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电解电容器如何正确地使用(一)

作者:capsun来源:青佺电子 日期:2013年12月6日 22:34

目录

1. 铝电解电容器的概述

1 -1 铝电解电容器的基本模型

1 -2 铝电解电容器的基本构造

1 -3 电容器材料的特性

1 -4 制造工艺

2. 基本性能

2 -1 基本的电气特性(静电容量、损失角正切值、漏电流)

2 -2 阻抗的频率特性

3. 可靠性

4. 故障模式

5. 铝电解电容器的寿命

5 -1 周围温度与寿命

5 -2 工作电压与寿命

5 -3 纹波电流与寿命

5 -4 充放电与寿命

5 -5 浪涌电流

5 -6 异常电压与寿命

6. 卤素的影响

6 -1 助溶剂的影响

6 -2 清洗剂

6 -3 固定剂、涂层剂

6 -4 熏蒸的影响

7. 再起电压

8. 保管

9. 各种用途的制品选择要点

9 -1 开关调整器输入平滑用途

9 -2 开关调整器输出平滑用途

9 -3 变换器主电路平滑用途

9 -4 控制电路用途

9 -5 照相闪光灯用途

9 - 6 快速充放电用途

 

1.铝电解电容器的概述

1-1 铝电解电容器的基本模型

电容器是无源器件,在各种电容器中,铝电解电容器与其他电容器相比,相同尺寸时,CV值更大,价格更便宜

电容器的基本模型如图-1所示,静电容量计算式如下

C =8.854 ×10-12εS(F)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1

ε : 介电常数

S : 电极板表面积(m2

d :两极板间距离=电介质的厚度(m)

从式(1)中可以看出:静电容量与介电常数,极板表面积成正比,与两极板间距离成反比。

作为铝电解电容器的电介质氧化膜(Al2O3)的介电常数通常为8~10,这个值一般不比其他类型的电容器大,但是,通过对铝箔进行蚀刻扩大表面积,并使用电化学的处理得到更薄更耐电压的氧化电介质层,使铝电解电容器可以取得比其他电容器更大的单

位面积CV

铝电解电容器的等效电路如图-2所示:

铝电解电容器主要构成如下:                                                            

阳极 铝箔                                                                              

电介质阳极铝箔表面形成的氧化膜(Al2O3)                                                  

阴极 真正的阴极是电解液                                                                  

其他的组成成分包括浸有电解液的电解纸,和电解液相连的阴极箔。                               

综上所述,铝电解电容器是有极性的非对称构造的元件。两个电极                                 

都使用阳极铝箔的是两极性(无极性)电容                                                    

CA , CC:阳极箔、阴极箔的静电容量                                                                                                                            图2 电容器等效回路

DA , DC:阳极箔、阴极箔氧化膜的整流作用                                                                                                                                                                                                                                                                                      

L A , LC:阳极箔、阴极箔的电感                                                                                                                                 

R  :电解液和电解纸的电阻                                                                                                                                     

RA , RC:阳极箔、阴极箔的氧化膜电阻

1-2 铝电解电容器的基本构造

铝电解电容器素子的构造如图-3所示,

 由阳极箔,电解纸,阴极箔和端子(内外部端子)卷绕在一起含浸电解液后装入铝壳,再用橡胶密封而成。

铝电解电容器、根据制品的形状不同,外部端子的形状,密封橡胶的材料和构造也不同。如图-4所示

 

 

1-3 电容器材料的特性

铝箔是铝电解电容器主要材料,将铝箔设置为阳极,在电解液中通电后,铝箔的表面会形成氧化膜(Al2O3),此氧化膜的功能为电


介质。如图-5所示,形成氧化膜后的铝箔在电解液中是具有整流特性的金属,被称之为阀金属。

 《阳极铝箔》

 

