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铝电解电容器理论之(三)

日期:2012年11月23日 18:12

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

介质

相对介电常数

介质

相对介电常数

铝氧化膜

7 ~ 8

陶瓷

10~120

薄膜树脂

3.2

聚苯乙烯

2.5

云母

6 ~ 8

钽氧化膜

10 ~20

虽然铝电解电容器非常小,但它具有相对较大的电容量,因为其通过电化学腐蚀后,电极箔的表面积被扩大了,并且它的介质氧化膜非常薄。

图1-2形象地描述了铝电解电容器的基本组成。


 图1-2


1-2 电容器的等效电路
电容器的等效电路图可由下图2表示


 
图2


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。
 


tanδ =RESR/ (1/wC)= wC RESR
其中:RESR=ESR(120 Hz)
w=2πf
f=120Hz
tan δ随着测量频率的增加而变大,随测量温度的下降而增大。
阻抗(Z):
在特定的频率下,阻碍交流电通过的电阻就是所谓的阻抗(Z)。它与容量以及电感密切相关,并且与等效串联电阻ESR也有关系。具体表达式如下:
 
其中:Xc=1/ wC=1/ 2πfC
XL=wL=2πfL
漏电流:
电容器的介质对直流电具有很大的阻碍作用。然而,由于铝氧化膜介质上浸有电解液,在施加电压时,重新形成以及修复氧化膜的时候会产生一种很小的称之为漏电流的电流,刚施加电压时,漏电流较大,随着时间的延长,漏电流会逐渐减小并最终保持稳定。
 
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
 
以下是回路的有关已知条件:
① V2= V0(V1<V2)
② V=2aV0 (a<1)
③ R2=R1xb (b>1) (1)
3-2 推导[RB]的公式
3-21根据电桥平衡可推算出下列的式子:
 
3-2-2 由已知条件可以推出下列公式:
V2≤V0 (3)
V1=V-V2 (4)
=2aV0- V2 (4')
3-2-3 将(1,), (3)以及(4')代入(2),可得:
 
2abV0(R1+RB)=V2 {b (R1+R2)+bR1+RB}
2ab(R1+RB) ≤2b R1+(1+b) RB
因此,平衡电阻Rs可表示如下:
 
3-3 举例
两个400V 470μF 的电容器相串联的情况下的平衡电阻的推导:(漏电流的标称值为1.88mA)
 
如果,a=0.8, 印加电压为400(V) x2x0.8=640(V)
若b=2, R2=b R1=426(KΩ), LC=0.94(mA).
均衡电阻RB为:
 
