范文一:铝电解电容器基础知识
铝电解电容器基础知识
美国知名电容制造商 CDE 提供
1, 电解电容器的构造
腐蚀 Etching
阳极和阴极金属箔是由高纯度的 , 很薄的只有 0.02— 0.1mm 铝箔做成的 , 为了增加盘面积和电容量 , 与电解液接触的表面积的增加是通过蚀刻金属箔去溶解铝 , 使整个铝箔的表面形成一个高密度的 网状的有几十亿个精细微管道的结构 .
化成 Forming
阳极箔上有电容器的电介质 . 电介质是一层很薄的铝氧化物 ,AL2O3, 那是一个在阳极箔上的化学生 长过程 , 这个过程叫 “ 化成 ”.
这个电压是最后电容器额定电压的 135%-200%.
阴极箔不用化成 , 它保持着很高的表面积和高密度的蚀刻模式 .
氧化膜的耐电压不足和电解液自身的闪火放电都会造成短路 .
卷绕 Winding
电容元件的卷绕是一层隔离纸 , 一层阳极箔 , 另一层隔离纸和阴极箔 . 这些隔离纸防止箔之间接触形 成短路 , 这些隔离物后来保留住电解液 .
在卷绕铝箔芯子或卷绕过程中为后来连接电容器端子附上箔 . 最好的方法是通过冷焊 , 把箔焊上带 子 , 冷焊可以减少短路失效 , 有更好的高纹波电流性能和放电性能 .
内引出端面切口、与引出端铆接的箔条和电极箔剖面的切口都会有毛刺 , 从而造成相对电极间短 路 .
电容器发热芯包膨胀和安全阀打开时的压力冲击 , 芯包发生变形 , 导致电极间短路 .
封口 Sealing
电容元件被密封在一个罐子里 .
为了释放氢 , 密封圈不是密闭的 , 它经常是压力封闭的即将罐子的边沿滚进一个橡胶垫圈 , 一个橡胶 末端插销或滚进压成石碳酸薄板的橡胶 .
太则紧密封会导致压力增加 , 太松则密封会因为电解液的可允许的流失而导致缩短寿命 .
2, 电容量
电容量公差 Capacitance Tolerance
电容量的公差是指可允许的电容量的最大值和最小值 , 用相对于额定电容量的百分数的增加和 减少来表示 , 即 ΔC/C.
电容量的温度特性 Capacitance Temperature characteristics
电容量随温度的变化而变化 . 这个变化的本身很小程度上是依赖于额定电压和电容的尺寸的 . 从 25℃到限制的最高温度电容量的增加量小于 5%.
大部份电容在 -20℃至 -40℃時 , 容值下降 很快 , 对於標稱 -40℃的產品 , 在 -40℃時低压的电容 , 电容值一般下降 20%,高压电容下降 40% .
对于额定温度为 -55℃的电容 , 在 -40℃时电容值的下降量一般小于 10%,在 -55℃时电容值的下 降量一般小于 20% .
电容量的频率特性 Capacitance frequency characteristics
等效电容值随频率的增加而降低 . 根据电容量自谐振频率一般低于 100kHz.
電容量和電壓關係 Capacitance vs Voltage
例如 : 如果我们有一个 20V 1.2F 尺寸为 3×8.63的电容器 , 我想用 400V 同样尺寸的电容器去代 替 , 那我们选用的容量是多少 ?
1.2×(400/20)1.5=13000uF --- 0.013F@400V
即 :C1*V1^1.5=C2*V2^1.5
.3, 电压
额定 DC 电压 Rated DC voltage
额定直流电压时标示在电容上的电压 , 它是包括纹波电压的最大峰值电压 , 这个电压可能在额定 温度范围内在端子之间持续的被供给 . 较高额定电压的电容可能代替较低额定电压的电容所只 要外形尺寸 ,DF 和 ESR 的额定值是兼容的 .
工作电压 (working voltage)简称 WV
应为标称安全值 , 也就是说应用电路中 , 不得超过此标称电压 .
电解电容工作在远低于额定工作电压时 , 由于不能得到有效的足以维持电极跟电解液之间的退 极化作用 , 会导致电解电容的极化而降低涟波电流 , 增大 ESR, 从而提早老化 . 但是这个说法的前 提是 “ 远低于额定工作电压 ”, 综合一些长期的实践经验来看 , 选取额定工作电压标称值的 2/3左右 为正常工作电压 , 是比较合理的 .
额定浪涌电压 Rated surge voltage
额定浪涌电压是最大的直流过电压 , 即 25℃时时间不超过 30秒偶然的间隔不少于 5分钟电容可 能承受的的电压 .
浪涌电压的测量 Surge voltage measurement
在正常的室温下给电容通过一个 1000Ω±10%的电阻加上额定浪涌电压 (如果电容量是 2500uF 或更高 , 则使用 2500,000/CΩ±10%的电阻 ,C 是电容单位是 uF). 循环加电压 1/2分钟开接着 41/2分钟关 , 当处于关状态时 , 每个电容通过充电电阻或等效电阻放电 . 重复循环 120小时 . 公布测试的 必要条件是为了 DCL,ESR,DF 满足最初的条件 , 且没有机械损坏或电解液的泄漏的迹象 . 没有小 滴或可视的流动的电解液残留物是允许的 .
瞬态过压 Transient over-voltage
铝电解电容一般能承受限制能量的非常高的瞬态过压 .
超过电容浪涌电压额定值 50V 以上的应用将造成高的漏电流和固定电压工作模式就像齐纳二极 管的反向击穿 .
如果电解液不能承受电压的压力 , 电容可能损坏短路 , 但是即使电解液能承受电压的压力 , 这种操 作模式也不能维持很长时间 , 因为由电容所产生的氢气和压力的积累将造成损坏 .
冗余电压
铝电解电容器先充电 , 再放电 , 而后将引线短接 , 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 .
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 , 尔后将其开路放置 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天 ~20天时达到峰值 , 然后逐渐降低 , 再生电压有随着元件变大而增大的趋势 .
如果电容器在产生再生电压后 , 两端子短路 , 瞬间高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元件被击穿的危险 , 预防出现这种情况的措施是在使用前加
100ohm~1Kohm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放电 .
极性 -反向电压 Polar-Reversed Voltage
在电路设计和安装时要检查每一个电容的极性 . 在电容上会标示极性 . 尽管电容能持续承受 1.5V 的反向电压 , 超过这个值就会因为过热 , 压力过大或介质损坏而损坏电容 . 这会造成相关联的开路 或短路故障和电容压力释放口的破裂 .
充电 -放电 Charge-Discharge
铝电解电容没有被设计成可以频繁快速的充电和放电 , 频繁快速的充电和放电会使电容因为过 热 , 压力过大或崩溃而损坏 , 随后的故障是开路或短路 .
对于充电 -放电的应用使用电容设计成这种应用 , 不要超过制造商所建议的放电速率 .
电压分配 Voltage Sharing
在充电期间 , 每个串联电容的电压与实际的电容量的倒数成正比 . 但是达到最终电压时 , 每个电容 上的电压与电容的漏电流的倒数成正比 . 当然串联回路上所有的漏电流是相同的 , 趋向于更高漏 电流的电容将获得比较小的电压 . 因为漏电流随所提供的电压的增加而增加 , 较低的电压会造成 较高的漏电阻抗 , 使电压趋向相同 . 测试高压母线上的串联电容 , 供给电容多出额定电压两倍的 10%的电压 , 在整个温度范围内显示出良好的电压分配 , 没有电容电压曾经超过其额定值 .
电压的降额 Voltage Derating
电压的降额用百分比来表示 , 即给定电压小于额定电压的百分比 , 如一个 450V 的电容工作在 400V 将有 11%的电压降额 .
如用至少高于额定电压 135%的化成电压和 85℃的额定或更高温度 鋁箔所制作的铝电解电容 器 , 不需要过多的电压降额 , 降额可持续增加工作寿命 .
在应用中 , 在温度小于 45℃时工作不需要降额 . 高于 75℃ ,10%的降额是足够的 .
对于更高的温度和高的纹波电流 ,15% 或 20%的降额是合适的 . 军事和空间的应用使用 50%的 电压降额 . 在正常室温下 , 照相闪光 (photoflash)电容可以在满额定电压下被使用 , 因为它们是为 这样的职责而设计的 . 至少 10%的电压降额对于频闪 (strobe)电容有好处 , 因为它们连续工作会 使它们变热 .
.4, 温度
工作温度范围 Operating Temperature Range
它是环境温度范围 , 在这个温度下电容被设计能持续工作 . 很大程度上化成电压决定了高温限制 值 .
低温限制值很大程度上由电解液的低温电阻系数所决定 .
105 ℃等级的化成电压要高于 85 ℃ . 所以 105 ℃ 等级的电容比 85 ℃的电容具有更长的寿命 或更高的承受纹波电流的能力 .
.5, 纹波电流
纹波电流 Ripple Current
纹波电流是流进电容的交流电流 . 之所以称为纹波电流是因为其所关联的依附在电容的直流偏 置电压上的交流电压的行进就像水上的纹波一样 . 纹波电流使电容发热 , 太高的温升将使电容超 过它的最大可允许管芯的温度而很快损坏 , 但是工作于接近最大允许管芯温度将大大缩短预期 的寿命 .
最大可允许的纹波电流决定于多大可被允许且仍能满足电容的负载寿命指标 . 对于铝电解电容 工作于最大允许管芯温度其负载寿命指标典型值是 1000到 10,000小时 . 即六个星期到一年零 七个星期 , 对于大多数的应用这个时间都太短了 .
纹波电流的技术规格 Ripple current specification
纹波电流是由在额定温度下获得希望的温升所决定的 .
通常额定温度为 85℃的电容允许的温升是 10℃ , 最大允许管芯温度是 95℃ .
通常额定温度为 105℃的电容允许的温升是 5℃ , 最大允许管芯温度是 110℃ .
纹波电流额定值通常假定电容是对流冷却 , 整个罐子与空气接触 .0.006W/℃ /in2的对流系数是假 设温升是从空气到外壳 , 管芯温度假设与外壳温度相同 .
功率损耗等于纹波电流的平方乘以 ESR , ( P=I (square)*R) .通常使用 25℃ ,120Hz 的最大的 ESR, 但是既然 ESR 随温度的增加而减少 , 所以可使用低于最大 ESR 的值去计算功率损耗 . 这有一个例子 , 对于 4700uF,450V, 直径为 3 inch(76mm),长为 55/8 inchs(143mm) 的罐型电容 , 其 25℃ ,120Hz 最大的 ESR 是 30mΩ,假设你想要这种电容纹波电流额定值 . 罐型的面积 -不包括 端子末端 -是 60.1in2(388mm2).热导系数是 (0.006)(60.1)=0.36W/℃ . 对于 10℃的温升 , 外壳可能 损耗 3.6W. 所以对于最大的 ESR 是 30mΩ可允许的纹波电流是 11A.(3. 6=I square x 0. 03) 像这个例子里的大的罐型电容忽略了从外壳到管芯的温升就会严重的夸大了纹波电流的容量 .
纹波电流的温度特性 Ripple current temperature characteristics
对于工作温度小于额定温度额定纹波电流会增加 . 在技术指标中会显示增加量 . 一般增加量决定 于最大管芯温度 (Tc),额定温度 (Tr)和环境温度 (Ta)即 :
纹波温度增量 =[(Tc- Ta)/ (Tc- Tr)]1/2
高的纹波电流会使工作寿命小于预期寿命 , 因为电容时间越长其 ESR 越大对于相同的纹波电流 发热量会增加 . 这加速了磨损 .
纹波电流的频率特性 Ripple current frequency characteristics
工作频率不是 120Hz 时 , 要校正额定纹波电流 . 在技术指标中会显示增加量 . 通常增加量决定于预 期随频率的变化的 ESR, 但是就像上面所讨论的 ,ESR 是温度 , 电容量 , 额定电压和频率复杂的函 数 . 所以很难产生一个精确模拟其对频率依赖的纹波 -频率的增量表 . 对于高纹波电流的应用要确 认在你感兴趣的频率下的 ESR, 并计算总的功率损耗 .
电解电容器的寿命还与电容器长时间工作的交流电流与额定脉冲电流 (一般是指在 85℃的环境 温度下测试值 , 但是有一些耐高温的电解电容器是在 125℃时测试的数据 ) 的比值有关 . 一般说来 , 这个比值越大 , 电解电容器的寿命越短 , 当流过电解电容器的电流为额定电流的 3.8倍时 , 电解电 容器一般都已经损坏 . 所以 , 电解电容器有它的安全工作区 , 对于一般应用 , 当交流电流与额定脉 冲电流的比值在 3.0倍以下时 , 对于寿命的要求已经满足 .
实际上 d 的变化范围在 5%— 20%之间 , 它造成纹波电流大小约是电容直流输出电流 , 的 2-4倍 .D 的选择对电容器的影响很大 , 一个比较小的 d 值和高峰值的冲点线路能够产生一个比较大的纹 波电流值 . 纹波电流和 d 的关系可在中看到 , 根据 ESR 和频率的关系 , 变换 d 将会导致电容的能耗 , 这个能耗正比于纹波电流 , 或正比于纹波电流的平方 , 或者是着两个值中的某一点 .
涟波电流对于石机的滤波电路来说 , 是一个很重要的参数 . 涟波电流 Irac 是愈高愈好 . 他的高低 与工作频率相关 , 频率越高 Irac 越大 , 频率越低 Irac 越小 . 传统的认为我们需要在低频时能够有很 高的涟波电流 , 以求得到良好的大电流放电特性 , 使的低频更加结实饱满富有弹性 , 以及良好的控 制驱动特性 ; 实际上在高频时高的涟波电流对音色的正面帮助也很大 , 可以使高频有更好的延伸 和减小粗糙感 .
在 我 们 现 有 的 摩 滤 波 电 容 的 文 章 中 , 推 荐 的 大 部 分 电 容 都 是 日 本 货 , 比 如 说 elna, 红 宝 石 ,nichicon(篮精灵 ), 当然还有日本化工等品种 , 由于我们一入道就接触这些电容 , 因此先入为主 的我们就认为这些电容就是最好的电容 . 当然 , 玩胆机的朋友 , 眼界更为开阔 , 他们决不轻易使用 这些日本货 , 而是想方设法地去寻找欧美货 . 根据本人这些年的实践来看 , 在上面的那些日本货中 , 除了 ENLA 的极少数品种和欧美品种和能有一拼外 , 其他的品种根本不是欧美货的对手 .
在胆机用滤波电容中 , 美国的 cornell dubilier 的效果不错 , 它的直径是 35mm, 高度要比日本货高 一倍 , 但是相同耐压的 RIFA 电容的直径是 75mm, 无法安装 .cornell dubilier电容的脚是 2个较粗
的接线柱 , 通过螺丝固定 , 而很多日本货是四个脚 , 直接焊接 , 因此在替换的时候仍然比较麻烦 , 我 费了很大力气才把我的胆机上的四个滤波电容换好 .
.6, 等效串联電阻 ESR
等效串联电阻 Equivalent Series Resistance
等效串联电阻 (ESR)是一个单一的电阻值 , 它代表了所有的电容的欧姆损耗与电容相串联 . 用于 DC/DC开关稳压电源输入滤波电容器 , 因开关变换器是以脉冲形式向电源汲取电能 , 故滤波 电容器中流过较大的高频电流 , 当电解电容器等效串联电阻 (ESR)较大时 , 将产生较大损耗 , 导致 电解电容器发热 . 而低 ESR 电解电容器则可明显减小纹波 (特别是高频纹波 ) 电流产生的发热 . 电 解电容器 ESR 较低 , 能有效地滤除开关稳压电源中的高频纹波和尖峰电压 .
ESR 的高低 , 与电容器的容量、 电压、 频率及温度 … 都有关 ,ESR 要求越低越好 . 当额定电压固定 时 , 容量愈大 ESR 愈低 .
当容量固定时 , 选用高额定电压的品种可以降低 ESR.
低频时 ESR 高 , 高频时 ESR 低 , 高温也会使 ESR 上升 .
ESR 的测量 ESR measurement
对于铝电解电容 , 是在 25℃时测试在一个测量桥式电路中等效串联电路中的电阻值作为 ESR 的 值 , 测量桥式电路用 120Hz 没有谐波含量最大 AC 信号电压为 1Vrms 没有正向偏置电压的电源 来供电 .
ESR 的温度特性 ESR Temperature characteristics
ESR 随温度的的增加而降低 .
从 25℃到限制的最高温度 ESR 大约降低 35%到 50%.
但是在限制的最低温度时 ESR 的增加超过 10倍 .
对于额定温度为 -20℃或 -40℃的电容 , 在 -40℃时 ESR 的增加超过 100倍 .
