Главная » Литература » Электротехника » Трейер - Электрохимические приборы (1978)

Трейер - Электрохимические приборы (1978)


Трейер В. В. Электрохимические приборы. 1978.

 

Приводятся общие сведения, описываются принципы действия, конструкции н характеристики наиболее распространенных типов электрохимических приборов, подходы к оценке надежности и основные направления их применения в радиоэлектронной  аппаратуре.

Брошюра рассчитана на широкий круг читателей, занимающихся разработкой и эксплуатацией радиоэлектронной аппаратуры.

 

ВВЕДЕНИЕ

В развитии электротехники как науки о процессах, связанных с практическим применением электрических явлений, электрохимия всегда занимала видное место. Открытия Вольта, Фарадея, Рейсса, Якоби и других выдающихся ученых XIX столетия оказали  большое влияние на развитие прикладных исследований в этой области. Особенно важную роль сыграли открытые Фарадеем законы  электролиза, которые установили количественные закономерности,  связанные с прохождением электрического тока через  электрохимические системы. Одними из первых источников электрической  энергии были гальванические элементы и аккумуляторы, а среди  измерителей электроэнергии — электролитические счетчики. Разработаны И нашли широкое применение электрохимические кулометры, датчики неэлектрических величин и ряд других устройств. В  развивающейся радиоэлектронике уже в начале XX века нашли применение алюминиевые электролитические конденсаторы и химические источники тока.

Однако -как комплектующие элементы радиоэлектронной  аппаратуры со всем комплексом предъявляемых к ним требований электрохимические приборы начали разрабатываться лишь в начале 40-х годов. Современный этап развития радиоэлектроники со  свойственным ему быстрым ростом сложности, быстродействия,  миниатюризации аппаратуры и расширением круга решаемых с ее  помощью функциональных задач не только не исключил из арсенала своих технических средств электрохимические приборы, а, напротив, выдвинул ряд таких задач, которые принципиально либо не могут быть решены вообще, либо решаются с использованием устройств на других физических принципах менее эффективно, чем с  использованием электрохимических приборов. Но, прежде чем рассмотреть вопросы о месте электрохимических приборов в элементной базе современной радиоэлектронной аппаратуры и перспективах их  развития, дадим определение тому, что понимается в настоящей брошюре под электрохимическими приборами для радиоэлектронной аппаратуры.

Электрохимические приборы (ЭП) — это широкий класс  изделий, .предназначенных для преобразования и хранения информации, преобразования и накопления электрической энергии. Они основаны на электрохимических принципах действия и являются частью функционального модуля или блока аппаратуры, совмещены по электрическим, эксплуатационным и конструктивным параметрам с другими элементами этого модуля или блока. В связи с приведенным определением можно выделить три основных направления применения ЭП в современной  радиоэлектронной аппаратуре:

— преобразование и хранение информации (хемотронные приборы) ;

— накопление электрической энергии (электролитические  конденсаторы) ;

-   преобразование химической энергии в электрическую  (химические источники тока).

Хемотронные приборы [1—7] позволяют наиболее  эффективным .способом производить весь комплекс преобразований  информации в области низких и сверхнизких частот A0~5—10 Гц) с  малым потреблением энергии (Ю-8—10~3 Вт). Электролитические  конденсаторы [9] имеют наибольшие по сравнению со своими  функциональными аналогами удельные емкости. Химические источники тока [10—12], имея высокие удельные энергетические  характеристики, остаются одними из основных источников энергии для  объектов с автономным питанием.

В соответствии со сделанным определением ЭП к ним не  относятся: специализированные электрохимические устройства для  преобразования информации и энергии (например, электрохимические устройства, - способные к адаптации за счет .перестройки внутренней структуры, электрохимические генераторы электрической энергии,- химические источники тока ампульной конструкции и др.), а также химические источники тока и электролитические конденсаторы,  предназначенные для силовых цепей.

Условность этого разделения очевидна, но выделить 0П из всего многообразия существующих и еще только разрабатываемых электрохимических устройств в соответствии с приведенным  определением представляется целесообразным по следующим  соображениям:

1. Успехи современной микроэлектроники стимулировали  развитие блочного принципа конструирования аппаратуры и разработку большого количества устройств с автономным питанием. R -связи с этим изменились требования к различным комплектующим  -изделиям, предназначенным для использования в блоках аппаратуры совместно с микросхемами. На пути дальнейшей миниатюризации аппаратуры возникла проблема совместимости различных  комплектующих элементов в модулях и блоках. Это выдвинуло ряд  специфических требований к достаточно большой группе  электрохимических устройств, ранее к ним не предъявляемых, и, как следствие, привело к разработке ЭП, которые все в большей и большей  степени становятся совместимыми с другими элементами в модулях и блоках современной радиоэлектронной аппаратуры. В настоящее время уже решены многие принципиальные вопросы совместимости ЭП ,по электрическим параметрам. Видоизменяется их  конструктивное исполнение, позволяющее без -существенных трудностей  компоновать ими радиоэлектронные устройства. Так, кроме достаточно большой номенклатуры миниатюрных ЭП, используемых в  аппаратуре в виде дискретных элементов, .появились сведения о разработке приборов (в том числе и химических источников тока) на твердых электролитах, изготавливаемых в едином технологическом цикле с микросхемами и не являющихся уже дискретными  комплектующими элементами. Преодолены и принципиальные трудности с  обеспечением работоспособности изделий в широком диапазоне рабочих температур (от —60 до -j-60°C и выше), повышаются и сроки их сохраняемости (до 5—12 лет).