首先,为了扩大表面积,将铝箔材料置于氯化物水溶液中进行电化学蚀刻。然后,在硼酸铵溶液中施加高于额定电压的电压后,在铝箔表面形成电介质氧化层(Al2O3),这个电介质层是很薄很致密的氧化膜,大概1.1~1.5nm/vot , 绝缘电阻大约为108 ~109Ω/m氧化层的厚度和耐压成正比。为了增加扩大表面积的效率,根据额定电压的不同,而蚀刻形状也不同。(如图-6

《阴极铝箔》

同阳极箔一样,阴极铝箔同样有蚀刻的程序,但是没有氧化的程序。因此,阴极铝箔表面只有少量的自然氧化形成的(Al2O3)能承受的电压只有0.5V左右。 

 

《电解液》

  电解液是由离子导电的液体,是真正意义上的阴极,起着连接阳极铝箔表面电介质层的作用。而阴极铝箔类似集电极一样起着

连接真正阴极和内部电路的作用。电解液是决定电容器特性(温度特性,频率特性,使用寿命等)的关键材料。

《电解纸》

  电解纸主要起着均衡电解液的分布并保持阴极箔和阳极箔间隔的作用。

《铝壳和封口材料》

  铝壳和由橡胶制成的封口材料主要作用是保持电容器气密性。

 

1-4 制造工艺

① 蚀刻(扩大表面积)

 蚀刻的作用是扩大铝箔表面积。蚀刻是在氯化物溶液中施加交流或直流电流的电化学过程。

 

 

② 化成(形成电介质层)

 化成是在阳极铝箔表面形成电介质层(Al2O3)的过程。一般将化成过的铝箔作为阳极使用。

 

 

 

 ③ 裁剪

 按照不同产品的尺寸要求将铝箔(阴极箔和阳极箔)和电解纸剪切为需要的尺寸

 

 

 

 

 

 

 

 

④ 卷绕

将阴极箔和阳极箔之间插入电解纸,然后卷绕成圆柱形,在卷绕工艺上阴极箔和阳极箔上连接端子。

 

 

 

 

 

 

 

 

⑤ 含浸

 含浸是将素子浸入电解液中的过程。电解液能对电介质层进一步修复。  

 

 

 

 

 

 

 

 

⑥ 密封

 密封是将素子装入铝壳中后用封口材料(橡胶,橡胶盖等)密封的过程。   

 

 

 

 

 

 

⑦ 老化(再化成)

 老化是对密封后的电容器在高温下施加电压的过程。这个过程能将裁剪和卷绕过程时电介质层的一些受损进行修复。

⑧ 全检,包装

 老化之后,将对所有产品进行电气特性检查。并进行端子加工,编带等。最后进行包装。

⑨ 出货检查

根据产品检验标准进行出货检验。

⑩ 出货。

2.基本性能

2-1 基本的电气特性

电极表面积越大,容量(储存电荷的能力)越大。铝电解电容器的静电容量值是在20℃,120Hz 0.5V的交流电条件下测试的值2-1-1 静电容量。 一般来说,温度升高,容量也会升高;温度降低,容量也会降低(如图7频率越高,容量越小;频率越低,容量越大(如图8

 

 

 2-1-2 Tanδ(也称为损失角或损失系数)

 (图9)是等效电路图2的简化等效电路(图10)是理想的电容器的等效电路电阻R=0,tanδ=0。但实际上,铝电解电容器因为电解液、电解纸及其他接触电阻的存在,等效电路电阻R不为0。1/wC和R的关系如图-10和公式(2)

 

ω:2πf

π=圆周率、f:频率(f =120Hz)

 

2-1-3 漏电流(LC

漏电流是铝电解电容器特性之一,当施加直流电压时,电介质氧化层允许很小的电流通过,这一部分小电流称为漏电流。理想的电容器是不会产生漏电流的情况(和充电电流不一样)。漏电流(LC)会随时间而变化,如图-12所示。LC随时间而减小后会达到一个稳定值。因此,LC的规格值为20℃下施加额定电压一段时间之后所测量的值。当温度升高时,LC增加;温度降低,LC减少(图-13所示)。施加的电压降低,LC值也会减少。