ESR 的频率特性 ESR Frequency characteristics
像 DF 一样 ,ESR 随频率而变化 . 重写一次上面 DF 的公式 ,ESR 可由下面的公式来模拟 :
ESR=10,000(DFif) /2лfC +ESRhf
用 ESR 来表示 , 在低频时 ESR 随着频率的增加稳定的下降 ,
关电源的体积不断缩小 , 能量转换效率不断提高 , 使得开关电源的工作频率不断提高 (从 20kHz 到 500kHz, 甚至达到 1MHz 以上 ), 导致其输出部分的高频噪声加大 , 为了有效滤波 , 必须使用超低 高频阻抗或低等效串联电阻 (ESR)的电容器 .
D.3 损耗因数 - Dissipation Factor(DF)
Tan& (损耗角正切 )
在等效电路中 , 等效串联电阻 ESR 同容抗 1/wC 之比称为 Tan& ,其测量条件与电容量相同 .
Tan&=R(ESR)/(1/ wC)= wC R(ESR)
其中 :R(ESR)= ESR(120HZ) w =2 X 3.14 f
F= 120Hz
Tan& 随着测量频率的增加而变大 , 随着测量温度的下降而增大 .
损耗因数是测量损耗角的正切值并用百分数来表示 . 损耗因数也是 ESR 同容性电抗的比值 , 因此 与 ESR 有关 , 用公式表示 :
DF=2лfC(ESR)/10,000
DF 是用百分数表示的没有单位的数值 , 测试频率 f 的单位是 Hz, 电容量 C 的单位是 Uf,ESR 的单 位是 Ω.
DF 的测试 DF measurement
DF 的测试是在 25℃用 120Hz 没有谐波含量最大 AC 信号电压为 1Vrms 没有偏置电压的电源 来供电下完成的 .DF 的值与温度和频率有关 .
DF 的温度特性 DF Temperature characteristics
损耗因数随温度的升高而降低 . 从 25℃到最高温度限制值时 DF 大约降低 50%,但是在最低温度 限制值时 ,DF 增加超过 10倍 . 额定温度为 -55℃的更好的器件的 DF 值在 -40℃时增加量不到 5倍 .
DF 的频率特性 DF Frequency characteristics、
损耗因数在高频时随频率的变化而变化 .DF 用以下的公式来模拟 :
DF=DFif+2лfC(ESRhf)/10,000
DF 是用百分数来表示的总的损耗因数 ,DFif 是用百分数来表示的低频的损耗因数 ,ESRhf 是高 频时的 ESR 单位 Ω,f是测试频率单位 Hz,C 是测试频率下的电容量单位 uF.DFif 是由功率损失 所造成的 , 功率损失是由在铝氧化介质的分子排列方向的电场所产生的 .ESRhf 是由在薄膜 , 连接 器和电解液 /隔离物垫上的阻性损耗所造成的 . 电解液 /隔离物垫上的电阻值经常起主导作用 , 它 的电阻值随频率变化很小 .DFif 的范围大约是从 1.5%到 3%.ESRhf的范围是从 0.002到 10Ω,随温度而降低 .
上面 DF 的公式表明 DF 在低频时是个常数 , 在交越频率处跨越到降低的 DF 和固定的 ESR, 交越 频率与电容量成反比 . 因此高电容量的电容其交越频率就低 . 随着频率的增加高电容量的电容比 低电容量的电容 DF 降低的更多 .
DF 值是高还是低 , 与温度、容量、电压、频率 …… 都有关系 ;
当容量相同时 , 耐压愈高 ,DF 值就愈低 .
频率愈高 ,DF 值愈高 , 温度愈高 , DF值也愈高 .
DF 值一般不标注在电容器上或规格介绍上面 . 在 DIY 选取电容时 , 可优先考虑选取更高耐压的 , 比如工作电压为 45V 时 , 选用 50V 的就不很合理 . 尽管使用 50V 的从承受电压正常工作方 面并 无不妥 , 但从 DF 值方面考虑就欠缺一些 . 使用 63V 或 71V 耐压的会有更好的表现的 . 当然 再高 了性价比上就不合算了 .
含浸 Impregnation
电容器元件注入电解液 , 浸透纸隔离物并且渗透到蚀刻管道里 . 注入的方法可能会涉及到器件的 浸入和真空压力周期的应用不管使用或不使用加热 , 或者在小单元情况下仅仅是简单的吸收 . 电 解液是根据电压和工作温度范围用不同的公式表示的成分的复杂混合物 . 其基本的成分是具有 可溶性和可导电性的盐 -一种溶解物 -以产生电的传导 . 普通的溶剂是乙烯乙二醇 (EG), 二甲基的 甲酰胺 (DFM)和微克丁内酯 (GBL).普通的溶解物是铵硼酸盐和其它的铵盐 .EG 典型应用于额定 值为 -20℃或 -40℃的电容 .DFM 和 GBL 经常应用于额定值为 -55℃的电容 .
在电解液里水起很大的作用 . 水增加了导电性因此减少了电容的阻抗 . 但是它降低了沸点因而妨 碍了高温性能 , 减少了贮藏寿命 . 占几个百分点的水是必要的 , 因为电解液要维持铝氧化物电介质 的完整性 . 当漏电流流动时 , 水被分解为氢和氧 , 氧被附着在阳极金属薄片上通过增加更多的氧来 复原漏电流地点 . 氢通过电容的密封橡胶溢出 .
.7, 漏电流
DCL 漏电流 DC Leakage Current(DCL)
DC 漏电流是指在给定的额定电压下流过电容的直流电流值 . 漏电流的值依赖于给定的电压 , 充 电周期和电容的温度 .
电容器的介质对直流电具有很大的阻碍作用 .
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 .
测试温度和电压对漏电留具有很大的影响 .
漏电流会随着温度和电压的升高而增大
DCL 的测试方法 DCL Method of measurement
漏电流的测量是在 25℃的温度下 , 提供额定电压并通过 1000Ω的保护电阻同测量电路中的电容 相串联 . 加电压 5分钟以后 , 漏电流没有超过规格所给定的最大值 .
铝电解电容都存在漏电的情况 , 这是物理结构所决定的 .
漏电流当然是越小越好 .
电容器容量愈高 , 漏电流就愈大 .
降低工作电压可降低漏电流 .
选用更高耐压的品种也会有助于减小漏电流 .
相同条件下优先选取高耐压品种的确是一个简便可行的好方法 ; 降低内阻、 降低漏电流、 降低损 失角、增加寿命 . 真是好处多多 , 唯价格上会高一些 .
而漏电流值大小的控制是电容器三个参数中的重点 , 漏电流值大小是判断电容器质量的一个重 要标志 .
影响铝电解电容漏电流值的主要因素有 :
(1)所 用 原 材 料 的 纯 度 情 况 , 包 括 正 极 箔 的 含 杂 质 情 况 , 负 极 箔 纯 度 、 去 离 子 水 的 纯 度 , 电 解 纸 的 杂 质 含 量 以 及 其 它 结 构 材 料 、 密 封 材 料 等 等 .
(2)工作电 解 液 的 成 分 、 粘 度 、 P H 值 、 比 电 阻 .
(3)工 作 和 贮存 环 境 的 影 响 .
(4)电 容 器 生 产 的 环 境 和 制 造 工 艺 的 控 制 , 特 别 是 老 炼 工 艺 , 电 容 器 内 部 氧 化 膜 的 修 补 过 程 等 .
把相同容量的电解电容按照额定承受电压进行充电 , 放置一段时间后再检测电容器两端的电压 下降程度 . 下降电压越少的漏电流就越小 .
DCL 的温度特性 DCL Temperature characteristics
随温度的增加而增加
DCL 的测试方法 DCL Method of measurement
漏电流的测量是在 25℃的温度下 , 提供额定电压并通过 1000Ω的保护电阻同测量电路中的电容 相串联 . 加电压 5分钟以后 , 漏电流没有超过规格所给定的最大值 .
把相同容量的电解电容按照额定承受电压进行充电 , 放置一段时间后再检测电容器两端的电压 下降程度 . 下降电压越少的漏电流就越小 .
DCL 的电压特性 DCL Voltage characteristics
漏电流的值随着提供的电压的降低会迅速的减少 .
.8, 外部气压 External Pressure
对于固体电解液的电容没有关联 . 铝电解电容能在 80000英尺 (20320m)和 3kPa 低的气压下工 作 . 最大的空气压力依赖于尺寸和电容的类型 . 超过最大值会通过压坏外壳 , 打开压力释放口或产 生一个短路电路使电容损坏 .
9, 电感 Inductance
电感是等效串联电感 , 对于温度和频率相对独立 . 对于 SMT 典型值的范围是从 2到 8nH, 对于径向
引线的类型其典型值的范围是从 10到 30nH, 对于螺丝端子的类型其典型值的范围是从 20 nH 到 50nH, 对于轴向引线的类型其典型值高达 200nH. 这些低的值是通过制表区域和介质接触几何学 的固有的低的电感量所获得的 . 电容元件具有小于 2nH 的典型的电感量 .
CDE 电感的简单计算公式 : ( 直径 /2) +5 < 电感="">< 直径="">
10, 绝缘和接地 Insulation and Grounding
非固态电解液铝电解电容的铝外壳通过与电解液接触与负极相连 . 所产生的绝缘电阻从几个欧姆 到几千个欧姆 . 对于轴向端子的电容和扁平组件封装外壳与负极端子连接 . 如果同外壳接触的器件 有一定电平而不是负极端子 , 使用带绝缘套的电容 .
塑料绝缘 (UL224VW-1 ) 能承受 3000Vdc 或 2500Vac,60Hz1分钟 , 电压加在外壳和一个 1/4英寸 宽围绕绝缘套的金属薄膜之间 . 给电容安装上满意的尼龙螺母和间隔孔 .
在薄膜和电容外壳之间加电 100V 2分钟以后 , 绝缘电阻不小于 100MΩ.
.11, 平衡电阻 Balancing Resistors
在额定温度时 , 串联的两个电容漏电流的差异能被估计为 0.0015CVr 单位是 uA,C 是额定电容量单 位是 uF,Vb 是通过两个电容的电压单位是 Vdc. 使用这种估计数值 , 使用下面的公式来为每个电容 选取平衡电阻的值 .
R=(2Vr-Vb)/(0.0015CVr)
R 使平衡电阻单位是 MΩ,Vr是你想要加在每一个电容上的最大电压 ,Vb 是通过两个电容的最大母 线电压 .
对于三个或更多的电容串联可使用下面的公式 ,n 是串联电容的个数 :
R=(Vr-Vb/n)/(0.00075CVr)
当两个电容串联时 , 电压的分配很少使用平衡电阻 . 在使用平衡电阻作为电压放电以前 , 应考虑到不 使用平衡电阻通常会增加系统的可靠性因为不使用平衡电阻可降低电容周围的温度 , 除去比电容 可靠性低的元器件就意味着保护 . 作为替代 , 使用相同生产的一批电容以确保相同的漏电流或使用 更高的额定电压以允许不同生产商的电容电压的不均衡 . 确保串联的电容有相同的热的环境 . 12, 放置寿命 Self Life
存储 5到 10年以上的铝电解电容可能会增加 DC 漏电流 . 在使用之前检查 DCL 是否满足应用的需 要 . 经过 1,000Ω的电阻加上额定电压 30分钟来重新限定高 DCL 个体的条件 .
存储寿命是测量电容如何维持长时间的存储尤其在高温下 . 为了测试存储寿命 , 将电容放在一个炉 中 , 设置存储寿命测试温度为 -0+3℃作为存储寿命测试周期 . 完成实验在 25℃下稳定电容 24h 或更 长时间 . 提供额定电压 30分钟 , 确认测试后的限制值 . 如果没有另外的指标 , 则电容量 ,DCL 和 ESR 将满足开始的要求 .
(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
13, 母线结构 Bus Structure
当电容并联时 , 在头脑中要用这些特性来设计连接母线 . 最小串联电感量需要一个薄片状的母线或 带状的结构 . 例如 , 用电路板的一块地方来连接所有电容的正极 , 用另一块地方来连接电容的所有的 负极 . 对于每一个电容的线路阻抗将是相等的以确保相同的电流分流 . 尽管对于低频纹波 , 纹波电流 在电容之间的分配与电容量的值成正比 , 但是高频纹波电流的分配与 ESR 的值和线路阻抗成正 比 .
14, 振动 Vibration
铝电解电容一般能承受 10g 的振动力 . 在技术指标中会给出限制值 . 调整过程使振动力小于单个类
型的技术指标所要求的值 .
为了测试振动阻抗 , 将电容固定在振动平台上 , 是电容承受一个简单的谐波运动即最大的峰峰幅值 是 0.06英寸最大的加速度根据给定是 10g 或 15g. 在 10到 55 Hz 之间线性的改变振动频率 . 在 1分钟内通过整个的频率范围 . 除非另外指定 , 在与电容轴向平行的运动方向上振动电容 1.5个小时 , 然后放置电容使其运动方向与轴向相垂直 , 再接着振动 1.5个小时 . 在最后的 1.5个小时测试时 , 将 电容同整流桥相连观察 3分钟的周期 .
在接下的实验中当用手晃动时 , 在容器内电容元件将没有明显的松动 . 当然在 3分钟的观察周期内 , 电容也没有断断续续连接或短路的迹象 .
15, 自谐振频率 Self-resonant Frequency
自谐振频率是当容性阻抗 (1/2лfC)等于感性阻抗 (2лfL)时的频率 . 因为在这个频率上 , 容性阻抗与感 性阻抗相位相差 180度 , 两个电抗相减 , 剩下的阻抗就是纯阻性的 , 且等于 ESR.
高于自谐振频率器件是感性的 . 铝电解电容的自谐振频率典型发生在小于 100kHz. 自谐振频率等 于 1/[2л(LC)^1/2].基于 120Hz 的电容自谐振频率要高于预期的频率 , 因为电容量是随频率的增加 而减少的 , 而温度的增加会阻止电容量的降低所以它会随温度的增加减少 .
16, 压力释放口 Pressure-Relief vent
在非固态电解液的铝电解电容工作时 , 气体的压力一般会增加 . 这种气体大部分是氢气 , 使气体透过 电容的密封就可避免过多的压力 . 但是在过压 , 电压反向 , 交流电压或电容损坏的情况下过多的压力 将造成电容爆炸 . 为了避免爆炸铝电解电容经常装配压力释放口的结构 . 这些安全释放口是为了释 放气体的压力 . 在电容裂开后电容的寿命有了限制 , 因为它损失了电解液 , 使电解液变干 .
要小心不要影响释放口的工作 , 比如一些安装方法像钳住 , 胶住或罐封元件 . 对于由热塑性的罐封来 保护电容元件的大的电容 , 不要把它们安装在安全口下 , 因为当电容过热时 , 罐封可能会流动而阻住 安全口 .
很少情况下电容单独安装 , 对于电容大多数情况下是多个并联的电容起整个的作用 , 这时压力释放 装置可能不能及时的起作用 . 这将会避免造成极度的过载或由于损坏而产生的火花点燃电容内部 的气体 . 当测试压力释放口时 , 用防护罩保护人员不受高能量的电容可能产生的破裂的损伤 , 要确认 使用坚固的防护罩 . 测试用的合适的防护罩的例子是 1/4英寸厚的钢板或 1/2英寸厚的聚碳酸酯来 围绕 , 其一边开放来使爆炸改变方向而不是包围起来 .
通过供给电压或电流使用下面三种方法中的一个来测试电容的压力释放能力 .
A . 根据额定电容量使电容承受交流电流如下 :
额定电容量 测试电流
Uf A rms,60Hz
高达 3000 1到 100
3,000到 20,000 85到 150
高于 20,000 100到 175
B . 对于额定电压为 150Vdc 或更高 , 通过一个串联的 5Ω±10%的电流限制电阻供给从 110到 125Vac,60 Hz的电源 .
C . 是电容承受反极性的直流电压使其足够流过从 1到 10A 的电流 .
过多的内部压力将被释放而不会使电容元件或封口剧烈的破损或点燃周围的材料 . 为了证明没有 点燃 , 用两层干酪布料松散地的围在外壳上 , 在测试时衣料不能被点燃 . 短路或开路不是测试的故 障 .
17, 安装 Mounting
安装位置 Mounting position
在低温的环境下 , 铝电解电容有比较长的寿命 ; 所以 , 把铝电解电容放在印刷板上最冷的地方 .
确保铝电解电容远离热的元器件像功率电阻 , 功率晶体管或二极管和变压器 . 把元器件充分的分开 以使冷空气流通 . 当所提供的纹波电流或充电 /放电负载高时 , 这尤其重要 .
