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铝电解电容器理论之(三)

作者:铝电解电容器厂家 来源:互联网 发布时间:2020-07-08 07:13:15
【摘要】: 电容器的基本原理.电容器的由测量交流容量时所呈现的阻抗决定。交流电容量随频率、电压以及测量方法的变化而变化。
1-1. 电容器的基本原理
电容器的基本原理可以用图1-1来描述
当在两个正对的金属电极上施加电压时,电荷将据电压的大小被储存起来

图. 1-1Q=CV    Q:电量( C )   V:电压(V )   C:电容量(F)
 
 
C:电容器的电容量,可以由电极面积S [m2],介质厚度t [m]以及相对介电常数ε来表示
C[F]= ε0•ε•S/t
ε0:介质在真空状态下的介电常数(=8.85x10-12 F/M)
铝氧化膜的相对介电常数为7~8,要想获得更大的电容,可以通过增加表面积S或者减少其厚度t来获得。
表1-1列出了电容器中常用的几种典型的介质的相对介电常数,在很多情况下,电容器的命名通常是根据介质所使用的材料来决定的,例如:铝电解电容器、钽电容器等。
表 1-1

R1:电极和引出端子的电阻
R2:阳极氧化膜和电解质的电阻
R3:损坏的阳极氧化膜的绝缘电阻
D1:具有单向导电性的阳极氧化膜
C1:阳极箔的容量
C2:阴极箔的容量
L :电极及引线端子等所引起的等效电感量
1-3基本的电性能
1-3-1 电容量
电容器的由测量交流容量时所呈现的阻抗决定。交流电容量随频率、电压以及测量方法的变化而变化。铝电解电容器的容量随频率的增加而减小。和频率一样,测量时的温度对电容器的容量有一定的影响。随着测量温度的下降,电容量会变小。
另一方面,直流电容量,可通过施加直流电压而测量其电荷得到,在常温下容量比交流稍微的大一点,并且具有更优越的稳定特性。
1-3-2 Tan δ(损耗角正切)
在等效电路中,串联等效电阻ESR同容抗1/ wC之比称之为Tan δ,其测量条件与电容量相同。

 
漏电流随时间变化特征图
测试温度和电压对漏电流具有很大的影响。漏电流会随着温度和电压的升高而增大。
2. 铝电解电容器的寿命
2-1.忽略纹波电流时的寿命推算
一般而言,铝电解电容器的寿命与周围的环境温度有很大的关系,其寿命可以由以下公式计算。

其中,L:温度T时的寿命
L0:温度T0时的寿命
与温度比较,降压使用对电容器的寿命影响很小,可忽略不计。
2-2.考虑纹波电流时寿命的推算
叠加纹波电流,由于内部等效串连电阻(ESR)引起发热,从而影响电容器的使用寿命,产生的热量可由下式计算
P=I2R………………..(2)
I:纹波电流(Arms)
R:等效串联电阻(Ω)
由于发热引起的温升


其中,△T: 电容器中心的温升(℃)
I: 纹波电流 (Arms)
R: ESR (Ω)
A: 电容器的表面积(cm2)
H: 散热系数( 1.5~2.0x10-3W/cm2x℃)
上面公式(3)显示电容器的温度上升与纹波电流的平方以及等效串联电阻ESR成正比,与电容器的表面积成反比,因此,纹波电流的大小决定着产生热量的大小,且影响其使用寿命,电容器的类型以及使用条件影响着△T值的大小,般情况下,△T<5℃。下图表示纹波电流引起的温升的测量处

测试结果:
(1).考虑到环境温度和纹波电流时的寿命公式
 
其中,Ld:直流工作电压下的使用寿命
(K=2,纹波电流允许的范围内)
(K=4,超过纹波电流范围时)
T0:最高使用温度
T :工作温度
△T:中心温升
(2)电容器工作在额定的纹波电流和上限温度时,电容器的寿命可通过转化(4)式得到,如下:

 
其中,Lr:工作在额定纹波电流和最高工作温度下的寿命(h)
△T0:最高工作温度下的电容器中心容许温升。
(3)考虑纹波电流,环境温度时可由(5)式得到下式:

其中,I0:最高工作温度下的额定纹波电流(Arms)
I:叠加的纹波电流(Arms)
由于直接测量电容器的内部温升存在着困难,下表列出了表面温度和内部核心温度的换算关系。
图表2-1
直径 ~10 12.5~16 18 22 25 30 35
中心/表面 1.1 1.2 1.25 1.3 1.4 1.6 1.65
寿命的推算公式,原则上适用于周围环境温度为+40℃到最高工作温度范围内,但由于封口材料的老化等因素,实际的推算寿命时间一般最大为15年。
(表2-1 寿命推算曲线)
 
3 电容器的串联均衡电阻的计算:
3-1 回路展开图
两个电容器(C1,C2)相串联,等效电路可用下图来表示,均衡电阻RB的计算公式可表示如下



4. 冗余电压
   铝电解电容器先充电,再放电,而后再将两引线短接,再将其放置一段时间后,两端子间存在电压上升的现象;由这种现象所引起的电压称之为再生电压。下面介绍一下产生这种现象的过程。
   当电压施加在介质之上时,在介质内部引起电子的转移,从而在介质内部产生感应电场,其方向与电压的方向相反,这种现象称之为极化反应。
   在施加电压引起介质极化后,如果两端子进行放电一直到端子间的电压为零,而后将其开路放置一段时间后,一种潜在的电势将出现在两端子上,这样就引起了再生电压。
   再生电压在电容器开路放置10~20天时达到峰值,然后逐渐降低,再生电压有随组件变大而增大的趋势(基板自立形) 如果电容器在产生再生电压后,两端子短路,瞬间高电压放电可能引起组装线上的操作员工的恐惧感,并且,有可能导致一些低压驱动组件(如CPU,存储器等)被击穿的危险,预防出现这种情况的措施是在使用前加100Ω~1KΩ的电阻进行放电,或者在产品包装中用铝箔覆盖引起两端子间短路。如需更详细的解答,请与我们联系。
 

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