2-2 阻抗的频率特性

施加在电容器上的交流电压的频率变化的话,作为阻止AC电流的参数,阻抗(Z)也会产生变化(如图-14所示)。这就是电容器的阻抗-频率特性。

(图-9)是电容器等效电路的简化模型。(图14)的虚线部分代表这个电路中的组成成分(C,R,L)。从图可得之,阻抗-频率特性是由C,R,L的频率特性组合而成。1/ωC是容抗,图中容抗的直线向下角成45°角。 ωL是感抗,它的直线向右上角成45°角。R代表等效串联电阻。在低频率区间,有频率依存性的电介质损失影响大,因而R曲线向下。在高频区间,电解液和电解纸的阻值占主导地位,不再受频率的影响,因而R值趋于稳定。阻抗表达式如式(3)所示.

由于铝电解电容器的阻抗特性主要受电解液和电解纸的阻值的影响,在自身共振频率时,Z值相对要较高(如图-15所示)。同时,阻抗也受温度影响:温度升高,阻抗减少;温度降低,阻抗增大(如图-16)。

3.可靠性

在设计需要使用电容器的设备的时候,要重点考虑其电容器的可靠性,故障率及使用寿命。铝电解电容器的故障率近似于图-17的浴桶曲线。

A,初期故障期

开始使用后不久、由设计,制造上的缺陷或与使用环境不适应所产生的故障期间。铝电解电容器是指在制造工序中调试剔出的不良、是产品出货前的故障。

B,偶发故障期

故障发生率低且稳定,发生一些与时间无关的故障期间。铝电解电容器与其它半导体、钽固体电解电容相比,此期间发生破坏故障率要低。

C,损耗故障期

特性慢慢被老化,随着时间的推移,故障率升高的期间。从铝电解电容制造完成开始,含浸过后的电解液透过封口

橡胶、随着时间蒸发、静电容量及损失角正切超出规格的期间定义为损耗故障期(寿命)。到损耗故障为止的期间即为有效寿命。

电解电容的故障分为失效故障和损耗故障。《失效故障》

由短路、开路等引起电容器的功能完全丧失的故障形态。《损耗故障》

特性渐渐劣化所产生的故障形态。根据设备的使用目的而故障的判定基准也不同。

以下判定基准的耐久性项目是按系列来规定的。

 ·静电容量的变化率

 ·损失角的正切

 ·漏电流

作为故障率的单位%/1000 小时(10-5/ 小时)用的最多。而要求故障率更低的高可靠性部品使用Fit10-9/ 小时。

  铝电解电容器是,电气特性随着时间的推移而渐渐劣化、故障率升高的损耗故障部品。一般的故障率Fit是由试料数×时间来决定。

  对于铝电解电容器来说、即使在试料数多的时候算出来的故障率和试验时间长的时候算出来的故障率相等,含义还是不同。所以作为铝电解电容器的可靠性并不适应故障率这一说法,而应该考虑作为电气特性判定基准的寿命时间的可靠性。

虽然有MTBF(平均故障间隔)和MTTF(到故障为止的平均时间)两个参数来衡量产品的可靠性。但铝电解电容器属于MTTF(不用修理的机器.部品)的范畴,所以到故障为止的工作时间的平均值用『MTTF□时间』来表示。

4.故障模式 故障模式,根据引发故障的使用条件而不同。(图-18

 

 

5.铝电解电容器的寿命

铝电解电容器的使用寿命会因使用条件而受到很大的影响。作为环境条件包括温度、湿度、气压、振动等,电气条件的话,有电压、纹波电流、充放电等。平常在平滑电路下的使用时、温度和纹波电流所产生的发热是决定寿命的重要因素、作为耐久性在目录及纳入仕样书中均有记载。而且,如持续在高湿度、振动的用途及频繁充放电的用途的情况下,要考虑各个条件下的耐久性。