① 安装时 , 请遵守以下内容 :
a. 为了对电容器进行点检测 , 测定电器性能时 , 除了卸下电容器 , 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 , 需要通过约 1KOHM 左右的电阻进行放电 ;
c. 长期保证的电容器 , 需通过约 1Kohm 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 , 掉下来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 , 负极间距与电路板板孔距必须相吻合 ;
h. 自动插入机的机械手力量不宜过大 ;
② 焊接时 , 请确认以下内容 :
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 ) 必须按规定的时间执行 ;
c. 不要将电容器本身浸到焊锡溶液中 ;
d. 焊接时 , 不要让其他产品倒下碰到电容器上 ;
③ 焊机后的处理应不产生以下机械应力 :
a. 电容发生倾倒 ;
b. 电容器碰到其他线路板 ;
c. 使其他物体碰到电容器 ;
④ 电容器不要用洗净剂洗净 , 不过 , 在必须洗净的情况下对电容器进行清洗 , 必须按照产品规格说 明书规定的范围内进行 ;
⑤ 对必须洗净的电容器 , 洗净时 , 须确定下列内容 :
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
使印 刷孔不堵塞 ;
范文二:铝电解电容器
电子元器件
铝电解电容器
电容器的机理与电气功能顾名思意,可以作这样的形象理解:所谓
电容器(capacitor )就是能够储存电荷的“容器”。只不过这种“容器”是一种特殊的物质——电荷(charge ),而且其所存储的正负电荷等量地分布于两块不直接导通的导体板上。至此,我们就可以描述电容器的基本结构:两块导体板(通常为金属板)中间隔以电介质(dielectric )。即构成电容器的基本模型。
一般铝电解电容器的结构:
铝电解电容器是由铝圆筒做负极,里面装有液体电解质,插入一片弯曲的铝带做正极而制成的电容器称作铝电解电容器。它是一种用铝材料制成的电性能好、适用范围宽、可靠性高的通用型电解电容器。国优名牌产品。由中国振华集团新云器材厂最早研制、生产。年生产能力10亿支。产品有30种型号、数千个规格,广泛用于空调机、收录机、洗衣机、通信机等家用电器及电子整机、仪器、仪表的配套。 它是由阳极箔(含导针)、负极箔(含导针)、电解纸(含电解液)卷绕在一起,形成柱状卷芯,然后利用胶塞将卷芯密封在铝壳中,铝壳外面套以绝缘套管,套管上有电容器性能参数、极性、商标等标志。其中负极箔多为纯铝轧成的光箔(即清水箔),而阳极箔为表面有很多微小坑洞的腐蚀箔,阳极箔上的三氧化二铝(Al2O3)起着电介质的作用,电解液(含浸在电解纸中)与负极箔共同组成电容器的负极。
它是一种用铝材料制成的电性能好、适用范围宽、可靠性高的通用型电解电容器。国优名牌产品。由中国振华集团新云器材厂最早研制、生产。年生产能力10亿支。产品有30种型号、数千个规格,广
泛用于空调机、收录机、洗衣机、通信机等家用电器及电子整机、仪器、仪表的配套。它是由铝圆筒做负极,里面装有液体电解质,插入一片弯曲的铝带做正极而制成的电容器称作铝电解电容器。它的芯子是由阳极铝箔、浸有电解液的衬垫纸、阴极铝箔、天然氧化膜等重叠卷绕而成的,芯子含浸电解液后用铝壳和胶盖密闭起来就构成一个电解电容器。一般情况下,铝电解电容器的铝壳外面都有一个塑料套管。套管颜色五颜六色,它不仅美观,而具有特定的意义。
铝电解电容器的特点是容量大,但是漏电大,误差大,稳定性差,常用作交流旁路和滤波,在要求不高时也用于信号耦合。电解电容有正、负极之分,使用时不能接反。电容在电路中实际要承受的电压不能超过它的耐压值。在滤波电路中,电容的耐压值不要小于交流有效值的1.42倍。使用电解电容的时候,还要注意正负极不要接反。 不同电路应该选用不同种类的电容。揩振回路可以选用云母、高频陶瓷电容,隔直流可以选用纸介、涤纶、云母、电解、陶瓷等电容,滤波可以选用电解电容,旁路可以选用涤纶、纸介、陶瓷、电解等电容。电容在装入电路前要检查它有没有短路、断路和漏电等现象,并且核对它的电容值。安装的时候,要使电容的类别、容量、耐压等符号容易看到,以便核实。因其低成本的特点,铝电解电容器一直都是电源的常用选择。但是,它们寿命有限,且易受高温和低温极端条件的影响。铝电解电容器在浸透电解液的纸片两面放置金属薄片。这种电解液会在电容器寿命期间蒸发,从而改变其电气属性。如果电容器失效,其会出现剧烈的反应:电容器中形成压力,迫使它释放出易燃、
腐蚀性气体。
电解质蒸发的速度与电容器温度密切相关。工作温度每下降10 摄氏度,电容器寿命延长一倍。电容器额定寿命通常为在其最大额定温度下得出的结果。典型的额定寿命为105 摄氏度下 1000 小时。选择这些电容器用于图 1 所示 LED 灯泡等长寿命应用时(LED 的寿命为 25000 小时) ,电容器的寿命便成了问题。要想达到 25000 小时寿命,这种电容器要求工作温度不超过65 摄氏度。这种工作温度特别具有挑战性,因为在这种应用中,环境温度会超出125 摄氏度。市场上有一些高额定温度的电容器,但是在大多数情况下,铝电解电容器都将成为 LED 灯泡寿命的瓶颈组件。
这种寿命温度依赖度实际影响了您降低电容器额定电压的方法。您首先想到的可能是增加电容器额定电压来最小化电介质失效的机率。但是,这样做会使电容器的等效串联电阻 (ESR) 更高。由于电容器一般会具有高纹波电流应力,因此这种高电阻会带来额外的内部功耗,并且增加电容器温度。故障率随温度升高而增加。实际上,铝电解电容器通常只使用其额定电压的 80% 左右。
电容器温度较低时,ESR 急剧增加,如图1所示。在这种情况下,-40℃下,电阻呈数量级增加。这在许多方面都会影响到电源性能。如果电容器用于开关式电源的输出端,则输出纹波电压呈数量级增加。另外,在 ESR 和输出电容形成的零以上频率,它让环路增益增加一个数量级,从而影响控制环路。这会产生一个有振荡的不稳定电源。为了适应这种强震动,控制环路通常会在空间方面做出巨大妥协,
并在更高温度下工作。低温下ESR 性能急剧下
降
图1 低温下ESR 性能急剧下降
铝电解电容器在结构上表现出如下明显的特点:
(1)铝电解电容器的工作介质为通过阳极氧化的方式在铝箔表面生成一层极薄的三氧化二铝(Al2O3),此氧化物介质层和电容器的阳极结合成一个完整的体系,两者相互依存,不能彼此独立;我们通常所说的电容器,其电极和电介质是彼此独立的。
(2)铝电解电容器的阳极是表面生成Al2O3介质层的铝箔,阴极并非我们习惯上认为的负箔,而是电容器的电解液。
(3)负箔在电解电容器中起电气引出的作用,因为作为电解电容器阴极的电解液无法直接和外电路连接,必须通过另一金属电极和电路的其它部分构成电气通路。
(4)铝电解电容器的阳极铝箔、阴极铝箔通常均为腐蚀铝箔,实际的表面积远远大于其表观表面积,这也是铝质电解电容器通常具有大的电容量的一个原因。由于采用具有众多微细蚀孔的铝箔,通常需用液态电解质才能更有效地利用其实际电极面积。
(5)由于铝电解电容器的介质氧化膜是采用阳极氧化的方式得到的,且其厚度正比于阳极氧化所施加的电压,所以,从原理上来说,铝质
电解电容器的介质层厚度可以人为地精确控制。
铝电解电容器的性能特点:
同其它类别的电容器相比,铝电解电容器的优越性表现在以下几个方面:
(1)单位体积所具有的电容量特别大。工作电压越低,这方面的特点愈加突出,因此,特别适应电容器的小型化和大容量化。例如,CD26型低压大容量铝电解电容器的比容量约为300μF/cm3,而其它在小型化方面也颇具特色的金属化纸介电容器的低压片式陶瓷电容器的比容量一般不会超过2μF/cm3。
(2)铝电解电容器在工作过程中具有“自愈”特性。所谓“自愈”特性是指介质氧化膜的疵点或缺陷在电容器工作过程中随时可以得到修复,恢复其应具有的绝缘能力,避免招致电介质的雪崩式击穿。
(3)铝电解电容器的介质氧化膜能够承受非常高的电场强度。在铝电解电容器的工作过程中,介质氧化膜承受的电场强度约为600kV/mm,这一数值是纸介电容器的30多倍。
(4)可以获得很高的额定静电容量。低压铝电解电容器能够非常方便地获得数千乃至数万微法的静电容量。一般来说,电源滤波、交流旁路等用途所需的电容器只能选用电解电容器。
当然,铝电解电容器也有以下显著缺点:
(1)绝缘性能较差。可以这样说,铝电解电容器是所有类别的电容器中绝缘性能最差的。
对铝电解电容器而言,通常采用漏电流来表征其绝缘性能,高压大容
量铝质电解电容器的漏电流可达1mA 以下。
(2)损耗因子较大,低压铝电解电容器的DF 通常在10%以上。
(3)铝电解电容器的温度特性及频率特性均较差。
(4)铝电解电容器具有极性。使用在电子线路中时,铝电解电容器的阳极要接电路中的电位高的点,阴极接电位低的点,才可能正常发挥电气功能。如果接反了,电容器的漏电流急剧增大,芯子严重发热,导致电容器失效,并有可能燃烧爆炸,损害线路板上的其它器件。
(5)工作电压有一定的上限。根据铝电解电容器介质氧化膜的特殊生成手段,其最高工作电压一般为500V ,且发展潜力十分有限;而对其它非化学电容器而言,只要适当加厚其电介质的厚度,理论上的工作电压可以达到任意上限值。
(6)铝电解电容器的性能容易劣化。使用经过长期存放的铝电解电容器,不宜突然施加额定工作电压,而应逐渐升压至额定电压。
(7)传统铝电解电容器由于采用电解液作为阴极,在片式化方面存在较大的障碍,故其片式化进程落后于陶瓷电容器及金属化薄膜电容器。
铝电解电容器的电性能参数:
铝电解电容器的额定容量接E6系列的优选数确定,即:(N=0,1,2?5) ;共有6个数值:10,15,22,33,47,68。与E6系列相对应的允许偏差为±20%,但对通用的电解电容器而言,其正偏差常放宽至+50%。
铝电解电容器的损耗因子的定义为:在规定频率的正弦电压下,
电容器所消耗的有功功率和无功功率的比值,即:其中,f 为正弦电压的频率,C 为在该频率下电解电容器串联模型的容量,r 为电解电容器的等效串联电阻(ESR )。
铝电解电容器的漏电流通常定义为施加额定工作电压若干分钟以后流过电容器的电流。通常,铝电解电容器容许的最大漏电流可以用下式界定:Il=KCU(μA) 其中,C 为电容器的容量(μF ),U 为所施加的直流电压值(V ),K 是与电容器类型有关的常数,通常的取值范围为0.01~0.1,低漏电流的系列品也有取值小于0.002的情况。 额定工作电压是指在规定的环境温度范围内所能施加到电解电容器上的最大直流电压值。
铝电解电容器的应用及发展:
目前全球铝电解电容器供应市场日趋成熟,主要集中在日本、中国大陆、台湾地区以及韩国等地区。从近几年的行业总体竞争格局来看,日本的电解电容器生产量开始逐渐萎缩减产,取而代之的是韩国企业,台湾企业,中国大陆企业。铝电解电容器这种产品在1978年之前,在中国大陆当时算是高新技术产品,而经过三十多年的发展,铝电解电容器这种产品对于国内铝电解电容器的生产商来说已不属于高新技术产品了。从技术的角度来看,国内某些知名品牌所生产的电容器已完全可以取代国外的电容器。
铝电解电容器在电子线路中的基本作用一般概括为:通交流、阻直流,具有滤波、旁路、耦合和快速充放电的功能,并具有体积小、储存电量大、性价比高的特性。随着现代科技的进步与电容器性能的
不断提高,铝电解电容器已广泛应用于消费电子产品、通信产品、电脑及周边产品、新能源、自动化控制、汽车工业、光电产品、高速铁路与航空及军事装备等。
铝电解电容器根据电解质形态的不同可划分为液态铝电解电容器和固态铝电解电容器;按引出方式的不同可分为引线式、焊针式、焊片式、螺栓式、贴片式等五种。按应用领域的不同铝电解电容器分为消费类、工业类和特种应用铝电解电容器,消费类铝电解电容器主要用于节能照明、电视机、显示器、计算机及空调等消费类市场;工业类铝电解电容器主要用于工业和通讯电源、专业变频器、数控和伺服系统、风力发电及汽车等工业领域;特种铝电解电容器主要应用于军事、航空航天以及其他特殊领域。
铝电解电容器面临的挑战与机遇:
20世纪80年代,当LSI 、VLSI 蓬勃发展的时候,有人曾经对电容器的前景极为悲观,随后的事实证明,这些看法有一些杞人忧天的味道:自上个世纪80年代中期起,电容器产业的年平均增长率均在20%以上,1993年全球电容器的销售产值已达130亿美元。铝质电解电容器的销售产值占整个电容器产业的1/3多。但是,随着电子技术及材料制造工艺的进步,传统型铝电解电容器不仅受到电子技术发展的压力,也面临其它类别电容器挑战其龙头老大地位的压力。 电子技术对电容器小型化、片式化的需求,使得传统铝电解电容器产业倍感压力。传统铝电解电容器采用电解液作为阴极,这使得其片式化进程受到极大的阻碍。片式化通常采用迭层结构、树脂包封的
形式,而如何将电解液完好地密封起来一直是铝电解电容器研发人员倍感头痛的事。钽电解电容器采用固态半导体材料MnO2作为阴极材料,其片式化的进展颇为迅速,已经对铝电解电容器构成一定的市场威胁。超大比表面积(2000m2/g~3000m2/g)炭纤维布工业化制造技术的成熟,使得近年来双层电容器的研发与制造迅速成长,并成为极低压和低压铝电解电容器的一个有力的竞争对手。EDLC 可以轻而易举地获得法拉级的容量,其储能密度高于铝电解电容器,因而在储能用的领域正在逐步打破铝电解电容器的垄断地位,并有可能后来居上。金属化纸介、金属化薄膜电容器的出现,使得纸介、塑料薄膜电容器在减小体积、增大比容量方面迈出历史性的一步。目前,金属化纸介、金属化薄膜电容器小型化、片式化的发展较为活跃,并向低压小容量的铝电解电容器发出挑战。同样,片式陶瓷电容器由于中低温烧结技术的开发,垂直迭层工艺的发展,能够获得的电容量范围也在逐步扩大,也在逐步蚕食低压小容量铝电解电容器所占的市场份额。 虽然铝电解电容器面临着前所未有的压力和挑战,但是也不必过于悲观地认定铝电解电容器已经穷途末路,必定要退出历史舞台。然而新技术、新材料的发展,在给其它类别电容器带来发展机遇的同时,也必定会为铝电解电容器的创新突破打开方便之门。有机半导体材料、导电聚合物材料的出现及其合成技术的成熟,已经为铝电解电容器的更新换代奠定了物质基础。将有机半导体材料、导电高分子材料用作铝电解电容器阴极的尝试,得到的频率特性、温度特性可以和片式陶瓷电容器媲美,甚至高出固态铝电解电容器。另外,对于传统铝
电解电容器而言,在一段时间内不可相比的容量价格比仍足以使其维持主流产品的地位。
附:
参考文献:
陆锁链-《电子元件与材料》-2002
林学清-《铝电解电容器工程技术》-2002
曲喜新-《电容器设计》-1985
扎克盖依姆-《电解电容器》-1963
陈永真-《电容器及其应用》-2005
范文三:铝电解电容器
铝电解电容器 (ALUMINUM ELECTROLYTIC CAPACITOR)之定议:
以高纯度之铝金属为阳极, 于其表面使用阳极氧化所形成的氧化薄膜 (oxide film) 作为电介质(dielectric medium), 使液体之电解质密接于氧化薄膜, 另与阴极铝箔所构成之有极性电容器. 但也可将两个阳极组合起来, 而构成无极性电解电容器或交流用之电解电容器.
