видно, с увеличением формовочного напряжения емкость конденсатора уменьшается. Это происходит в силу того, что при большом напряжении проходит больший ток в начальный момент формовки, который образует более толстый слой из окислов и пузырьков газа, служащих диэлектриком конденсатора. Таким образом увеличивается расстояние между «обкладками» конденсатора и, следовательно, уменьшается его емкость.
Промерка емкости электрического конденсатора — вещь в условиях радиолюбительской практики достаточно сложная и трудная. Практически же для этой цели можно почти без особой погрешности пользоваться приводимой на рис. 2 кривой, дающей емкость в µF на 1 квадр. дюйм алюминиевой пластины, считая только одну сторону таковой.
Температурное изменение электролита также несколько влияет на величину емкости и зависит от химического состава электролита, но влияние это таково, что им можно свободно пренебречь.
Электроды для конденсатора тоже желательно иметь химически-чистыми. Катод должен быть таким, чтобы он не разъедался электролитом — лучше всего взять тонкую полоску свинца, но можно ее заменить полированной сталью, никелем или освинцованным железом. Катод не участвует в работе электролитического конденсатора, а лишь дает контакт с электролитом, поэтому его нет необходимости брать больших размеров. Анод же должен быть высчитан по кривой рис. 2 на нужную величину емкости в зависимости от формовочного напряжения. Анодом, как уже говорилось, может быть тантал или алюминий — в наших условиях, конечно, последний. Алюминий технический, вообще говоря, непригоден или мало пригоден для электролитических конденсаторов. Обычно хороший алюминий при погружении в 20% раствор едкого натра после интенсивного вскипания и покрытия пузырьками выделяющегося водорода не должен менять своей окраски. Потемнение поверхности укажет на его непригодность. Анодам обычно придается форма полоски, не высокой, но достаточно длинной, которая складками собирается в гармонику для уменьшения ее объема (рис. 3). Он должен быть сделан таких размеров, чтобы весь помещался в банке и был весь покрыт раствором.
Для соединения с внешней цепью должна быть отрезана и загнута кверху тоненькая полоска от этого же куска алюминия. Никаких наращиваний, склепок и сварок не допускается. Эта тонкая полоска должна быть покрыта асфальтовым лаком, парафином или коллодиумом, так, чтобы изолированная часть погружалась немного в раствор. Это необходимо для уменьшения утечки, т. к. в том месте, где поверхность электролита соприкасается с электродом, алюминий не отформуется и тут будет большая утечка. Для подсчета величины емкости, размера и напряжения необходимо обратиться к кривой рис. 2, которая дает емкость в микрофарадах на 1 кв. дюйм (английский) в зависимости от значения напряжения. Необходимо лишь разделить нужную емкость на число, полученное из кривой для того или иного значения вольтажа.
Формовка анода — это самый сложный момент всей работы, от которого зависит весь успех получения хороших результатов. Как правило, формовка должна производиться при напряжении большем, чем напряжение, при котором желают работать, но не превышающем, однако, критического напряжения для данного электролита (см. табл. 1), т. е. для нашего случая не свыше 500 вольт.
При формовке следует помнить следующие правила:
Необходимо замкнуть источник питания, от которого происходит формовка, на формуемый конденсатор — накоротко, т. е. не вводя в цепь последовательных сопротивлений, т. к. необходим максимальный ток — почти ток короткого замыкания для удачного получения конденсатора.
Ни в коем случае в процессе формовки не давать заметно нагреваться электролиту, для чего брать возможно большее количество его и охлаждать проточной водой.
Не прерывать формовки до полного окончания выделения газа с электродов.
Если эти три основных правила соблюдены, можно вполне рассчитывать получить желаемые результаты.
Процесс формовки длится в зависимости от размера пластин в среднем около 24 часов при формовочном напряжевш 220 вольт. Первые мгновения ток идет очень большой, но быстро, уже через несколько секунд, спадает до 5—2 ампер.
Дальнейшее уменьшение идет медленнее, и примерно через 1 час ток уже будет измеряться долями ампера, через 24 часа ток будет порядка миллиамперов.
Т. к. с увеличением поверхности алюминия значительно будет увеличиваться первоначальный ток формовки, лучше емкости составлять из небольших батарей, не больше 10 µF, формуя их каждую поочереди. При формовке постоянным током следует обязательно соблюдать полярность, т. е. на алюминий давать плюс, на свинец минус. Формовку можно производить также и переменным током, тогда оба электрода должны быть равны по величине и оба должны быть сделаны из алюминия. В этом случае отформуются сразу обе пластины, которые потом следует разместить в отдельные сосуды и вставить дополнительно свинцовые катоды к каждой из них. Перед формовкой алюминий должен быть подвергнут обязательной очистке следующим способом. Пластина алюминия должна быть помещена в раствор едкого натрия и пробыть там до интенсивного выделения с ее поверхности водорода, после чего ее следует ополоскать в слабом растворе азотной или серной кислоты1 и очень тщательно промыть в дестиллированной воде. Только после этого можно приступить к указанной выше формовке. Собранный и сформованный конденсатор может иметь герметическую укупорку, т. к. в процессе дальнейшей работы он газа не выделяет. Желательно во избежание испарения и покрытия твердыми солями электродов, сверх электролита, налить парафиновое масло или какое-либо другое, но не содержащее кислот. Готовый конденсатор следует разметить плюс на алюминии и минус на свинце и при включении соблюдать полярность, иначе он расформовывается.
Выпрямители изготовляются точно так же, как и конденсаторы и включаются в переменный ток в схемах, обычных и известных радиолюбителям.
Хорошо приготовлениый конденсатор даже после отключения от схемы держит продолжительное время свой заряд и при замыкании накоротко дает характерную искру емкостного заряда. Когда конденсаторы продолжительное время остаются в бездействии, они могут расформоваться, а поэтому необходимо время от времени их замыкать на рабочее напряжение.
Прочность электролитического конденсатора зависит также и от концентрации раствора. В процессе приготовления выяснилось, что конденсатор с насыщенным раствором борнокислого аммония расформовывается более медленно, чем в не насыщенном растворе, т. е. утечка увеличивается в меньшей мере, так что формование конденсаторов следует вести в насыщенном растворе.
Как было уже сказано ранее, утечка в электролитических конденсаторах всегда имеет место. Она зависит от различных причин. Первая и самая существенная из них — это утечка вследствие недоформовки или расформовки от времени конденсатора. В таком случае утечка может иметь очень большое значение, но она легко устранима путем повторного формования до вполне постоянного значения тока утечки, который главным образом составляется иэ утечки по стенкам сосуда, в котором помещен конденсатор, и по поверхности раствора в местах соприкосновения электродов с раствором. Поэтому для уменьшения утечки нужно тщательно изолировать вводы электродов в местах соприкосновения с электролитом и с верхней крышкой сосуда. Если все побочные причины, могущие вызвать утечку устранены, т. е. вводы хорошо пропарафинены, равно как и верхние концы сосудов, то останется лишь одна причина, влияющая на утечку, — это величина наложенного напряжения. В этом случае у электролитического конденсатора утечка возрастает с увеличением приложенного напряжения.
На рис. 4 дана кривая тока утечки Sb построенная для емкости в 60 мф, формованной при 40 вольтах напряжения.
Конечно, для таких громадных емкостей величина утечки совершенно незначительна.
1 Ни в коем случае нельзя употреблять для этой цели соляную кислоту.