5-1 周围温度与寿命

電電铝电解电容器的寿命、一般受电解液通过封口部向外蒸发的现象的影响、表现为静电容量的减少、损失角正切值的增大。电解液的蒸发速度和温度的关系用阿雷尼厄斯定律表示(4)(5)

k :反应速度常数

A: 频度因子

E :活性化能量

R :气体常数(8.31J/deg)

T :绝对温度(K

把上述公式(5)应用于铝电解电容器的寿命的话,就成了公(6)、

变换成公式(7

 

Lo :温度To时的寿命(小时)

Lx :温度Tx时的寿命(小时)

To :制品的工作上限温度(K

Tx :实际使用时的周围温度(K

用公式(8)来推算实际的寿命。

Lx =Lo·Bt(TO-TX)/10…………..(8)

Lo :在工作温度的上限、施加额定电压或额定纹波电流

重叠时的规定寿命(hours

( 各制品的耐久性规定时间)

Lx :温度Tx时的寿命(小时)

To :制品的工作上限温度(℃)

Tx :实际使用时的周围温度(℃)

Bt :温度加速系数

 在此,温度加速系数Bt,在60~95℃时太约为2,适用于10℃2倍数定律。但是、在阿雷尼厄斯公式(6),绝对温度的倒数1/T和寿命的对数之间有着直线关系,因此严格来讲,也有并不近似10℃2倍数定律的温度范围。(图-19)特别是当制品的保证温度为超过105℃时的寿命推算,根据推算温度加速系数Bt的温度范围,而必须改变系数。关于实际的寿命推算请另行咨询。

 对于低温段的寿命,因为没有实际的评估数据、且对于长时间的耐久性,不仅要考虑电解液的蒸发以外还要考虑封口材质劣化等要素,所以请把40℃作为下限,并把15年作为推算寿命的上限(图20)。

5-2 施加电压与寿命

在额定电压以下使用的话,一般来讲施加的电压对其使用寿命影响很小,与其周围温度及纹波电流所产生的发热的影响相比,影响几乎可以不用考虑。

不过、尺寸大的高压品,因为电解液的搭载量多,除了因温度而使电解液蒸发以外,也不可忽视因施加电压而让氧化膜劣化的因素。因此,额定电压为350V以上的一部分LGR制品,在寿命推算中要考虑减小施加电压所产生的因素。

5-3 纹波电流与寿命

  铝电解电容器与其他电容器相比,因损失比较大,纹波电流会引起内部发热。纹波电流引起的内部发热会随着温度的上升而增大,

而给寿命带来很大的影响。因此每个制品都设定有额定的纹波电流。

5-3-1 纹波电流和发热

施加纹波电流时的消耗电力如下列公式。

W=IR2R +VIL ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(9

W :内部的消耗电力

IR :纹波电流

R :内部电阻(等效串联电阻)

V :施加电压

IL :漏电流

漏电流IL 在最高使用温度时是20℃时的5~10倍,因IR >IL

所以公式为(10

W ≒IR2R ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(10

用公式(11)来求达到平衡发热和放热温度的条件。

IR2R =βAΔT ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(11

β :放热常数

A :铝壳表面积

ΔT :根据纹波电流的自我温升(℃)

 

D :铝壳的直径

L :铝壳的高度

自我温升ΔT 公式(12 )

纹波电流为120Hz的情况下,自我温升由公式(12)转化为公式(13)

 

tan:120Hz下的的损失角正切值

ω:2πf (f为120Hz)

C :120Hz下的静电容量(F

根据纹波电流可用公式14来算出大概的自我温升ΔT

ΔT =(Ix/Io 2×ΔTo ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(14)

Io:额定纹波电流(Arms)

Ix:实际使用时的纹波电流(Arms

   ΔTo:叠加额定纹波电流时的自我温升(℃)自我温升因系列而异,请另行咨询

虽然有一些系列降低周围温度可以施加超过额定的纹波电流,但自我温升△T升高的话,寿命就会变短。△T在各种周围温度下都有其规定界限值,请在使用中不要超过其界限值。另外、素子中心温度的界限值为『Tx+△T界限值』下表是各周围温度下的ΔT 界限值的例子。