铝电解电容器之优点与用途
因铝电解电容器具备了体积小, 容量大且价格低廉等优点, 故被广泛的使用于电子机器的旁路(by-pass), 耦合回路(coupling), 喇叭系统的纲路(net-work), 闪光灯, 马达起动, 连续交流等回路. 尤其近来主要材料的质量提升, 制造技朮的进步及完美的质量管理. 铝电解电容器更广泛的使用于民生电器用品及各种产业用电器. 以目前铝电解电容器使用最多的产品分别为主机板, 监视器, 电源供应器, CD, VCD, DVD 音响, 电视机, 无线通讯, 录像机, 电话机, 数据机等产业.
铝电解电容器之前途及发展趋势
由于铝箔电蚀与化成技朮的突飞猛进, 加以铝电解电容器具有体积小, 容量大及价格低的优点, 近十年来铝电解电容器的需求量成长快速惊人, 往后的成长也必定不差.
铝电解电容器的未来发展将走向小型化大容量, 长使用寿命及高苹低阻抗耐高纹波 (ripple current)化.
1
铝电解电容器的基本构造
铝电解电容器的基本构造如下图:
铝电解电容器所构成的组件如下:
电容器素子 (capacitor element)
将已铆钉导线端子的阳极铝箔(正箔) 与阴极铝箔 (负箔) 中间夹入两张宽度比铝箔稍宽之隔离纸, 且卷绕在一起, 并于末端以浆糊或粘着胶带粘住之制品. 最初先在滚动条上卷绕数层隔离纸, 然后再分别夹入正箔与负箔并一起卷绕至需要长度为止. 素子的最外层是隔离纸, 再而是负箔, 隔离纸, 正箔.
素子的构成组件
1. 阳极铝箔 (Anode Foil)
又称正箔, 铝纯度在99.9%以上, 厚度大约为40~105um, 皆需于电蚀后以化成处理使表面生成一层氧化膜.
2. 阴极铝箔 (Cathode Foil)
又称负箔, 铝纯度在99.4%以上, 厚度大约为15~60um 除特殊用途外一般都不施行化成处理, 但却施行安定化处理, 以表面也有一层薄膜存在.
3. 电解纸或称隔离纸 (Separator Paper)
介于电解电容器阳极与阴极之间, 保持电解液充分之量, 防止两极发生短路等为其
目的所用之纸张. 就电解电容器构成原理而言, 只要有阳极 , 阴极及其中间之电解液即可. 但是在实际生产制造场合务需使阳极与阴极尽量靠近配置才行, 其主要理由仍为两电极间的距离如果太远, 则其间的电阻将使电容器成品之损失显著增大, 同时两极间如果仅注满电解液, 则外壳就必须为完全水密性, 而完全的水密性是极端困难的构造. 所以就有开发了在两极夹入含浸过电解液之多孔质电解纸的电容器2 此种方法, 不仅能使两极在不发生短路情况下尽量接近, 而且电解纸可以充分吸收稍有粘度的电解
液, 电容器外壳的水密性就不必过分严苛
电解纸之制造用材料主要为植物纤维, 植物纤维中以牛皮纸 (Kraft ) 和马尼拉麻 (Manika Hemp) 之使用量最大. 牛皮纸非常强韧而便宜, 然因其纤维比较扁平, 以致电解液含浸后之电流通路较长, 电阻大仍为其缺点. 马尼拉麻之纤维形状比牛皮纸稍接近园形, 以致电流通路较短, 电阻较小, 但价格较高, 另外牛皮纸与马尼拉麻之混抄之电解纸也广泛被采用. 一般电解电容器均依其规格规定中之电容量, 电压与电阻之要求来选用上述电解纸.
4. 导线端子或称导针 (Lead Wire)
橡胶封口构造之电解电容器均使用导线端子为做外部端子-----将铝线与CP 线以高周波焊接后再将铝线的一端压扁后完成.
(1)CP线结构系钢心, 铜皮镀锡后完成.
(2)铝线系采用高纯度的铝线制作, 纯度越高的铝线所制成的导线端子, 由于其延展性佳, 与铝箔嵌钉后其开出来的花瓣完整, 阻抗效果佳. 铝线的纯度分类如下: G1:纯度90%以上
G2:纯度99%以上
G3:纯度99.9%以上
G4:纯度99.99%以上
一般导线端子所使用的铝线应是G3级
●电解液 (Electrolyte)
电解电容器系由阳极, 阴极及介于两者中间的电解液所构成. 电解液从基本动作原理而言, 系指由溶剂与溶于该溶剂之后能供给离子之电解质所构成. 基本上电解液由如下数项特性之成分所组成.
1. 化成性优良之弱酸;
2. 能够与酸中和至适当PH 值 (一般PH 值于6-7之间微酸性), 且能降低电阻系数之碱;
3. 能够溶解酸与碱获致适当粘度, 以提高其安定度, 并改善其温度效果之溶剂;
4. 能够与上述溶剂互溶, 使电解质产生大量离子之少量水分;
5. 某种特性改善用添加物.
以上第3. 4两项称为溶剂, 目前最广泛被使用的溶剂是乙二醇 (Ethylene Glycol 简称EG).
3
使用乙二醇为溶剂之电解液称为乙二醇(或EG) 系列电解液. 以上其余1.2.5项称为溶质.
一般电解液的规范中均有述明酸碱值(PH value), 火花电压(Spark Tehsion), 导电度(Conductivity)之电化等特性及适用工作电压范围与适用使用温度等数据供选择使用.
●封口橡胶 (Rubber Bung)
使用封口橡胶之目的:
1. 保持端子相互间及端子与外壳间之绝缘;
2. 可藉机械方式将端子确实压紧;
3. 电容器素子与外界隔离及防止电解液漏出与蒸发.
为了能够达到上述要求以配合电容器之极限使用温度起见, 封口橡胶必须具备之性质如下:
(1)不受电解液腐蚀, 且不会与电解液作用或析出氯化物等杂质.
(2)长时间使用于电容器之极限使用最高温度与最低温度状态下都不变质;
(3)电气绝缘性及气密性良好;
(4)具有适当弹性与硬度. 封口后在相当压力下电解液不会漏出, 蒸汽也不会逸出, 且与外壳能够密切结合不会发生松动.
同时, 除了需能完全满足上述要求之外, 尚需价格适当而低廉才行.
●铝壳 (Aluminum Sase)
普通电解电容用外壳皆以AL99%纯度之铝板冲压而成, 主要特点是价格柢, 加工性良好, 不受电解液腐蚀, 不污染电解液, 能承受颇高的内压力且厚度重量皆小以及热传导性良好, 便于散热. 为安全起见, 电容器直径在8? (含8?) 以上者, 其铝壳一律加设铝壳防爆孔.
●外壳套管 (Sleeve)
基于规格识别及外壳绝缘的理由, 一般用途之电容器几乎都包有胶膜套管, 普通电容器用氯乙稀胶膜套管(Polyving chloride Tube , PVC Tube) 都能随温度之升降而收缩.
PVC 材料之套管耐热性较差, 很容易劣化, 所以不可视为完全绝缘体, 因而如果厂商有特别强调绝缘特性时, 应与厂商协调使用更可靠的材料.
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铝质电解电容器之生产制造流程:
铝质电解电容器系利用铝箔, 经与导针钉接后再与电解纸卷绕成为素子, 再经过电解液的含浸后与封口橡胶, 铝壳组立并外加胶管后完成电容器的本体, 再经老化充电选别后完成成品.
制造流程图如下:
5
1. 电极铝箔及电解纸之裁切
电极铝箔及电解纸通常首先依设计决定之尺寸整卷裁切成需要宽度并重新卷绕在一起以备钉卷后工程之用. 电极铝箔整箱的宽度是500mm, 但由于两边箔边无法使用, 故各切除10mm, 故实际可用宽度是480mm 再依照所需宽度安排裁切刀后进行裁切.
使用设备: 分切机(Slitter)
2. 电极铝箔与导线端子之钉接
裁切完成之电极铝箔通常都先以设计决定之电极长度分别在正负极铝箔钉接机上依
次加以钉接导线端子后重新卷绕在一起, 再将钉接的导线端子之卷筒铝箔放入卷绕机中制造素子.
电极铝箔与导线端子的钉接在电容器的制造上是一项非常重要的工序, 其钉接连接部分简单构成原理如下:
[铝片与铝片之电气上确实连接务需在两金属片之接触而相互之间形成金相结合] 电极铝箔与导线端子之铝扁部 (一般称为导线端子之A 部) 之连接一般皆施以嵌钉法. 系将拟连接之两金属片重搭之后, 以浮花钢冲穿孔, 再将生成之孔边毛头弯曲挤压成花瓣的方式形成确实的连接部. 此种方式只冲的形状适当就可形成小型的冷焊部达到上述金相结合的目的. 此种连接部分部形成的优良与否可以量测电极铝箔与导线端子的接触电阻的大小来判定. 一般电极铝箔与导线端子的嵌钉处有2~5处, 通常视铝箔的宽度来决定.
使用设备: 正负极铝箔钉接机 (Stitching Machine)
3. 素子之卷绕
将已铆钉导线端子的阳极铝箔(正箔) 与阴极铝箔(负箔) 中间夹入两张宽度比铝箔稍宽之电解纸且卷绕在一起, 并于末端以浆糊或粘着胶带粘住. 最初先在滚动条上卷绕数层电解纸然后再分别夹入正箔与负箔并一起卷绕至需要长度为止. 素子的最外层是电解纸, 再而是负箔, 电解纸, 正箔.
素子的卷绕首先需注意正箔与负箔必需正确对准, 整齐卷绕. 如果正负极铝箔卷绕不齐则两极铝箔的合成容量会降低, 损失会增大. 再者电解纸必需完全将正, 负极铝箔隔离以避免短路.
使用设备: 素子卷绕机(Winding Machine)
4. 素子含浸
为了避免造成电解纸中之水分增加而导致不良结果, 在素子含浸前需将素子以高温烘干.
含浸是将烘干后的素子浸渍于电解液中, 利用真空及加空气压力使电解液有完全浸湿渗透到素
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子内部, 让电解纸吸收使电解液能均匀附着于铝箔表面, 因而含浸须达到下列两项条件:
(1)电解液将铝箔之细小孔穴及电解纸完全浸入并浸湿. 如果含浸不完全, 则制成之电容器会因此而使容量降低, 损失增大, 且会因为含浸不良以致使用中容易造成特性变化.
(2)素子含有电解液量不可过多, 因电解液量愈多, 漏液之可能性愈大, 故一般素子含浸后须经脱水过程, 以防素子含有之电解液量过多的现象.
目前最常使用的含浸方法有下列两种:
(1)真空含浸法: 系将素子放入含浸的容器内然后抽真空再注入电解液将素子盖满, 然后恢后容器内之大气压力, 则因大气压力的关系, 可使电解液由上下迅速浸入素子内., 以达到含浸的效果. 然因电解液之蒸汽压过高, 使蒸汽进入素子内, 导致中央部份无法含浸到电解液的情形, 此为真空含浸的缺点. 故针对大型电容器和中高压电容器均以下列之真空加压含浸予以克服.
(2)真空加压含浸法: 系于大气压强制含浸后. (即真空含浸的过程) 将容器密闭再以空气压缩提高容器内的压力, 当容器内之压力达到数大气压后, 素子将会继续显示出强制含浸的效果, 而使得中央因蒸汽之进入而未含浸部分缩小或消除, 以达到完全含浸的目的, 因而真空加压含浸法较适合大型电容器及中高压电容器的含浸作业方
式.
使用设备:素子干燥机
真空含浸机
真空加压含浸机
5. 组立, 封口
组立是将已含浸完成的素子, 从导线端子引线部套入封口橡胶再放入铝壳的作业过程. 如下图:
素子经含浸后到组立完成之间时距愈短愈好, 因为已含浸的素子, 如暴露在空气中时间太长时, 会吸收空气中的水分, 因而对电容器在使用上的特性会有不良的影响. 且在组立的作业
7
过程中, 应注意防止素子受外界的污染, 如灰尘, 手汗等, 尤其手汗带有氯元素, 对铝箔有腐蚀作用, 有加速电容器漏电流增加的倾向, 故在作业过程中应戴胶套以防止之.
所谓封口系将已组立完成品铝壳开口部加以密封. 封口的目的是要将铝壳内部与外部完全隔绝. 如果封口的紧密性不好时, 则铝壳内部的已含浸素子, 会受外界性况的影响, 尤其作高温负荷特性试验时, 因外界温度高, 因而内部已含浸素子之电解液很容易挥发掉, 则造成电容器的电容量减少, 损失变大等不良影响.
另外在封口作业过程中, 如因作业疏忽或错误而造成封口紧密性不良时, 已封口完成之内部已含浸素子之电解液会往外流, 而造成漏液现象, 亦是影响电容器质量的严重缺点.
使用设备:自动组立机
6. 清洗
组立封口后的电容器应经清洗过程, 其目的是将电容器本体在组立作业时所沾染的油渍及端子引线因在含浸和组立作业时所沾染的电解液清洗干净, 尤其是端子引线镀锡部份易受电解液之侵蚀而脱落, 因而造成焊锡性不良的现象.
清洗后的电容器经高温脱水干燥后完成.
使用设备: 清洗机
高温脱水干燥机
7. 套胶管
套装是将已封口完成的电容器套入胶管再予加热使胶管收缩之作业过程.
套装时对于印刷胶管之取用, 应依生产卡上之标明指示取用, 严防错误, 因电容器的商标
(Brand), 系列(Series), 规格, 极性等全部印刷在胶管上, 故作业时严防逆指示 (即极性相反) 的错误与收缩不良, 偏差等现象发生.
使用设备; 自动套胶管机
8. 老化选别
电容器制造时, 需先将铝箔裁切成适当的尺寸, 阳箔经裁切后, 其氧化膜因而破损, 造成极大之泄漏电流, 此时之电解液亦可当作化成液, 经加高温电压液, 可将破损的氧化 膜弥补起来, 此作用即吾人所称之老化 (Aging) 又称二次化成. 其所加之电压称老化电压 (Aging Voltage)
(1)泄漏电流检测
泄漏电流检测是为测出所老化完成之电容器经施加直流额定电压时, 所通过的直流电
8
流值. 其值是愈小愈好. 在检查前应先依照额定电压作预备充电三分钟再进行测试.
泄漏电流的规格值因电容器之系列, 电容量与额定电压的不同, 其允许的最高泄漏电流亦不同, 一般以下列公式规定之:
I< =="" 0.01cv="" or="" 3ua="">
I: 泄漏电流(单位:UA)
C: 额定电容量(单位:UF)
V: 额定工作电压(单位:VOIT)
(2)电容量与散逸因素检查
电容量检查的目的是在测定其值是否在容量差范围内. 如超出范围即为不合格品, 散逸因素检查则是在测定其值是否在规格值以下, 如超出此规格值即为不合格品.
使用设备:自动老化选别机
9. 后加工
依据客户的需要将制作完成这合格品进行切脚, 成型或编带.
使用设备:自动切脚机
自动编带机
影响铝质电解电容器寿命的探讨
一. 铝质电解电容器之寿命绝大部份取决于环境和电气因素, 所谓环境因素包括温度, 湿度, 大气压力和掁动电气. 因素包括操作电压, 纹波电流和充放电. 温度因素 (环境温度和因纹波电流所产生的内温) 系影响铝质电解电容器寿命的最主要因素.
二. 基于以上的解释, 铝质电解电容器., 一般只依据下列公式由环境温度, 施加电压与纹波电流来计算其使用寿命.
Lx = Lo KTemp K voltage K Ripple
在此Lx:电容器的预估使用寿命
Lo: 电容器的基本寿命
9
KTemp: 周围温度加速条件
K voltage: 电压加速条件
K Ripple: 纹波电流加速条件
KTemP (周围温度对寿命的影响)
铝质电解电容器实质上是一种电气化学组件, 温度的上升使电容器内部的化学反应产生气体, 持续地促使电容量渐渐降低和DF, ESR渐渐升高. 下面的公式已经被广泛的使用来解释温度加速系数与电容器劣化的关系.
Lx = Lo KTemp=Lo B(To-Tx) /10
KTemp = B (To-Tx) /10
在此Lx: 电容器的预估使用寿命(小时)
Lo: 电容器的基本寿命(小时)
To: 在型录上所示电容器的最高额定工作温度
Tx: 电容器周围的实际环境温度
B: 温度加速系数(约等于2)
此公式和说明温度与化学反应率的阿瑞尼阿斯公式很类似, 所以此公式就被广泛使用在说明与计算铝电解电容器之温度与使用寿命的关系. 我们被称为铝电解电容器的阿瑞尼阿斯法则.
从环境温度(Tx)在40℃至电容器的最高额定使用温度之温度加速系数大约是2. 它表示环境温度每上升10℃, 则电容器的寿命就以近似减半的法则缩短. 而环境温度(Tx)由20℃至40℃对电容器的使用寿命影响很小, 故如果环境温度低于40℃时, 一般仍以40℃当作Tx 来计算电容器的使用寿命.
