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电解电容器之理论之(二)

日期:2012年11月23日 17:44

 

一﹑电容器之种类
       依电容器使用的材质﹐可将电容器归类为塑料膜式电容器﹑铝电解电容器﹑纸质  电容器﹑陶瓷电容器﹑云母电容器﹐铝电解电容器具备小体积﹑大容量﹐具价格低廉的优点。
二﹑电容器的一般标示
       电容器是一种用来储存电荷的组件﹐其构造包含两片金属板﹐当作电极﹐储存正电荷之电极称为阳极﹐反之为阴极。电容器储存电荷之能力﹐称为此电容器之容量C﹐其单位为法拉(Farad),此单位运用时﹐由于法拉单位太大﹐一般均用微法拉﹐1µF=10-6F。
三﹑电容器的基本结构
       理论上电容器的结构如图一所示﹐在诱电体的两面有对立的电极﹐当电压通过此电极间时﹐其电荷储存量为﹕Q=CV(库仑)﹐而C值与电极面积﹐极间距离,诱电体的诱电率有如下关系﹐C=ε.s/d﹐由此可知欲得更大的静电容量,其诱电率极面积越大越好﹐而两极间的距离越小越好。
 四﹑电解电容器的结构及电气特性
       电解电容器的构造是由阳箔﹑阴箔﹑电解纸﹑电解液的结合而成.阳箔经化成后,含有一高介电常数的氧化皮膜(三氧化二铝)﹐此氧化皮膜当作阳箔与阴箔间之绝缘层,氧化皮膜的厚度即为两箔间之距离(d),此厚度可由化成来加出控制,由于氧化皮膜的介电常数高且厚度薄,故电解电容器的容量较其它电容器的容量为高,电解电容器的实值阴极是与氧化皮膜接触之电解液,而阴箔只是将电流传导至电解液而已。电解纸是用来帮助电解液之吸收及避免阳箔﹑阴箔直接接触,因磨擦而使氧化皮膜磨损。

  

       ※.电解电容器的电气特性为静电容量﹑泄漏电流﹑损失角(散逸因子)。
       泄漏电流(Leakage Cur-rent):阳箔氧化皮膜于制造过程中﹐常会受到轻微的污染﹑磨损﹐致使两极间有一少许之电流流过,此电流称为泄漏电流﹐其单位为微安培 (µA)。
损失角(Loss Angle,tanδ)或散逸因子(Dissipation Factor):


                      
       R称为等效串联电阻(Equivalent Series Resistance E.S.R),于低频时﹐一般电容器  
的电感假设为零﹐故等效电路为

 

ω=2πf
  f=频率(Hz)
  C=静电容量 单位法拉(F)
  R=E.S.R单位奥姆(Ω)
  损失角与频率成正比
                    无效成份                      IR            R
(b) D.F= ―――――――――― =  ――― = ――――
                无效成份+有效成分         IZ              Z
   
      若δ →0则Z→Xc(=1/WC  )
      因为D.F=WCR=tanδ
       因电解液的电阻系数比金属导体为高﹐故电容器的损失角﹐可由电解液的电阻系数来决定。当电容器的散逸因素大时﹐则损失电能亦大﹐此会致使电容器发热为了降低电容器的散逸因素﹐最简单的方法就是用低电阻系数的电解液。然而电解液的电阻系数越低﹐则其对铝箔的腐蚀性也就越强﹐因此一般均选用具有良好电导系数及低腐蚀性的电解液。
五﹑电解电容器的制造及制程管制要项
电解电容器的制造程序如表一


1.化成
       阳电极腐蚀箔置于硼酸或磷酸化成液中﹐利用电气化学原理使腐蚀阳极铝箔表面产生氧化皮膜﹐此膜即为电解电容器的诱电体﹐此种过程称为化成。

1-1化成电压与氧化皮膜厚度及容量之关系。铝箔经各种电压化成后﹐其氧化皮  膜厚度完全不相等。高压化成的铝箔其氧化皮膜厚度较低压化成为厚﹐致使距离增大﹐因此容量较低压化成为低﹐即氧化皮膜厚度与化成电压成正比﹐容量则与化成电压成反比﹐如图四所示