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。
铝电解电容器的使用注意简要:
1、电路设计
(1)在确认使用及安装环境时,作为按产品样本设计说明书上所规定的额定性能范围内使用的电容器,应当避免在下述情况下使用:
  a)高温(温度超过最高使用温度)
  b)过流(电流超过额定纹波电流)
  c)过压(电压超过额定电压)
  d) 施加反向电压或交流电压。
  e)使用于反复多次急剧充放电的电路中。
另:在电路设计时,请选用与机器寿命相当的电容器。
(2)电容器外壳、辅助引出端子与正、负极 以及电路板间必须完全隔离;
(3)当电容器套管的绝缘不能保证时,在有绝缘性能特定要求的地方请不要使用;
(4)请不要在下述环境下使用电容器:
  a) 直接与水、盐水及油类相接触、或结露的环境;
  b) 充满有害气体的环境(硫化物、H2SO3、HNO2、Cl2、氨水等);
  c) 置于日照、O3、紫外线及有放射性物质的环境;
  d) 振动及冲击条件超过了样本及说明书的规定范围的恶劣环境;
(5)在设计电容器的安装时,必须确认下述内容:
  a) 电容器正、负极间距必须与线路板孔距相吻合;
  b) 保证电容器防爆阀上方留有一定的空间;
  c) 电容器防爆阀上方尽量避免配线及安装其它组件;
  d) 电路板上,电容器的安装位置,请不要有其它配线;
  e) 电容器四周及电路板上尽量避免设计、安装发热组件;
(6)另外,在设计电路时,必须确认以下内容:
  a) 温度及频率的变化不至于引起电性能变化;
  b) 双面印刷板上安装电容器时,电容器的安装位置避免多余的基板孔和过孔;
  c) 两只以上电容器并联连接时的电流均衡;
  d) 两只以上电容器串联连接时的电压均衡。
2.组件安装
(1)安装时,请遵守以下内容:
  a) 为了对电容器进行点检,测定电气性能时,除了卸下的电容器,装入机器中通过电的电容器请不要再使用;
  b) 当电容器产生再生电压时,需通过约1KΩ左右的电阻进行放电;
  c) 长期保存的电容器,需通过约1 KΩ左右的电阻加压处理;
  d) 确认规格(静电容量及额定电压等)及极性后,再安装;
  e) 不要让电容器掉到地上,掉下的电容器请不要再使用;
  f) 变形的电容器不要安装;
  g) 电容器正、负极间距与电路板孔距必须相吻和;
  h) 自动插入机的机械手力量不宜过大;
(2)焊接时,请确认下面内容:
  a) 注意不要将焊锡附着在端子以外;
  b) 焊接条件(温度、时间、次数)必须 按 规定说明执行;
  c) 不要将电容器本身浸入到焊锡溶液 中;
  d) 焊接时,不要让其它产品倒下碰到电容器上;
(3)焊接后的处理应不产生以下的机械应力:
  a) 电容器发生倾倒、扭转;
  b) 电容器碰到其它线路板;
  c) 使其它物体碰撞到电容器;
(4)电容器不要用洗净剂洗净,不过,在有必要洗净的情况下对电容器进行洗净,必须在产品规格书规定的范围内进行;
(5)对有必要洗净的电容器,洗净时,须确认下列内容:
  a) 洗净剂污染管理(电导率、PH值、比重、水分等);
  b) 洗净后,不能保管在洗净液环境中及 密闭容器中,要采用(最高使用温度以下的)热风干燥印刷电路板及电容器,使之不残留洗净液成分。
(6)不使用含卤素的固定剂、树脂涂层剂。
(7)使用固定剂、涂层剂时,请确认以下内容:
  a)电路板与电容器之间,不能残留焊接残渣及污垢;
  b) 固定剂、涂层剂吸附前,尽可能不残留洗净成分,进行干燥处理,使印刷孔不堵塞;
  c) 固定剂、涂层剂热硬化条件,按规定说明书要求执行。
3.组装使用
(1)组装使用中,请遵守以下内容:
电容器的端子间不要直接接触,另外,不要让导体物质引起正负极短路;
(2)请确认所安装电容器所处环境
  a)不要与水或油污接触或处于结露状 态
  b)不要让日光、O3、紫外线及放射线直接照射到电容器上
  c)不要处于充满有害气体的环境(硫化氢、亚硫酸、亚硝酸、氨水、Cl2 等)
  d)震动及冲击不要超过样本或规格说明中规定值;
4.保守点检
工厂企业用的电容器,必须定期点检,定期点检项目包括外观检查及电性能的测试;
5.意外情况
(1)组装使用过程中,如电容器防爆阀打开,请切断组装主电源或拔下电源线插头;
(2)电容器防爆阀动作时,因有超过100℃高温气体喷出,脸不要接近。喷出的气体进入眼睛时,立即用水清洗眼睛。不要尝电容器的电解液,电解液溅到皮肤上时,用肥皂清洗;
6.熏蒸处理
    当组装电容器的电子产品出口到海外时,用溴化钾等卤化物进行熏蒸处理。因采用此方法可能会产生因卤素离子而引起的腐蚀反应,请务必小心。熏蒸时,熏蒸液不能直接接触电子产品,同时有必要进行充分干燥处理,估计有熏蒸液附者及干燥不充分时,有必要先查询一下安全性;
7.储存条件
(1)在温度为5~30℃,湿度为75%以下的室内储存
(2)不要保存在组装使用中禁用的环境及同等条件下
8..报废情况
废弃的电容器,可任选下面一种方法进行处理:
(1)电容器上开孔或压碎后焚烧;
(2)电容器不焚烧时,交给专职废品回收人员进行深埋等处理