K voltage (施加电压对寿命的影响)
由于铝电解电容器均在额定工作电压内使用, 故如果符合此种情况时 10
K voltage=1被视为合理的认定.
K Ripple (纹波电流对寿命的影响)
由于铝电解电容器的散逸因素(DF)比其它类型电容器来得高, 因此纹波电流会造成铝电解电容高的内部温度, 所以在使用铝电解电容器时有必要去确认型录上所示最高容许纹波电流(Maximum Permissible Ripple Current)以确保其使用寿命.
K Ripple = 2 (⊿To-⊿T)/5
在此 ⊿To: 由于施加最高容许纹波电流所产生的内部热能导致的电容器内部温升, 以日本NIPPON CHEMI-CON之低阻抗产品之标准⊿To=5.
⊿T: 由于施加实际工作纹波电流所产生的内部热能导致的电容器内部温升.
由于要实际测得电容器内部的温度较为困难, 故可于由下列两种方式计算大约的⊿T.
(1)⊿T=Kc (Ts-Tx)
在此 Kc:下列之系数;
Ts: 电容器铝壳的表面温度;
Tx: 环境温度
Diameter
(mm)ψ5 to ψ8ψ10ψ13ψ16
Kc1.101.151.201.25
(2)⊿T=⊿To (Ix / Io)2
在此 ⊿To= 5 (对最高使用温度105℃之产品) Ix = 实际施加之纹波电流
Io = 额定最高容许纹波电流.
范文四:铝电解电容器
铝电解电容器
1、 一般铝电解电容器的结构
由阳极箔(含导针)、负极箔(含导针)、电解纸(含电解液)卷绕在
一起,形成柱状卷芯,然后利用胶塞将卷芯密封在铝壳中,铝壳外面套以绝
缘套管,套管上有电容器性能参数、极性、商标等标志。
其中负极箔多为纯铝轧成的光箔(即清水箔),而阳极箔为表面有很多微小坑
洞的腐蚀箔,阳极箔上的三氧化二铝(Al 2O 3)起着电介质的作用,电解液(含
浸在电解纸中)与负极箔共同组成电容器的负极。
2、 一般铝电解电容器的生产过程及关键工艺
2.1 电解电容器制造流程图:详见附件1。
2.2 关键工艺
① 切 箔:要严格避免切割边出现毛刺和裂口,毛刺会刺穿电解纸
而导致正负极短路;裂口会影响导针的刺铆强度。生产过程要经
常检查刀口并定期更换切刀,一般来说国产切刀可切箔7万米左
右就应该换刀,进口切刀可切10万米左右。
② 含 浸 :(即含浸电解液)浸渍前卷芯一定要进行高温干燥处理,
浸渍过程严格控制真空度;电解液有普通型(85℃)、宽温型
(105℃)、高温型(125℃以上)之分,不同类型的电解液决定
着电容器的上限类别温度及寿命。
③ 老 练:是修补Al 2O 3介质膜的工艺过程,对电解电容器的性能
指标及寿命起着最重要的作用。
另外,在整个电解电容器生产过程中必须严格控制杂质离子特别是氯
离子(CL )的污染,导针、铝壳、胶塞、器具的清洗要用高纯的去离
子水,配置电解液的去离子水要求纯度更高。
3、 铝电解电容器的主要性能参数:
3.1 主要电性能参数
① 标称容量(C R )及偏差:电容器设计所确定的和通常在电容器上所
标出的电容量值。电解电容器的容量是按照电容和电阻的串联等效
电路,以规定的频率,用近似的交流电流测得的电容量。标称容量
的优先值是从E 3系列和它的十进倍数中选取,如需其他数值,可从
E6系列中选取。标称容量偏差的优先值为±20%,也可选±10%、—
-10/+30%、-10/+30%等;标称容量及偏差标注在电容器上。
② 额定工作电压(U R ):在下限类别温度和额定温度之间的任一温度
下,可以连续施加在电容器上的最大直流电压或脉冲电压的峰值;
额定工作电压也标注在电容器上。特别注意,铝电解电容器设计时
电压余量很小,一般只有标称电压的1.06~1.2倍。
③ 损耗角正切(tan δ):在规定的频率(铝电解电容器为100或120HZ )
正弦电压下,电容器的损耗功率除以电容器的无功功率;该参数在
产品目录或规格书中给出。
④ 漏电流(I L ):该参数表征了电解电容器放电时残留电荷的大小,也
反映Al 2O 3介质膜的绝缘水平,由于Al 2O 3介质膜的耐压强度很低,
所以不用绝缘电阻来描述铝电解电容器的绝能力;该参数是选用电
解电容是很重要的依据,特别是在较高频率下使用时;该参数在产
品目录或规格书中给出。
⑤ 额定纹波电压:叠加在直流电压上的一种规定频率的最大允许交流
电压有效值,在该电压下电容器在规定的温度下可以连续工作;使
用电解电容时注意加在电容器两端的直流电压和交流电峰值之和应
不超过额定电压或适用的温度降额电压。
⑥ 额定纹波电流:一种规定频率的最大允许交流电流的有效值,在该
电流下电容器可在规定温度下连续工作;在频率为100HZ 或120HZ
和类别温度下的额定纹波电流在详细规范或规格书中给出,选用时
一定要参考。
⑦ 阻 抗(Z ): 电解电容器随着使用频率的不同而变化,如果需要低
阻抗产品应事前给厂家说明,该类产品的设计原则和电解液配方与其他
电解电容器有所不同。外形上看该类产品高度较高。
3.2 主要结构参数
① 主体直径:有Φ4、Φ5、Φ6、Φ6.3、Φ8、Φ11、Φ12、Φ16、
Φ19、Φ21、Φ22、Φ26、Φ30、Φ35等多种,选用
时要参产品目录。
② 主体高度(卧式称作长度):有5、7、11、12、16、20、22、25、
30、35、40、50、60等多种尺寸。
③ 引线间距:有2.0、2.5、3.5、5、7.5、10等几种。
④ 引线直径:有Φ0.5、Φ0.6、Φ0.8、Φ1.0等几种。
4、 铝电解电容器选用应注意的事项:
1) 极 性:直流电解电容器是有极性的,如果用错极性,将造成反常电流,
引起短路或自爆。当电路中极性不明确时,建议使用直流双极性电解电容,
但直流电容器不能用于交流电路中。
2) 在额定电压范围内使用:电解电容器额定电压的设计余量很小(只有1.06
倍左右),如果使用电压高于额定电压,电容器将由于漏电流增加而造成特
性退化或急速失效。另外,直流电压迭加交流时,注意交、直流电压峰值之
和应不大于额定电压。
3) 在额定的纹波电流范围内使用:如果流过电容器的纹波电流超过额定值,
电容器寿命会因此缩短,在这种电路中,应选用耐高纹波的电解电容。
4) 工作温度:由于电解液一般为水性溶剂,因此电容器的特性会因工作温
度的高低有所变化,如果工作温度高于上限类别温度,漏电流显著增大,电
容器内部会因纹波电流而积累热量,不但电容器的性能指标不能保证,而且
寿命大大缩短。因此电路设计时应避免将电解电容器靠近发热元器件。
5) 工作频率:静态容量和tan δ是在常温120HZ 下测定的,电解电容器的特
性会随着工作频率而变化:
●
●
● 电容量在120HZ 下是正常的,会因频率升高而下降 损耗角正切在120HZ 下是正常的,会因频率升高而增大 阻抗在1~10KHZ的值是正常的,会因频率的降低而升高。
如果在较高频下使用,选择电解电容器时应选用CD288系列的高频低阻抗电
解电容。
6) 快速充放电电路:不宜选用普通电解电容,应选择特制的快速充放电电
容。
7) 铝电解电容器的储存:铝电解电容器不宜长期储存,即使在正常条件下
储存,电解电容器漏电流都会增大,使用时须重新充电老化后再使用。
5、我司使用的铝电解电容器种类极其区别:
目前我厂使用的铝电解电容有CD11、CD11C 、CD11E 、CD11T 、CD110
(GS )、CD288(GZ )、CD288H 、CD293、CD294、NPCD 、MK 、LS 、LM
等不同类型的产品,各型号的电解电容器性能、价格不尽相同,其中的详细
差别要参考厂家提供的产品目录和规格书;以下对一些主要品种介绍如下:
际现在CD11系列的高温负荷、高温储存特性已经很容易达到1000小时的水平。
际现在CD110系列的高温负荷、高温储存特性已经很容易达到2000、1000小时
的水平。
5.3 CD288(有些厂家命名为GZ 系列,高频低阻抗型、高纹波电流)
5.4 CD291、292、293 (高压、大纹波电流,焊片式引脚)
5.5 其他系列:
CD11C :称为小型品,该系列产品的高度为7mm ,当然个别大容量产品高
度会大于7mm;
CD11E :称为超小型品,该系列产品的高度为5mm ;
CD11T 、CD11K :CD11系列的宽温型,即105℃产品;
CD288H :CD288系列的宽温型,即105℃产品;
NPCD :无极性电解电容,主要用在音频电路中。
6、铝电解电容器的环境试验项目
国标中对铝电解电容器要求的环境试验较多,大致包括可焊性、耐焊接热、
高低温特性、环温度循、振动、碰撞、气候顺序、稳态湿热、高温负荷、高温储存、低温储存、浪涌电压、防爆等,但这些项目中高温负荷、高温储存、环温度循、气候顺序最为严酷。在试验过程中应注意以下两点:
1)在实际操作为了缩短试验周期,高温储存试验时,我们采取加严试验条件进行加速试验,即85℃的产品在105℃温度下进行储存试验。当然由于储存时间太短,该试验仅能发现被试样品的早期实效,而不能准确评估样品的保证寿命时间(GLT )。
2)耐久性试验时,叠加纹波电流时一定注意施加在样品两端的纹波电压与直流电压之和不能超过额定电压。
电解电容器常温下的测试项目包括容量、损耗角正切、漏电流、阻抗(特别是高频低阻抗的电解电容),必要是还要测试外套管的绝缘电阻(厂家在设计产品时一定要测试)。
7、如何表征铝电解电容器的工作寿命
铝电解电容的容量随着使用时间的增加而缓慢减小,直到电解液干枯,形成开路,MTBF 曲线不能客观的反映铝电解电容器的失效特点,因此,一般情况下不用MTBF 来考核电解电容器的可靠性,而用保证寿命时间(GLT )估计电解电容器的寿命。例如GLT 是1000h 的电容器,就是说对该电容器在上限类别温度下以额定电压对它进行连续1000h 的高温耐久性试验后,其容量变化不应超过初始容量的±20%、漏电流不超过初始值的2倍、tan δ符合规定值。
电解电容器的寿命受工作温度和纹波电流的影响,低于额定条件下使用,寿命可延长,反之则缩短。
范文五:铝电解电容器的概况
1 . 铝电解电容器的概况
1-1 铝电解电容器的原理 1-2 静电容量
1-3 电介质(铝氧化膜) 1-4 电解液的动向 1-5 制造方法 1-6 电气特性
目 录
页
2
224457
2 . 铝电解电容器的使用注意事项
2-1 使用注意事项 2-2 故障
2-3 使用电压和安全性 2-4 充放电
2-5 串联连接中平衡电阻的选定方法 2-6 保存性能 2-7 再起电压
2-8 在高海拔地区使用 2-9 寿命 2-10 卤素的影响 2-11 CR时间电路 2-12 产品选定的要点
10
101315171818191920252627
1. 铝电解电容器的概况
1-1 铝电解电容器的原理
铝电解电容器是以阳极高纯度铝箔表面上形成的氧化膜为电介质,再由阴极铝箔、电解液、电容器纸(电解纸)构成。
氧化膜是通过电解氧化(化成)形成,非常薄,具有整流特性。此外,通过对高纯度铝箔进行腐蚀来扩大有效表面积,获得小型化大容量的电容器。
如前所述,实际电容器的结构是由阳极箔及阴极箔,两箔之间夹着电解纸(箔两层和电解纸两层)组成,卷绕后浸渍电解液。其结构如(图1 - 1)所示。
1-2 静电容量
与平行板电容器一样,用下列公式计算铝电解电容器的静电容量。
--12εS………(公式1-1)C = 8.854×10
d
公式中,ε表示电介质的电介常数,S表示电介质的
表面积(m2),d
表示电介质的厚度(m)。
要想增大静电容量C,必要条件是电介常数ε要大。表面积S 要大,电介质的厚度d 要薄。
各种电容器的电介质的电介常数ε和电介质厚度d 的比较结果如(表1 - 1)所示。
铝电解电容器的电介质单位厚度的耐电压较高, 而且可以根据需要的额定电压来控制电介质的厚度. 因此,相比其它类型电容器,可以减小电介质的厚度。
而且,通过腐蚀铝箔表面,与表观面积相比,实效面积在低压电容器上能扩大80?100倍、中高压电容器上能扩大30?50倍,因此, 铝电解电容器在特定的表观面积上能获得比其它电容器更大的容量。
铝电极是在氯化物水溶液中通过直流、交流或者其交互及重叠的方式对高纯度铝箔进行电化学腐蚀,扩大表面积。低压用阳极箔是以交流电解为主进行细致的海绵状腐蚀(照片1 - 1);中高压用阳极箔是以直流电解为主的隧道腐蚀(照片1 - 2)。阴极箔是通过以交流电解为主的腐蚀方式扩大表面积。
图1-1
由于氧化膜具备整流特性,因此上述模式图为有极性电容器,不过若在阳极端和阴极端两方都采用形成了氧化膜的电极,那么就会成为双极性电容器。
此外,虽然在此记述了电解纸中浸渍电解液的非固体铝电解电容器,但是还有采用固体电解质的导电性高分子铝固体电解电容器。
表1-1 各种电容器的电介质和电介质的最小厚度电容器的种类 铝电解电容器 钽电解电容器 薄膜电容器(金属蒸镀) 陶瓷电容器(高诱电率) 陶瓷电容器(温度补偿用)
电介质 氧化铝 氧化钽 聚酯薄膜 钛酸钡 氧化钛
介电常数ε 7?10 24 3.2 500?20,000 15?250
电介质厚度d(m)1.3×10?9?1.5×10?91.0×10?9?1.5×10?90.5×10?6?2×10?62×10?6?3×10?62×10?6?3×10?6
表 面
照片1 - 1 低压用腐蚀箔的表面/截面照片
截 面
表 面
照片1 - 2 中高压用腐蚀箔的表面
/
截面照片
截 面(复制品)
1-3 电介质(铝氧化膜)
在硼酸铵等水溶液中对腐蚀了的高纯度铝箔进行阳极氧化后,在箔的表面上形成铝氧化膜。这种铝氧化膜成为铝电解电容器的电介质。在阳极箔上施加的直流电压以对其进行氧化, 称为化成电压。
电介质的厚度几乎与化成电压成比例,每1V 大致为1.3×10-9?1.5×10-9m。
没有腐蚀的箔(纯铝箔)表面上形成的电介质(铝氧化膜)的放大照片如(照片1 - 3)所示。电介质(铝氧化膜)的生成反应如下表示。
2Al +3H 2O → Al2O 3+3H 2(气体)+3e -(电子)
}介
电质
→
}
20V 化成
100V 化成
电
介质
250V 化成
}
电介质
照片1 - 3 电介质(铝氧化膜)截面照片(纯铝箔表面上生成电介质)
照片1 - 4 中高压化成箔的截面照片(腐蚀坑洞中生成的氧化膜的状态)
1-4 电解液
阳极箔和阴极箔相对放置后,在两极箔之间夹住电解纸卷成圆筒状, 称之为素子。此时初步形成了将阳极箔上的铝氧化膜和电解纸作为电介质的电容器,不过这种状态下的静电容量很小。
在这个素子上浸了电解液(以下称为浸渍)后,阳极箔表面和阴极箔表面通过电解液实现电气连接,就能获得以阳极箔表面的铝氧化膜为电介质的具有很大的静电容量的电容器。也就是说,电解液起到真正的阴极的作用。电解液应具备的基本特性罗列如下
:
(1)应具备导电性。
(2)若阳极箔表面的电介质有缺陷部分,应具备修复
的能力。也就是应具备化成性。
(3)对阳极箔、阴极箔、密封材料等应具有化学稳定
性。
(4)应具有良好的浸渍性。(5)应具有低蒸气压。
以上电解液的特性与铝电解电容器的各种特性有很大关联,因此根据电容器的规格、温度范围、用途选择合适的电解液。
1-5 制造方法
工序
主要材料
高纯度铝箔氯化物纯水
内容
在氯化物水溶液中利用直流或交流电对阳极箔(厚度为0.05~0.11mm)、阴极箔(厚度为0.02~0.05mm)实施电化学腐蚀,扩大有效表面积。从而可以实现电容器的小型化。
腐蚀箔
硼酸盐等纯水
形成作为电容器的电介质的铝氧化膜(Al2O 3)。
阳极箔是在硼酸铵等的水溶液中对腐蚀箔施加直流电压(化成电压)后,箔的表面上形成铝氧化膜(Al2O 3)。阴极箔是在低直流电压中进行化成,但有的不进行化成。
阳极箔阴极箔
按照电容器的外壳尺寸裁剪规定的宽度。
剪切铝箔(阴阳两极)电解纸
电极引线素子固定材料
两电极箔之间插入电解纸,卷取成圆筒型的素子。(同时两电极箔上铆接电极引线。)
1-6 电气特性
1-6-1 静电容量
阳极箔电介质部位的静电容量(Ca)是如前所述的(公式1 -1)来计算。