周围温度 85以下 105
ΔT界限值 15 5

 

ΔT 界限值因系列而异,请另行咨询。

5-3-2 纹波电流与频率

通常,额定纹波电流值都是用120Hz或100KHz下的正弦波的有效值来标准化的,但由于等效串联电阻ESR具有频率特性,所以根据频率的变化,可以允许的纹波电流值会有改变。就像开关电源,铝电解电容器内有商用电源频率成分和开关频率成分的情况下,内部消耗电力用下列公式(15)表示。

W=If12 Rf1+If22 Rf2⋯⋯Ifn2 Rfn ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(15

 W :消费电力

If1、If2Ifn:f1、f2、fn 各个频率下的纹波电流值(Arms)

Rf1、Rf2Rfn:f1、f2、fn 各个频率下的等效串联电阻(Ω)

各频率下面的频率修正系数用Ffn 表示、用fo来作为纹波电流基准下的频率的话,因Rfn =Rfo/Ffn、所以各频率下的纹波电流可用

公式(16)来换算。

Ifo :用基准频率换算的纹波电流值(Arms

Ff1、Ff2Ffn :f1、f2、各个频率下的频率修正系数因等效串联电阻会随温度而变化、β会随基板安装环境而变化,所以推荐用热电偶实测的方法来求到正确的ΔT值。

5-3-3 寿命推算式

  考虑过因周围温度和纹波电流使本身的温度上升和施加电压的影响后的寿命推算公式一般用(17)~(19)表示。关于上限温度为125℃以上产品的寿命计算式,请与弊司联系。

  对象系列:LWS、LHD、LXD、LGR、LHA、LHH、CER、CEL、CHI、CLM、CXS、CHA、VXS、CS2

规定施加DC额定电压时

规定叠加纹波电流时

螺丝端子型 额定电压为350V以上时

Lo   :工作温度为最大,施加额定电压时的规定寿命( 小时)

Lr   :工作温度为最大,叠加额定纹波电流时的规定寿命(小时)

Lx   :在实际使用条件中推算的寿命(小时)

To  :制品的工作上限温度(℃)

Tx   :实际使用时的周围温度(℃)

40以下的时候,在推算寿命的时候请按40来推算

ΔT :叠加纹波电流时的自我温升(℃)

※ΔT o :叠加额定纹波电流时的自我温升

※A :因纹波电流频率、自我温升而不同

※Kv :电压减少率

 关于※的内容,请另行咨询。请注意推算出来的结果并不是保证值。在对设备进行寿命设计的时候,请检讨使用寿命充裕的电容器。

推定寿命计算结果超过15 年的场合,按15 年为上限。如果需要推定寿命15 年以上的产品,请与弊司联系。

5-4 充放电与寿命

给铝电解电容器施加电压的话,正极箔的电介质上就会积累电荷。通过放电电阻放电的时候,积累在正极箔上的电荷就会移动到负极箔上。此时,铝和电解液就会在负极箔上发生化学反应(形成电介质)。

像这种反复多次充放电的场合,发生化学反应的负极箔容量和电容器的容量都会减少。与此同时、也会产生发热.气体。根据充放电条件,内压上升后会产生压力阀动作或产品破坏等情况。铝电解电容器用于以下的用途时,请与青佺技术部商谈。

·频繁的开/关电源的电路

·反复短周期的快速充放电的电路

·反复电压变动大的充放电的电路

5-5 浪涌电流

  虽然电源起动时及电焊机开始充电时电流所通过的浪涌电流的单位为msec,但此时的电流是平时的10-1000倍。一般来说,在单

个的浪涌电流的时间内产生的热量很小,不会有问题出现。但请注意,如频繁反复的通过浪涌电流,就会和叠加过大纹波电流产生同

样的情况,素子的发热超过容许值、外部端子的连接部或是电容器内部引出的端子线与铝箔的接触部会产生异常发热。

   预知后续详情,请见  电解电容器如何正确地使用(二).......