Таким образом, ЭП по своим электрическим и  эксплуатационным характеристикам начинают приближаться к ставшим уже традиционными элементами радиоэлектронной аппаратуры:  резисторам, полупроводниковым приборам, микросхемам и др. Поскольку они используются с ними в одной аппаратуре, то они должны соответствовать и общим требованиям по электрическим и  эксплуатационным характеристикам, а также по конструктивному  исполнению. Отсюда следует и общность построения методологии  используемых для них методов испытаний и контроля качества.

2. Для выделенных в одну группу ЭП характерна не только общность используемых физических принципов функционирования, но и общность принципов конструирования и технологических  приемов их изготовления. Косвенным доказательством этого является то, что разные типы ЭП за рубежом изготавливают одни и те же фирмы (их электрохимические подразделения). Так, например,  фирма Plessy '(Англия) производит электрохимические интеграторы и электролитические конденсаторы; фирма Industrial Instr. (Англия) —несколько типов хемотронных приборов,  электролитические конденсаторы и щелочные аккумуляторы; фирма Sprague (США) — электрохимические интеграторы, электролитические  конденсаторы, иониксы и химические источники тока; фирма Bissett Berman (США) — электрохимические интеграторы и  электролитические конденсаторы и т. д. Список фирм, разрабатывающих  одновременно несколько типов ЭП, можно было бы продолжить.

3. И, наконец, сами различия приборов по функциональному назначению внутри выделенных классов ЭП весьма условны. В  зависимости от некоторых конструктивных особенностей одни и теже ЭП могут выполнять различные функции. Например, такие  традиционно хемотронные приборы, как палладиево-водородные аналоги RC-кабелей и диффузионные плоскостные приборы на основе  обратимых редокс-систем могут использоваться не только в качестве интеграторов, но и как электролитические конденсаторы при  построении RC-фильтров.

Химические источники тока на основе галогенидов серебра  (элементы системы Ag|AgI|Ag) могут также использоваться в качестве тензометрических датчиков, ев которых э. д. с. при механических воздействиях возрастает по закону, близкому к линейному. А  разработанные в последние годы электрохимические приборы на  основе твердых электролитов с аномально высокой ионной  проводимостью (иониксы) могут осуществлять операции, свойственные хемотронным приборам, электролитическим конденсаторам и химическим источникам тока: интегрирование с длительной аналоговой памятью, низкочастотную фильтрацию, накопление электрической энергии отдачу ее в нагрузку в течение - малого интервала (времени,  накопление, длительное хранение энергии и отдачу ее в нагрузку с  высоким к. п. д. Таким образом, но указанным выше причинам, с учетом  общности физико-химических принципов действия ЭП, предъявляемых к ним требований, методов испытаний и контроля качества,  конструктивного исполнения и используемых технологических приемов при изготовлении, в настоящей брошюре под одним общим  наименованием электрохимические приборы для радиоэлектронной  аппаратуры объединены и рассмотрены с единых позиций три класса комплектующих изделий: хемотронные приборы, электролитические конденсаторы и миниатюрные герметичные химические источники тока.

 

I. СВОЙСТВА И ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕОКИХ ПРИБОРОВ

1. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА— ОСНОВА ЭП

 Основным элементом конструкции всех ЭП является  электрохимическая ячейка, которая состоит из электродной системы,  находящейся в контакте с электролитом (жидким или твердым) Ь электрохимической ячейке границы электрод — электролит  образуют электрохимическую систему, в которой локализуются  происходящие в ЭП процессы химического превращения веществ и обмен носителями заряда. Как известно, электролиты являются  проводниками - с высокой ионной, а металлы — с электронной проводимостью. По этой причине процесс прохождения тока через  электрохимическую ячейку возможен лишь в случае, когда в результате химических превращений на электроде часть электронов из  металла расходуется для образования /восстановленной формы ионных носителей, а в результате окисления ионных носителей на электроде в металлический электрод переходят электроны. Этот процесс   является сложным и составляет предмет изучения специального  раздела физической химии — электрохимии. При этом необходимо  отметить, что из всех агрегатных состояний вещества наиболее полно разработаны разделы физики газообразного и твердого состояний Физика жидкости, поверхностных явлений и электрохимических процессов на границе жидкость — твердое тело изучена еще недостаточно, что в существенной степени сдерживает дальнейшее развитие ЭП.

Для того чтобы электрохимическая ячейка ЭП обеспечила  сохранность своей внутренней структуры (фазовый состав электролита, состояние поверхности электрод — электролит) в течение  длительных периодов эксплуатации и конструктивное совмещение с  другими элементами аппаратуры, она помещается в специальный корпус 2 с электродами / и электролитом 3 (рис. 1). Электроды 1  соединены с электрическими выводами 4.

Сама электрохимическая ячейка .может быть представлена  состоящей из двух пар подсистем ар и а'Р', внутри которых свойства меняются непрерывно, за исключением границы фаз, где протекают гетерогенные электрохимические реакции.

...


Архивариус Бизнес-планы Типовые серии Норм. документы Литература Технол. карты Программы Серии в DWG, XLS