此外阻抗用
Z =
1
+ jωL + R
来表示,其绝对值用
Ca = 8.854×10-12
εS
d
此外,阴极箔具有在低化成电压下形成的氧化膜或者放置中生成的自然氧化膜(通常相当于1V 左右的电压)作为电介质的静电容量(Cc)。铝电解电容器的结构上Ca 和Cc 形成串联连接,因此电容器的静电容量(C)为
电感L 主要来自卷绕电极箔和引线部位,等效串联电阻R 来自电极箔、电解液、引线及各连接部位。
来计算。
&Dh&F
&Dη&F
静电容量的标准容许差为±20%(M),不过作为特殊用途还可制造±10%(K)。
静电容量会随着检测频率及检测温度改变,检测时以频率120Hz、温度20℃为标准。
1-6-2 等效串联电阻(R)损失角正切值(tanδ)阻
抗(Z)
下面表示铝电解电容器的等效电路。等效串联电阻还简称为ESR。
C:静电容量(F)
10
Ω),(Ω)Z
1
10?1
Z
R
10?2
XC
X10?3
102103104105106
图 1-6
f (Hz)
r:阳极氧化膜的等效并联电阻(Ω)R:等效串联电阻(Ω)L:等效串联电感(H)
图 1-8
1-6-3 漏电流
由于在低频率(50Hz?1kHz)中,等效串联电感L
造成的电抗(XL)极小,因此若视为零则呈现以下关系。
R
=ωCR…(公式1-2)…(公式1-3)
DF = tanδ × 100(%)
Xc
…(公式1-4)
(ω = 2πf)
…(公式1-5)
铝电解电容器的漏电流的主因有
1)电介质(铝氧化膜)的极化失真2)电介质的溶解、生成.3)电介质的湿气吸附
4)氯、铁粉等不纯物造成的电介质破坏等。
漏电流可通过选择合适的材料、制造方法来降低,但不能完全消除。
此外漏电流值依赖于温度、时间、施加电压等因素。漏电流的规格是在室温下施加额定电压且过了规定时间后的容许最大值来确定。根据电容器的用途,从温度依赖性、经时稳定性等观点上选择适当的电容器。
图 1-7
1-6-4 关于温度特性
铝电解电容器使用电解液。电解液的性能(电导率、粘度等)具有较为显著的温度特性。电导率是温度上升则变大,温度下降则变小。因此,与其他电容器相比温度对铝电解电容器造成的电气特性变化大。如下表示温度和静电容量、tanδ、等效串联电阻(ESR)、阻抗及漏电流的关系。
1)静电容量
静电容量随着温度上升而增加,温度下降而减少。温度和静电容量的关系如(图1 -9)所示。
t a n δ
2)tanδ、等效串联电阻(ESR)、阻抗
tanδ、等效串联电阻(ESR)、阻抗随着温度及频率而改变。
温度和频率造的变化如(图1 - 10?图1 - 11)所示。
t a n δ
频率(Hz)
20静电容量 化率(%
)
100?10?20?30?4020静电容量 化率(%)
100?10?20?30?402040温度(℃)
60
80
100
120
2040温度(℃)
60
80
100
120
频率(Hz)
图 1-10 tan δ的频率特性
E S R (Ω)阻抗(Ω)
图 1-9 静电容量的温度特性
频率(Hz)
+65℃E S R (Ω)阻抗(Ω)
频率(Hz)
图1-11 阻抗、ESR的频率特性
3)阻抗比
各温度的阻抗和20℃时的阻抗之间的比率叫做阻抗比。ESR值及静电容量随温度的变化越少,阻抗比就越小。尤其在低温下的性能好坏会用阻抗比(120Hz)来表示。
4)漏电流
温度上升,漏电流越大;温度下降,漏电流越小。温度和漏电流的关系如(图1 - 12)所示。
漏电流(μA )
-200
20
4060温度(℃)
80100120
漏电流(μA )
-20
020
4060温度(℃)
80100120
图 1-12 漏电流的温度特性
2. 铝电解电容器的使用注意事项
2-1 使用注意事项
2-1-1 电路设计注意事项
(1)要在确认使用环境及安装环境的基础上,在电容
器的产品目录或者规格书、设计图交付申请书(简称交付规格书)中规定的电容器的额定性能范围内进行设计。(2)使用温度及使用纹波电流不可超出产品目录或者
交付规格书上规定的范围。① 不可在超出分类上限温度(最高使用温度)下使用。
②不可接通过电流(超过额定纹波电流的电流)。(3)电路设计时,请选用与机器寿命相符的电容器。(4)电容器是有极性。要确认是否连接了逆电压或者交流电压。
极性反转的电路上请选用双极性电容器。但是,双极性电容器也不能用于交流电路。(5)在重复进行急速充放电的电路中请选用与使用条
件相符的电容器。
作为重复进行急速充放电的电路,有焊接机、相机闪光灯等。此外,电路电压变动较大的伺服电机等旋转机器的控制电路上也会重复进行急速的充放电。
关于重复进行急速充放电电路中使用的电容器,请咨询我们。(6)确认电容器上是否有过电压(超过额定电压的电
压)。
要注意纹波电压(交流成分)重叠到直流电压①
上时的峰值不能超过额定电压。
将两个以上的电容器串联连接时,要将通过各②
个电容器上的电压控制在额定电压以下。而且,此时要将考虑了漏损电流的分压电阻器与各个电容器并联加入。
(7)电容器在以下之间电路上要完全隔开。
(电容器的铝壳和阴极端子之间由盒内侧的自然氧化膜和电解液的不稳定的电阻部分连接在一起。)
引线端子反向型① 铝壳和阴极端子(CE02型:
除外)及阳极端子及电路型板之间。
基板自立型的辅助端子和其他阳极及阴极端子②
及电路型板之间。
③双极性电容器的两个端子和铝壳之间
(8)电容器的封装套管非绝缘保证。请勿用于需要绝
缘功能的地方,需要套管具有绝缘功能时,请咨询我们(9)电容器如果在以下环境中使用,有时可能会发生
故障。
①周边环境(耐气候性)条件
(a)直接处在溅水的环境、高温高湿的环境以及
结露状态的环境
(b)直接处在溅油的环境及充满油雾的环境(c) 直接处在溅盐水的环境及充满盐分的环境(d)充满了有毒气体(硫化氢、亚硫酸、亚硝酸、氯、
溴、溴甲烷、氨等) 的环境
(e)有直射阳光、臭氧、紫外线及放射线的环境(f)有酸性及碱性溶剂溅落的环境
② 振动或冲击条件超过交付规格书的规定范围的苛刻环境将电容器安装在印刷电路板上时,请事先确认以 (10)
下内容后进行设计。
电容器的端子间隔匹配印刷电路板的孔间隔。① ② 设计时不可将配线或电路型板靠近到电容器的压力阀部分。
只要交付规格书上没有规定,电容器的压力阀③
上面均应保留出如下所述的间隔。产品直径 间 隔
φ6.3?φ16mm 2mm以上φ18?φ35mm 3mm以上φ40mm以上 5mm以上
印刷电路板一侧装有电容器的压力阀时,请对④
准压力阀的位置,将压力阀工作时的排气孔打开。
⑤请将螺栓端子型的封口部位朝上。
另外,横向放置时,请将压力阀部位朝上或将阳极端子朝上。(11)如果电容器封口部的下面有型板,一旦发生电解
液发生泄露时,可能会造成电路图案短路,引起漏电起痕或者迁移。
因此,请勿在电容器封口部的下面进行电路型板配线。
(12)请勿在电容器的周边及印刷电路板的背面(电容
器下方)配置发热部件。芯片型电容器用印刷电路板的焊盘图案要参照产 (13)
品目录或者交付规格书的推荐图案进行电路设计。(14)电容器的电气特性根据温度及频率的变动而变
化。请在确认该变化量的基础上进行电路设计。在双面的印刷电路板上安装电容器时,在进行电 (15)
路设计时,请将电路设计成电容器下面没有多余的印刷电路板孔及正反面连接用通孔的样式。螺栓端子的紧固及电容器本体安装用螺丝的紧固 (16)
扭矩不可超出交付规格书上规定的范围。(17)并联两个以上电容器时,要充分考虑电流平衡。
( 特别是并联导电性高分子铝固体电解电容器和一般铝电解电容器,尤其需要考虑。)串联两个以上电容器时,要考虑电压平衡,并将 (18)
分压电阻插入,使其与电容器并联。
(6)请勿将电容器跌落在地上,请勿使用跌落后的电
容器(7)安装时请勿使电容器主体变形。
(8)确认电容器的端子间隔和印刷电路板孔间隔一致
后,进行安装。(9)基板自立型电容器在安装时要推入到和其基板上
贴紧的程度(非悬浮状态)。(10)利用自动插入机插装及固定电容器引线的强度不可过大。(11)请注意自动插入机及装配机的吸附器、产品检验
器及定心操作引起的冲击力。(12)利用烙铁进行焊接
焊接条件(温度、时间)不可超出交付规格书①
中规定的范围。
因端子间隔和印刷电路板孔间隔不一致,因此②
需要加工引线端子时,在进行焊接之前,加工时不可使电容器主体承受压力。③ 利用烙铁修复时,如果需要先将焊接的电容器卸下,请将焊锡充分融化再拆卸,以免电容器的端子承受压力。
④请勿让烙铁尖部接触到电容器本体。(13)流动焊接
焊接时,请勿将电容器本体浸渍在焊料中。插①
入印刷电路板,只有对电容器所在一侧的相反面进行焊接。② 焊接条件(预热、焊接温度、端子浸渍时间)不可超出交付规格书中规定的范围。③端子部位以外禁止附着助焊剂。
在进行焊接时,要注意避免其他部件翻倒接触④
到电容器。(14)回流焊接
① 焊接条件(预热、焊料温度、时间、回流次数)不可超出产品目录及交付规格书中规定的范围。
2-1-2 安装时的注意事项
(1)对组装到设备上已经通电的电容器,请勿再次使
用。除了定期检查时为了检测电气性能而拆卸的电容器以外,均不能再次使用。(2)即使将电容器放电后,端子间仍有可能产生电压
(再闪击电压),此时,请通过约1kΩ的电阻器进行电压处理。(3)保管达2年以上的电容器的漏损电流有可能会增
大。此时请通过约1kΩ的电阻器进行电压处理。(4)确认电容器的额定(静电容量及电压)后进行安
装。(5)确认电容器的极性后进行安装。
(17)将电容器焊接到印刷电路板之后,禁止倾斜、翻
倒或者扭曲电容器本体。(18)将电容器焊接到印刷电路板之后,禁止将电容器
作为把手抓住移动印刷电路板。(19)将电容器焊接到印刷电路板之后,不可让将其他
物体碰到电容器。此外,叠放印刷电路板时禁止将印刷电路板或其他部件碰到电容器。(20)关于清洗、固定剂、涂层剂
在2 -10 - 2 、- 3项中记述了有关清洗、固定剂、涂层剂的内容。(21)关于熏蒸处理
在2-10-4项中记述了有关熏烟处理的内容。
4 维护检查
(1)请定期检查工业设备上使用的电容器?
检查项目如下?外观:① 是否有压力阀作动、液漏等方面的显著异常?
电气性能:② 漏电流?静电容量?损耗角正切及产品目录或交付规格书上规定的项目。
5 紧急情况
(1)一定尺寸以上的电容器为了排放异常压力而具有
压力阀。整机上使用中,压力阀作动而释放蒸气时,关闭整机的主电源或者从插座上拔掉电源线的插头。从电容器的压力阀排放的蒸气是氢气和电解液气化的,不是燃烧造成的烟雾。(2)电容器的压力阀作动时,会喷出超过+100℃的
高温蒸气,因此禁止将手或脸部靠近电容器或者接近喷出的蒸气。以免烧伤。
一旦喷出的蒸气进入眼睛或吸入时,应立即用水清洗眼睛或进行漱口。
不可舔食电容器的电解液。如果皮肤上沾了电解液,应使用肥皂进行冲洗。(3)即便从电容器的压力阀上看不到蒸气,电容器也
是高温的。碰到后可能会烫伤,敬请注意。
3 整机使用注意事项
(1)直接接触电容器的端子有导致触电的危险。(2)
6 保管条件
(1)关于电容器的保管,建议在室温5?35℃、相
対湿度75%及以下的环境下进行保管。(2)请确认保管地点不属于“3项 整机使用注意事
项(3)”中记载的环境。7 废弃处理
(1)废弃电容器时,请采取以下任意一种方法。
①电容器上打孔或者充分打碎后焚烧。② 不焚烧电容器时,应交与专业的工业废弃物处理公司进行填埋等处理。
(2)废弃电容器(从与之相连的基板拆卸)时,请确
认已被放电处理。
上述铝电解电容器的使用注意事项照准了EIAJ RCR -2367B 2002年3月发行的《电子设备用固定铝电解电容器的使用注意事项指南》,详情请参照上述指南?
2-2 故障
2-2-1 故障的定义
对铝电解电容器进行故障定义时,可以考虑以下两个
形态。
短路、开路等原因完全失去了电容器功能时,所谓灾
难性故障(Catastrophic Failure)就是其一,还有一个是电容器的特性逐渐退化造成的故障,所谓的退化故障(Degradation)。退化故障根据电容的实际应用及应用的产品,判定的标准有所不同。因此,请将本公司产品目录或交付规格书上规定的标准值作为判定标准。2-2-2 现场的故障模式1)短路
市场上的短路很罕见。电极之间发生短路是由于振动,冲撞及端子受到外力导致,也可由于对电容施加了额定电压以上的过电压、过大的纹波电流、脉冲电流等原因导致电极之间短路。2)开路
?印刷基板上安装电容器时,若过度施加了外力或者使用过程中过度遭受了振动和冲撞,会造成端子与Tab 断线或处于接触不稳定状态形成开路状态。
?清洗印刷基板时的清洗剂或电容器固定用的固定剂中含有的卤素类物质侵入电容器内部后,引线,铝箔和Tab 被腐蚀,导致漏电流增大,最终导致开路,影响设备的运行。
?因在超过上限类别温度的高温中使用、通过印刷基板接收附近发热部件发出的热量以及长时间使用等原因导致密封材料老化而气密性受到破坏,电解液挥发处于开路状态。
?施加过度的纹波电流后,电容器内部的温度上升导致电解液气化,内部压力增大,气体透过密封材料挥发,电解液枯竭处于开路状态。3)容量减小,损耗增加
被持续施加了逆电压、被持续施加超过额定纹波电流的电流或者被用于过度频繁的充放电时,静电容量减小,损耗增加。4)压力阀工作
施加了逆电压、过电压、过纹波电流、交流电时,在电容器内部产生气体,导致内压上升,压力阀开始作动。
2-2-3 故障模式的原因分析
故障模式的原因分析图如(图2 - 1)所示。
图2 - 1 失效模式的原因分析图
2-3 使用电压和安全性
2-3-1 前言
铝电解电容器上施加电压和漏电流之间的关系如(图2-2)所示。根据(图2-2)
?针对电容器的极性正向施加了电压后,施加电压超过额定电压时,漏电流会快速增大。
?针对电容器的极性逆向施加了电压后,流过低电压大电流。
下面讲述具有这种性质的铝电解电容器在如下情况的表现及安全性测试方法。1)施加逆向电压时
2)超过额定电压使用时3)交流电路上使用时
2-3-2 逆向电压
根据施加的逆电压的程度如下表述。(1)施加逆电压大,就会流过大电流。
施加逆电压Vc 和电流Ic 引起的功率损耗(W=Vc×Ic)导致发热。发热进一步导致电流增加。因电流发热和电解液的电气分解发生的气体促使电容器内压上升,短时间内让压力阀作动,打开。(2)施加逆电压低,从而流过小电流时,最初会因功
率损耗而发热,不过因电解液的化成性质,阴极铝箔表面上会生成氧化膜,从而电流会减少。施加了逆电压时的施加时间和静电容量变化如(图2 - 3)所示。因为阴极铝箔表面上形成氧化膜后,阴极箔容量减少。此外,电解液消耗导致损耗角正切(tanδ)増加。铝因形成自然氧化膜在负箔上通常具有大约1V 的耐电压,可以承受类似于二极管的逆耐电压程度的逆电压,不过若在施加了超过这些的逆电压状态下使用,电容器内压会逐渐上升,导致压力阀工作打开,请仔细确认极性后使用。
图 2-2 V - I 特性(电压-电流特性)
16V 100μF
静电容量变化率(%)
????小时(h)
图 2-3 施加逆向电压时的静电容量特性
2-3-3 超过额定电压使用时
如(图2 - 4)所示,若施加超过额定电压的电压,漏电流会急剧增加。发热导致阳极箔的耐电压下降,电介质绝缘被破坏后,突然流过大电流,导致短时间内内压上升,处于压力阀作动状态。压力阀作动后,被气化的电解液快速从打开的压力阀部位排放出去。鉴
12
(J=CV ),于电容器的能量与电压的2次方成比例
2
施加电压越高,压力阀的作动状态越激烈,电极之间可能会短路。请在低于额定电压的电压上使用电容器。
测试方法(例)
a 交流电压法(JIS C5101-1, 4.28.1项)
(1)如(图2 - 5)所示的电路中,根据供测试用电容
器的额定静电容量值,从(表2 - 1)决定串联电阻R。
表2-1
仓 ?? ?????仓 ?? ?????δ¥ε
10漏电流(μA )
1010 ? f ? ? f f
?
f δ? ε
?