 

      1-2化成之制程管制
   (1)量测化成PH值及比电阻(ρ)﹐此两因素会影响电源供应器的电压及 电流﹐而此电压电流系用来控制化成电压。
   (2)量测铝箔化成电压﹐如化成电压小于突破电压 (Surge Voltage)时﹐则需重新化成。
2.裁断
       将化成的阳箔和阴箔﹐依所需要之容量﹐裁切成适当之尺寸。
2-1裁断时之制程管制裁切刀需定期检查﹐保持锐利﹐以免裁切后之铝箔有毛边现象,易造成短路。
3.压钉(如图六﹑七﹑八)
       将导针压钉于阳箔上﹐以成电极。
3-1压钉之制程管制
(1)铝箔与导针压钉﹐必须完全密吻合钉孔位置﹐且在中心位置。
(2)铝箔与导针应成90度角。
(3)铝箔及导针完全接触并压平。如未接触好﹐钉接松或压平不足﹐则会脱剥。
(4)检验导针及铝箔之接触阻抗。
(5)压钉花瓣需完整。
(6)检验压钉之尺寸﹐大口径之电容器﹐如压钉尺寸不合规格时﹐卷取时易造成不良。

 


 4.卷取
       将压钉好的阳箔﹑阴箔及电解纸﹐利用卷取机绕成素子。
 4-1卷取之制程管制
(1)素子心卷紧不可松动﹐以提高容量并保持一定标准。
(2)卷完的素子不得成尖形﹐一定要成完全圆筒形以利装制。
(3)不可将同极铝箔卷在一起﹐每一素子内须有正负极铝箔﹐但无极性电容器不在此限。
(4)卷完时电解纸末端必用胶水或胶带贴牢以免脱落。
(5)铝箔不可露出。


 5.含浸
       卷取好之素子置于含浸槽中﹐经加压﹑加温﹑抽真空使素子吸收含槽中的电解液。
5-1含浸之制程管制
       (1)含浸好的素子﹐其脱水时需依作业规定之脱水时间﹐以免素子所含的电解液太干或太湿﹐而影响电气特性。
       (2)含浸好的素子需置于有盖之容器内﹐以免受潮﹐另需以标签明示﹐避免混入他种规格产品。
6.组立﹑封口
       含浸好之素子与铝壳﹑胶盖组合﹐再利用封口机于铝壳封口处﹐加以密封﹐以防电解液蒸发外漏。
6-1组立﹑封口之制程管制﹕
       (1)减少含浸好的素子与空气接触时间﹐一般以一天为限。
       (2)胶盖与铝壳需洗净﹐不得沾有灰尘。
       (3)封口后需检查封口高度﹑腰深及封口是否紧密。

 