? ? ?
? ? f
电压(V.D.C)
(注1)相当于测试频率的1/2阻抗的电阻值
(2)连接供测试用电容器,施加以下所示的交流电压。
0.7倍额定电压的电压或者250Vrms 中选较低的电压,但是,流过30Arms 以上电流时必须调节电压以保持最大不超过30Arms。电源频率为50Hz 或者60Hz。
图 2-5
图 2-4 V - I 特性(35V额定产品事例)
2-3-4 交流电路上使用时
电容器C(F)上施加交流电压E(V)后,流过I=ωCE(A)的电流。
如(图2 - 2 V - I 特性)所示,铝电解电容器在逆向情况下不具有耐电压。因此,若在交流电路上使用铝电解电容器,会流过超过用I=ωCE计算的数值的电流。假设铝电解电容器的内部电阻为R(Ω),因电
2
流造成W =I R(W)的功率损耗而导致发热。由于铝电解电容器的内部电阻大导致发热也大,发热导致电解液蒸发,造成电容器内压上升,导致压力阀作动。此外,即便是两极性铝电解电容器,也不能在连续交流电路上使用。2-3-5 关于压力阀结构
因某种原因铝电解电容器上被施加了过电压、逆电压、交流电、过大纹波电流,或者在严酷的充放电条件下或者超过容许的高温下被使用时,根据电容器上流过的电流造成的发热、电解液的蒸发、电解液的电气分解造成的气化导致电容器内压上升。此时为了减小内压而设置了压力阀。
根据在电容上的位置不同,压力阀结构大致分为两种:1) 密封材料的局部设置的压力阀;2) 铝外壳的局部设置的压力阀。
R:串联电阻
b 直流逆电压法(JIS C5101-1, 4.28.2项)
(1)如(图2 - 6)所示的电路中,根据供测试用电容
器的公称外径尺寸从(表2 - 2)决定直流电流。
表2- 2
〦 δPPε
o ?с ??o ?
????δ$ε $ど $ど
(2)直流电源上逆极性地连接供测试用电容器后,接
通(1)的电流。
C:供测试用电容器
图 2-6
判定标准
上述测试中,处于以下状态就算合格。
(1)供测试用电容器的压力阀运行时,不会从电容器
喷出火焰,或者不处于素子或容器的局部散射的危险状态。
(2)施加测试电压30分钟后,也没有出现任何异常。
2-4 充放电
2-4-1 充放电造成的影响
在如(图2 - 7)所示的频繁进行充放电的电路上使用铝电解电容器时,会有如下的现象。
在如(图2 - 7)所示的电路上,若用电源电压V 充电阳极箔容量Ca、阴极箔容量Cc 组成的铝电解电容器,阳极箔的电介质上会有Q =Ca×V(C:库仑)的带电电荷。其次若通过放电电阻进行放电,阳极箔上带电的电荷移动后对阴极箔进行充电。阴极箔的电介质具有的耐电压低,利用从阳极移动的电荷达到阴极箔的耐电压。当电荷持续移动,在阴极箔和电解液的界面上会发生电气化学反应。如果进行反复的充放电,通过电气化学反应在阴极箔的介质膜上生成另一层介质膜。生成另外的介质膜后的阴极箔容量会逐渐减少。随着阴极箔容量的减少,电容器的静电容量也会减小。此外,生成氧化皮膜时发生的气体残留在电容器内部导致内压上升,根据充放电的条件,压力阀可能工作打开。
2-4-3 关于充放电对策
以下对策可以预防阴极箔产生氧化膜
②事先使用形成了超过Vc 电压的介质膜的阴极箔。
②从(公式2 - 1)导出(公式2 - 2),也就是说阳极箔和阴极箔的静电容量比越大(Cc/Ca),Vc 就越小。因此,通过使用足够大的负箔容量(相对于正箔容量), 可以使得Vc 比负箔形成电压更小。
V
Cc 1+
Ca
………(公式2-2)
充放电对策产品和未对策产品的充放电测试结果一例如(图2 - 8)所示。?额定:63V 10000μF?尺寸:φ35×50L?充放电测试条件施加电压:63V 充电电阻:2Ω放电电阻:100Ω充放电周期:1秒充电、1秒放电为1个周期温度:70℃
V0
图 2-7
2-4-2 关于氧化膜的生成
放电时阴极箔上施加的电压如下。
充电时阳极箔的电荷是移动的,直至在放电后阴阳极箔形成相同电压(电压方向彼此相反,端子间为零电压)。
此时若将阳极箔具有的静电容量(Ca)、阴极箔初期具有的静电容量(Cc)、放电电压(V)、放电结束时的阳极箔/阴极箔上施加的电压视为(Vc),那么以下公式成立。
静
电-容量变
化-率(%)
--充放电周期(次)
图 2-8
Ca × V = Ca × Vc + Cc × VcCa
× V ………(公式2-1)
Ca+Cc
此外,AC伺服放大器电源、变频器电源等电压变动大的电路上使用时,请使用支持高速充放电的QS、QR、NC、NU 系列产品。通过采用特殊素子结构,提高针对充放电的承受能力。
因此,在反复进行充电和放电的电路上使用铝电解电
容器时,有必要使用充放电对策规格的铝电解电容器。
2-5 串联连接中平衡电阻的选定方法
2-5-1 等效电路和漏电流的影响
铝电解电容器的串联连接中平衡电阻和漏电阻的关系可通过等效电路如(图2 - 9)所示。
C1:铝电解电容器No1C2:铝电解电容器No2r1:电容器No1的漏电阻r2:电容器No2的漏电阻V1:电容器No1的端子间电压V2:电容器No2的端子间电压
Ro:平衡电阻Vo:线电压
电压平衡
V1?V 2 = 400×0.1 = 40(V)漏电流的偏差范围
i max ?i min
V 0
=
364(μA)40~109000…100kΩ∴R 0
=
364×10-6~
设定平衡电阻时,还请考虑现在使用的方法。
图 2-9
电容器C 1,C 2的漏电流各自为i 1,i 2时
1, i 2=2………(公式2-3 公式2-4)i 112V 0=V 1+V 2 , 因为 V1-V2 =R0×(i2-i1),所以得R 0=V 1?V 2
2-6 保存性能
若在无负荷状态下长期放置铝电解电容器,有漏电流
増加的倾向。漏电流增加的原因是,阳极箔的氧化膜与电解液进行反应后,导致耐电压下降,不过施加电压后,通过电解液的修复作用恢复到原先的水平。放置中的温度越高,漏电流増加的程度越大,保管场地选择没有阳光直射的常温、常湿的地点。使用长期保管的产品时,请进行电压处理。关于电压处理方法,单品是通过约1 kΩ的电阻提升至额定电压后,照样持续施加30分钟左右。关于设备上组装的电容器,请实施设备老化处理。通过设备老化处理可以调节输入电压及供应电源时,设定低值(额定的1/2左右)后,进行10分钟左右的适应性运行,随后逐步设定为高值,边观察设备的运行情况。不能调节时,打开开关后进行30分钟左右的适应性运行,并且确认规定的功能有无问题。随后暂时关闭开关进行正式的运行。此外,在通常的保存温度5?35℃中放置不足2年时,无需进行电压处理可直接适用。
室温下保存的产品特性变化的一个例子如(图2 -10)所示。
2? 1
………(式2-5)
2-5-2 关于铝电解电容器的漏电流
当额定电压为V(V),额定静电容量为C(μF)时,常温(20℃)下基板自立型电容器的漏电流的偏差大致为
i max ?i min =C×V
11?…(μA)………(公式2-6)
温度上升,铝电解电容器的漏电流也会增加。大致
20℃时的漏电流为1时,65℃下增加2?3倍、85℃下增加3?5倍。除此以外漏电流还会因施加电压、放置条件等原因产生偏差,因此需要乘以漏电流偏差系数。
2-5-3 平衡电阻的设定范例
在环境温度60℃中将2个基板自立型铝电解电容器400V/470μF串联使用时,平衡电阻的计算方法如下:在60℃时针对常温的温度系数:2.0电压平衡率:10%漏电流的偏差系数:1.4。
图 2-10
2-7 再起电压
铝电解电容器在出厂前的性能检查结束后都会进行完
全的放电,虽然进行了放电处理,但是端子间却仍然会有电压。这个电压叫做再起电压或者残留电压。当电容器上施加电压后,根据极化作用,电介质的两端面会相应的携带正负电荷。当对电容器进行短路后,电介质两端面的电荷会因为放电而消失。然而当电容器再次开路后,由于电介质内部残留的偶极子重新极化,使得电介质极化,进而使得正负端子间产生电压。这就是再起电压。再起电压与电介质的厚度有关,因此额定电压越高再起电压也越高。再起电压产生后,当电容器安装到电路上,连接端子时,会发生火星,可能会让操作人员惊愕或者破坏其他低压元件。当存在这种可能性时,使用之前先在电容器的端子间接入100Ω?1kΩ的电阻对残留的电荷进行放电处理后再使用。此外,对于高电压和高容量的电容器,在端子间利用铝箔或导电性橡胶处于短路状态的包装方法也可以考虑。如果需要这样的包装方式,请联系我司销售处咨询。
2-8 在高海拔地区使用
在山地、飞行器等高海拔使用的设备上使用铝电解电容器时的注意事项如下。
海拔越高,大气压越低。因此在高海拔处使用电容器时,大气压力会小于电容器的内压。根据铝电解电容器的结构,其可以在海拔10,000m 以下的地区使用。但是海拔越高,气温越低。温度降低后,铝电解电容器的静电容量减少,损耗角正切值会增加,基于这些因素,请查看电子设备在不同温度时的情况。
表2 - 3 高度和气温、气压的关系
儎 δ?ε ??δ?ε
? δK3Dε
详情请咨询我司销售处。
2-9 寿命及可靠性
2-9-1 前言
对于要求无特殊维修的电子设备、部件,其故障率(λ)和使用时间(t)的关系形态如(图2 - 11)所示。由于形态酷似浴缸,因此被称作“浴缸曲线”。铝电解电容器的故障也呈现出浴缸形态。
若用威布尔概率纸解析铝电解电容器的寿命测试结果,如(图2 - 12)所示形状参数m 大于1,表示故障形态属于耗损失效。
虽然在设计设备时采用故障率或者寿命估算,但是对于铝电容器,通常测试其寿命来表征可靠性(在特定使用条件下的预期寿命)而不是其失效率,原因在于铝电容的失效模式就是损耗失效。换句话说,当利用寿命测试方式捕捉故障率时,即便同一总测试时间,根据测试时间和测试次数的组合,其得到的数据有很大变化。
34
(例.100个×10小时???故障数=0、10个×10小时???故障数=10)因此,在铝电解电容器上不采用故障率而是一般采用达到寿命的时间(实际使用时推测寿命时间)来考虑可靠性。影响铝电解电容器寿
命的主要因素有,周边温度造成的加速性(FT )、纹波电流造成的加速性(FI )、施加电压造成的加速性(FU )。推测寿命是用规定寿命(产品目录上的耐久性)和F T 、FI 及F U 之间的乘积来计算。铝电解电容器的寿命表述如下。
2-9-2 评估方法
当铝电解电容器的静电容量变化率、损耗角正切(tanδ)、漏电流超过规定值或外观发生明显异常时,判定其达到寿命。温度、湿度、振动等因素影响铝电解电容器寿命,尤其是温度的影响最大,温度越高,寿命越短。鉴于此,寿命测试是在规定的上限类别温度,在电容器上施加直流电压或者在直流电压上叠加纹波电流进行评估。测试结果一例如(图2- 13、2 -
14)所示。
故障率λ小时(t)
图 2-11 故障率曲线(浴缸曲线)
额定 :400V 68μF
尺寸(mm) :φ20×30L测试温度 :105℃
寿命判定标准:tanδ>0.3
累积故障率(%)
图 2-13 高温负荷寿命测试数据
小时(h)
图 2-12 利用威布尔概率纸解析故障
2-9-4 施加电压和寿命
在低于额定电压的电压下使用铝电解电容器时电压影响寿命的程度小于环境温度及纹波电流对寿命的影响程度,因此估算电容寿命时施加电压的寿命系数(Fu)为1。测试结果一例如(图2 - 16)所示。
图 2-14 高温负荷寿命测试数据
图 2-16 改变施加电压时的高温负荷特性
2-9-3 环境温度与寿命
只要低于电容器的上限类别温度(一般为40℃?上限类别温度的范围以内),根据阿伦尼乌斯定律(热能造成的化学反应式)温度每下降10℃寿命大致会翻一倍。低于上限类别温度下使用时,预期寿命与使用温度的关系如(图2 -15)所示。
当高压电容器在电力电子设备的电源平滑电路上使用时,若降低使用电压,电容器的漏电流会降低,电解液的消耗减少,寿命可能会变长。更多详细信息,请咨询我司销售处。
图 2-15 寿命推测一览表
2-9-5 纹波电流和寿命
与其它电容(如薄膜电容器) 相比铝电解电容器的损耗角正切值更大,并且纹波电流通过电解电容器后,会引起功率损耗造成发热。发热会导致电容器温度上升,大大影响寿命。1)纹波电流与发热
直流电压上叠加纹波电流时,电容器上发生的功率损耗可以由下式计算:W =W AC +W DC
W =I AC 2×Re+V DC ×IDC ………(公式 2-7)
W :电容器的消耗功率(W)W AC :纹波电流造成的功率损耗(W)W DC :直流造成的功率损耗(W)I AC :纹波电流(A)R e :等效串联电阻V DC :直流电压(V)I DC :漏电流(A)
鉴于当直流电压低于额定电压,漏电流I DC 极小,W AC ?W DC ,因此
W =I AC 2×Re ………(公式2-8)
功率损耗造成的内部发热和电容器表面的散热造成的环境温度上升达到热平衡后,
β:热辐射常数(10-3W/℃ cm2)
2)关于纹波电流的频率补偿系数
铝电解电容器的等效串联电阻Re 具有频率特性。频率越高,等效串联电阻越小。假设在频率fx 时由纹波电流引起的温升与频率fo 时相同,Ro代表在频率fo 时的等效串联电阻,、Rx代表在频率fx 时的等效串联电阻,则可以建立下面的等式
I 02×R0=Iχ2×Rχ
∴Iχ0 ………(公式2-14)
也就是 就是频率补偿系数Kf。(表2 - 5)所示为频率补偿系数的例子。
表2 - 5 频率补偿系数范例(根据个别规格)?基板自立型电容器(输入平滑用)
I AC 2×Re =β×A×Δt ………(公式2-9)I AC 2×Re
Δ………(公式2-10)β:热辐射常数(10-3W/℃ cm2)A :表面积(cm2)
产品尺寸为φD×L(cm)时
(D+4L)………(公式2-11)
仇?
?
N
N
N
求得的外壳表面积(cm2)
Δt:纹波引起的温度上升(℃)
此外,内阻Re、静电容量C、损耗角正切值(tanδ)的关系如下
………(公式2-12)这里,由于ω=2πf ………(公式2-13)因此
I AC 2×Re I AC 2×tan δ
Δt ==
?引线型电容器(输出平滑用)
仇?仓 ±
? δ9ε?? ?
N
N
热辐射常数与温升的乘积即温升率可以用α表示,
其代表了
(素子表面温度上升Δts和中心温度上升Δtc之比)如(表2 - 4)所示。
3)纹波电流的温度补偿系数
在低于上限类别温度下使用时,可以流过的纹波电流值应低于额定纹波电流引起的电容器素子核心温度的温升限制值。此外,各温度下素子核心部位的温升限制值如(表2 - 6)所示。
表2 - 6 各温度下的素子中心温度上升限制值事例(额定电压超过315V 的基板自立型电容器)
?上表中波形③代表高频成分的纹波电流,则其有效值I H
?Fδ?ε
I H =IP ………(公式2-16)
4)利用纹波电流波形计算纹波电流有效值的方法
如果一个纹波电流,是在工频之上叠加了高频成份,例如开关电源或变频器电源及有源滤波器电路。纹波电流的有效值可以利用表2 – 7中的波形图近似计算纹波电流的有效值。
电流波形和实效值计算式如(表2-7)所示。
表 2-7 电流波形和实效值计算式
铝电解电容器的等效串联电阻Re 具有频率特性,若与规定的频率不同,需要换算成标准频率。如果低频成分的频率补偿系数表示为K fL 、高频成分的频率补偿系数表示为K fH 时,则合成纹波电流In 换算到标准频率下的值就如下式
I n ………(公式2-17)
5)估算由纹波电流引起的温度上升的方法
功率损耗与纹波电流的平方成比例关系,若将流过额定纹波电流I 0(A)时的素子中心部位的温度上升为Δt0,流过纹波电流In(A)时的温度上升Δtn 可用公式计算。
I n 2
Δt n =0×Δt 0 ………(公式2-18)
105℃用基板自立型电容器的温度上升Δt0是约5℃。鉴于铝电解电容器的等效串联电阻Re 随温度改变,以及纹波电流波形也是由复杂的各种频率谐波成分组成,因此建议用热电偶检测实际温升。
纹波电流的有效值可以通过纹波电流的波形计算,而纹波电流可以按照频率划分为工频下的纹波电流成分I L和叠加在其之上的高频部分I H如(图2 -17)所示。
2-9-6 估算寿命
如2-9-1所示铝电解电容器的推测寿命用F T 、FI 及F U 的乘积来表示。大型铝电解电容器和小型铝电解电容器的计算方法如下表示。详情请咨询NICHICON。(大型)
大型铝电解电容器的推测寿命计算式如(式2-19)所示。此外,关于螺栓端子型铝电解电容器请另行咨询NICHICON。
In 2
T 0?T n n Δtn=Δt 0×1ΔL n =L0…(公式2-19)
(A)
(B)0
图 2-17
? 上表中波形②代表低频成分的纹波电流则其有效值
I L,
Ln :电容器在环境温度为Tn(℃)下施加纹波电流
In(Arms)时的估算寿命(h)
L 0:上限工作温度T 0(℃)下施加了额定纹波电流
Im(Arms)时的额定寿命时间(h)T 0:电容器的上限工作温度(℃)T n :电容器的环境温度(℃)Δto:温度T (℃)下施加最大允许纹波电流Im (Arms)0
时的电容器的内部温度上升(℃)Δtn :环境温度Tn(℃)下施加了实际的纹波电流
In (Arms)时的电容器的内部温度上升(℃)
K :纹波引起的温度上升加速系数[参照下图:适用
低于上限类别温度T 0(℃)的温度系数]
※公式适用于环境温度Tn 从+40℃至电容器的上限类别温度T 0的范围内。此外,一般情况下15年是通过上述公式估算的寿命上限。
I L =IP ………(公式2-15)
Im 是采用产品目录中记载的额定纹波电流的频率补偿系数计算出与使用纹波电流相同频率的容许值后,作为Im。
In : 环境温度Tn(℃)下的使用纹波电流(Arms)Bn:环境温度Tn (℃)下施加使用纹波电流In (Arms)
时的纹波加速系数α:寿命常数
关于具体的寿命常数敬请咨询我司。
备注
推测寿命的计算式是以高温下的寿命测试结果为基础的实验公式,计算值作为参考值使用。
此外,通过寿命估算公式计算的时间仅作为参考,非保证值. 所以请结合贵司的测试结果来考虑。
公式适用于环境温度Tn 从+40℃至电容器的上限类别温度T 0的范围内。此外,一般情况下15年是通过上述公式估算的寿命上限。
100
10
150
60
70
80
周边温度Tn(℃)
90
100
110
图 2-18 纹波温度上升加速系数 K
(小型)
小型铝电解电容器的推测寿命计算式根据耐久性的规定有2种方法。各自的推测寿命计算式如(公式2-20)及(公式2-21)所示。
(1)施加直流额定电压的产品(耐久性试验规格中仅
施加额定直流电压,不叠加纹波电流)
T ?T n
1L n ………(公式2-20)Bn
在这里B n =2
α) ×2
× In 2
T ?T n -)
(2)施加纹波电流的产品(耐久性试验规格中施加直流电压,同时叠加纹波电流)
L n =L
T 0?T n o ) α1ā) In
2
T n
āT 0?………(公式2-21)
(公式2-20)、(公式2-21)中
?40时,采用2T 0?T n
T 0?40) ) Tn(℃)?50时,采用2āT 0?T n
āT 0?50
Ln :环境温度Tn(℃)下施加纹波电流In(Arms)时的寿命时间(h)L :上限类别温度T 0(℃)下施加额定直流电压时的
额定寿命时间(h)
L 0:上限类别温度T 0(℃)下施加额定纹波电流Im (Arms)时的寿命时间(h)T 0:电容器的上限类别温度(℃)Tn :电容器的环境温度(℃)Im:上限类别温度T 0(℃)下的额定纹波电流(Arms)
2-10 卤素的影响
2-10-1 前言
当卤化物侵入铝电解电容器内部后,卤化物分解并释放出卤素离子 RX + H2O → ROH + H+ + X? 在此X ? :卤素离子
同时下式(电解腐蚀)的反应也将发生 Al + 3X? → AlX3 + 3e?
+?
AlX 3 + 3H2O → Al(OH)3 + 3H+ 3X
通过反复进行这种电解腐蚀反应可能会使漏电流上升、电容器压力阀作动并且可能导致压力阀打开。因此,禁止使用卤素类的清洗剂或者对基板的固定剂、涂层剂。如下说明了推荐的基板清洗方法及固定剂、涂层剂的要求事项。此外,在2- 10 -3项中记载了清洗能力上不得已使用卤素类溶剂时的要求事项。2-10-2 清洗
2-10-3 固定剂/涂层剂
(1)请勿使用含有卤素类溶剂的固定剂/涂层剂。(2)使用固定剂/涂层剂之前,请将基板和电容器
的封口部之间清扫干净,不能残留助焊剂残渣及污垢。
(3) 使用固定剂/涂层剂之前,请对清洗剂进行干燥。(4)使用固定剂/涂层剂时,请勿将电容器封口部
的整个面堵塞。
固定剂/涂层剂有很多种类,使用时详情请咨询我司。HCFC 的换代产品氟里昂在将来不能使用,而且,从保护地球环境的角度出发,我们不推荐将其作为清洗液来使用。
当必须使用用氟里昂替代品清洗时,可在下列条件范围内进行清洗。对 象:耐清洗品(产品目录记载)清洗剂:AK-225AES 清洗条件:采用浸渍、蒸气、超声波、喷雾等方法的合计清洗时间为5分钟以内。但是,贴装芯片型品及超小型品的清洗时间为2分钟以内。(溶剂温度低于40℃)
注意条件:请进行清洗剂的污染管理(电导度、pH、比重、水分量等)。清洗后,不能在清洗液的氛围中或者密封容器中保管。
关于不同于推荐清洗方法的清洗剂和清洗方法,请务必咨询我司。
750HS 750HN 750K 750J
2-10-4 其他关于熏制处理
在出口时的防虫对策中,有时会利用甲基溴等卤素化合物进行熏制处理。
直接对铝电解电容器及安装了铝电解电容器的设备进行熏蒸或者用熏蒸处理的木材用作托盘时,可能会因熏蒸剂内含有的卤素在电容器内部引起腐蚀反应。
2-11 CR时间电路
2-11-1 前言
下面将介绍使用在定时电路以及需要计算保持时间时的CR 时间电路中,铝电解电容器的使用注意事项。2-11-2 充电电路
(图2 - 19)的电路中,在电源电压V 下串联电阻R充电电容器C 时的电容器两端电压进行考察。(初期t = 0 时,电容器的电荷为零。)
充电开始的同时,电容器的两端电压根据(公式2 - 20)上升。根据(公式2 - 22)达到规定电压Vn 为止的时间t n为如(公式2 - 23)所示。
Vc
V
V c =V×e?
d
t
………(公式2-24)
V t n =CR d ln n ………(公式2-25)
在此 Rd:放电电阻(Ω)
C :电容器容量(F)V :电源电压(V)
2-11-4 电容器的漏电阻
电容器上施加直流电压后,漏电流会通过。铝电解电容器比其他电容器的漏电流更大,而且根据温度、施加电压、施加电压时间的不同而改变。若用等效电路考虑,这一情况可视为漏电流通过与电容器并联连接的电阻(漏电阻)。在电容器充电时及放电时的自我放电下,漏电流将成为功率损耗的来源。因此, 它提高了2 - 11- 2、2 - 11- 3理论公式的误差。充电时的时间常数大于理论值,放电时的时间常数小于理论值。当使用铝电解电容器运用在时间电路上时,请先确认在电子设备的使用温度范围内电容器是否充分满足其要求。
图 2-19
t
V c =V(1?e ………(公式2-22)
t n =CRln
V
………(公式2-23)n
在此 R:串联电阻(Ω)
C :电容器容量(F)V :电源电压(V)
2-11-3 放电电路
如(图2 - 20)的电路中,开关SW 倒向1侧,在电源电压V 情况下,对电容器C 充电后,开关SW 倒向2侧且通过电阻Rd 进行放电。放电时间(t)和电容器两端电压Vc (V)之间的关系如(公式2 - 24)所示。根据(公式2 - 24)放电后电容器的端子电压Vc(V)达到Vn(V)为止的时间tn(s)为如(公式2 - 25)所示。
SW
V
V
SW
Vc
图 2-20
2-12 产品选定的要点
2-12-1 前言
铝电解电容器是作为电源的平滑电路最为普遍采用的电容器。其原因是与其他电容器相比单位体积的容量大,单位容量的价格便宜。
在电子元器件市场上,微型化、高效率、高频化、高可靠性以及薄型化需求正推动着元器件表贴化。此外,随着PL(产品责任法)的强制推行,安全性变得比以往更加受到重视。针对这些情况,应用于电源上的铝电容被要求具有以下特点:小型、轻量、薄型、长寿命、高可靠性、芯片化、安全性。根据这些内容,以下所讨论的要点,将有助于熟练使用铝电容器。2-12-2 铝电解电容器的系列和特长(1)电源输入平滑用电容器
电源输入平滑用电容器位于二极管之后,起到对利用二极管整流的电流进行平滑的作用,要求其具备高纹波、高可靠性及安全性。基板自立型电容器的系列如(表2 -8)所示。表2 - 8 基板自立型电容器的系列矩阵
特长
85℃品标准品LS ?
小型化品LG ?
标准品GU,GN GJ
105℃品小型化品长寿命品GG,GL GJ (15)
GY,GX,GR ?
异常电压对应品AK,AQ ?
(2)电源输出平滑用电容器
在电子输出平滑电路中,电容器对于获得稳定的输出电压十分重要。电源转换频率越高,越是需要高频领域的低阻抗、低等效串联电阻(ESR)的电容器。
此外,在小型开关电源、DC-DC变流器电源上,表面贴装部件已开始被采用。
输出平滑用的引线型铝电解电容器的系列如(表2 - 9)所示,此外表面贴装类型的系列如(表2 -10)所示。表2 - 9 引线型电容器的系列矩阵
形状
特长
长寿命品
标准品105℃品125℃品双极性品低阻抗品5mmL品7mmL品11mmL ~品
MA SA,SR VK,RS
MT ST VY,RZ
??
MP SP V P
MF SF PA, PW
MV SV TT
BT
表2 - 10 表面贴装型电容器的系列矩阵
形状
特长
标准品105℃品125℃品双极性品低阻抗品长寿命品ZD ZR ZS WX UR UG
?
????
?
???
????
3.0mmL品3.95mmL品4.5mmL品5.5mmL品5.8mmL ~品
形状标准品薄型品
ZG ZT WT UT UJ,CD
ZE WP UP UN
WF,WG CD
UB UE
UL UJ
105℃用电容器标准系列为GU 系列,小型化要求的电容器推荐采用GG, GL 系列,低高度要求的电容器推荐采用GJ 系列。而在高可靠性要求的电容器中,5000小时保证的小型化产品推荐采用GY, GX系列,10000小时保证的GR 系列。此外,还有施加了过电压时,只要其过电压保持一定范围,就不会引起短路而是防爆阀运行(没有起火的危险)的AK , AQ 系列。推荐这两个系列用于24小时连续通电状态下使用的传真机或复印机等信息通信设备。
大尺寸品
开关电源的输出平滑电路用引线型电容器推荐采用PW 系列,小型化要求的电容器推荐采用SF 系列(产品高度7mm)、MF系列(产品高度5mm),低阻抗和小型化要求的电容器推荐采用PA 系列。此外,对于表贴型, WT 是标准系列,低高度的ZT、ZG系列,CD系列为低阻系列,以及高电压、大容量的UX、UJ系列等产品。(3)控制电路用电容器
鉴于电子设备的小型化、高容量化、高密度贴装化等原因周边温度上升,而且附近配置了发热部件,因此控制电路上使用的电容器可能容易引起故障。作为控制电路用电容器,本公司推出了105℃规格的VY 系列(小型化产品)、TT 系列(长寿命产品)、SV 系列(产品高度7mm)、MV(产品高度5mm)。详情请参照本公司最新的产品目录。
2-12-3 高密度贴装和长寿命化的注意事项(1)安装和配置
随着电子设备的小型化、多功能、高密度贴装化的发展,电容器的环境温度也变得越来越高。而且越来越多的设备需要连续运行,因此要求电容器有更高的可靠性和更长的寿命。铝电解电容器的环境温度越高其寿命越短。为实现铝电解电容器的长寿命化,请留意以下事项。
① 请勿在电容器的周边及印刷基板的背面(电容器下方)配置发热部件。
请用散热风扇等积极排放电子设备内部的热② 量。
机箱上适当开孔,降低电子设备内部温度,③
利用从开孔处引入的外部空气冷却电容器。尤其采用两面电路基板的电子设备,若在电④
源模块、发热部件附近安装,可能会受到电路基板的高热。请留意在大功率电源上使用铝电容器的情况。
电子设备内部越向上温度越高,因此请尽可⑤
能将电容器设定在位置较低的部分。当使用设备是竖直向上安装时,请特别注意上述情况。
2-12-4 浪涌电流和放电电阻
在电容器输入型电源上,电源开机时会流过对电容器充电的峰值电流(浪涌电流)。浪涌电流是根据开机输入时的时间或电路方式而不同,可能会达到稳态电流的几十倍。如果这一浪涌电流在一天当中仅仅重复数次,应该不会有问题,但是如果反复频繁地打开或关闭电源以及打开时发生的电磁噪声对设备造成障碍时,推荐在输入侧电路上添加电感或者有源滤波器。此外,如果关闭电源时,电路被设计成自动地电容器放电的电路方式时,请用1kΩ以上的放电电阻进行放电。
2-12-5 表面贴装用(芯片型铝电解电容器)
使用芯片型铝电解电容器取代引线型产品,要求其具有很好的稳定性、可焊性、耐热性以使得其能够通过回流焊焊接至电路板上。因此,我们是将引线扁平处理然后加装底座以此来抵御高温,而这一结构已成为垂直芯片式电容的主流。
作为立式芯片型铝电解电容器,本公司推出了外壳尺寸φ3 、 4 、 5 、 6.3、 8 、 10mm,额定电压4V ?500V,静电容量0.1μF?2200μF;外壳尺寸φ12.5、16、18、 20 mm,额定电压6.3 V ?450V,静电容量3.3μF?10000μF的各类产品。芯片型铝电解电容器的外观如(图2 - 23)所示。详情请参照本公司的产品目录。
(图例)
φ12.5~φ20
φ3~φ10
(图2-21)
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