7.套胶管﹑老化
       封口好之电容器套上绝缘胶管﹐称为套胶管﹐套胶管好之成品﹐除可绝缘外﹐尚能指示其规格值。电容器于制造时﹐需先将铝箔裁切成适当之尺寸﹐阳箔经裁切后﹐其氧化皮膜因而破损﹐造成极大泄漏电流﹐此时可将电解液当作化成液﹐经加电压后﹐可将破损的氧化膜弥补起来﹐此作用称为老化﹐又称二次化成﹐所加之电压称为老化电压。
7-1套胶管﹑老化之制程管制
       (1)套胶管应避免极性相反﹐注意收缩不良﹑偏差等。
       (2)注意使用电压之变化。
       (3)充电时间 与温度须符合规定﹐将充电时间加以记录以供查考。
8.检查
         老化好之产品﹐经外观电气特笥检验后﹐即为良好之电解电容器。
  外观检查﹕
       (1)产品标示须与制造规格标准相同﹐异规格不可混入。
       (2)产品标示不清或极性标示错误﹐应予剔出。
       (3)对收缩套管不良(胶管皱纹﹑胶管破裂﹑铝壳外露)产品应剔出﹐俟加工处理扣﹐再予以复验。
       (4)导针不可有生锈的状况。
       (5)漏液﹑导针突出需挑出处理。
       (6)极性偏差需在规格值以内。
 电气检查﹕
        依国家标准或客户规格作静电容量﹑泄漏电流﹑损失角的检验﹐检验需注意所使用之频率。
六﹑电解电容之现状
       电解电容器依功能可分为直流用电解电容器及交流用电解电容器﹐直流用电解电容器又可分为无极性电容器﹑双极性电容器﹑低泄漏电流电容器﹑高频电容器等﹐交流用电解电容器一般为马达起动电容器。
       无极性电容器(Non Polar)此电容器一般用于扬声器中之分音器﹐其铝箔均用化成箔﹐因不分正负极﹐故于制程中老化时﹐两极均需老化﹐以免两极容量不均匀﹐且测试频率一般为1KHZ﹐静电容量误差为±10%﹐损失角为10%或6%以下。
       双极性电容器(Bipolar)此电容器用于电视水平扫描电路﹐当加15.75KHZ之信号时﹐在需耐极大的纹波电流﹐其纹波电流单位为毫安(mA)
低泄漏电流电容器---高级音响中的频率调整﹐音量调整﹐前置放大需用此种低泄漏电流电容器﹐此种电容器的老化方法较一般不同﹐通常都用断续充电法。断续充电法﹕(a)利用定电压﹐定电流方式﹐将电压加于电容器﹐休息30分至1小时﹐然后再充电﹐如此反复老化﹐其时间约16至20小时为止。断续老化可得较低之泄漏电流﹕目前自动老化的充电时间较往昔手动充电为短﹐其原理亦利用此种断续老化法。        

       目前电解电容器因台币升值﹐及材料﹑工资不断上涨﹐而售价涨幅有限﹐制造业者为了降低成本﹐除了力求生产自动化外﹐尚有将制程分段外包加工﹐如外购素子﹑组立﹑封口﹑套包加工,此种生产型态应加强外包管制及入厂检验﹐以管制其产品之质量。
       近几年国内信息相当发达﹐电解电容器制造业者为求更高之利润﹐积力开发计算机用的高频电容器﹐105度电容及产业用125度电容器。105度电容器----制程环境需力求洁净﹐避免污染﹐铝壳﹑胶盖等需洗涤干净﹐另组立场所需控制湿度﹐以免含浸好之素子吸收空气中之水份;电解液中之含水量越少越好﹐可避免高温水份之蒸发。
       125度电容器----此种电容器具高信赖性﹐一般使用于产业电机﹐如传真机﹑交换机等﹔其制造注意事项如同105度电容器﹐另部份业者为了将工作温度提长至125度﹐故于电解液中加入少许的DMF﹐DMF虽能提高工作温度﹐但含剧毒﹐人体应避免接触﹐其等效电路含有电感值﹐即﹐低频时电感可忽略﹐损失角只受电容及电阻之影响﹐即tamδ=WCR,然于高频时因受电感之影响﹐损失角将改成impedance(Z)﹑而影响Z的三因素为电容抗(Xc),阻抗(R),电感抗(XL),此三者成向量关系。高频电容器于使用时Z值减小﹐宜选用低倍率的铝箔及注意导针的压钉位置﹐导针最好压钉于铝箔长度之中央位置﹐以减少电感值。

       即﹐低频时电感可忽略﹐损失角只受电容及电阻之影响﹐即tamδ=WCR,于高频时因受电感之影响﹐损失角将改成impedanceZ)﹑而影响Z的三因素为电容抗(Xc,阻抗(R,电感抗(XL,此三者成向量关系。高频电容器于使用时Z值减小﹐宜选用低倍率的铝箔及注意导针的压钉位置﹐导针最好压钉于铝箔长度之中央位置﹐以减少电感值。