★★★ Cap-4---鋁液體電解電容 ★★★
引言:電解電容器有別于其他電容器,其理由在于電極材料和介質(zhì)的特殊性。鋁電解電容器在陽(yáng)極的鋁箔表面形成作為電介質(zhì)的鋁氧化被膜,電解質(zhì)(陰極)使用電解液(溶媒中溶解了電解質(zhì)的液體)。鋁電解電容器的特點(diǎn)在于其大電容,通過(guò)對(duì)鋁箔的表面進(jìn)行蝕刻來(lái)形成凹凸以增大電極表面積(S),再在埃級(jí)的極薄狀態(tài)下形成氧化被膜的厚度(d)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是與陶瓷電容器和薄膜電容器相比,等效串聯(lián)電阻(ESR)變大。
鋁電解電容器是使用壽命有限的產(chǎn)品,這是因?yàn)殡娊庖簳?huì)在溫度的影響下氣化,漸漸地滲透到封口橡膠中,伴隨時(shí)間的推移電容下降,ESR上升,最終成為開(kāi)路狀態(tài)(電解液干涸)。鋁電解電容器的壽命預(yù)測(cè)一般可應(yīng)用“10℃-2倍的定律”。
€1.鋁液體電解電容
圖4-1:電容器按屬性分類(lèi)
如 圖4-2 ,電解電容器是根據(jù)將在電極表面電化學(xué)生成的氧化被膜作為介質(zhì)來(lái)使用而取的名稱(chēng)。鋁(A?),鉭(Ta),鈮(Nb),鈦(Ti),鋯(Zr),鉿(Hf)等金屬可生成綿密而富于絕緣性的氧化被膜。電容器中目前已被實(shí)用化的金屬包括鋁,鉭和鈮這3種金屬。在陽(yáng)極的表面生成的氧化被膜只有在其被生成的電極成為陽(yáng)極的時(shí)候才會(huì)呈現(xiàn)電氣絕緣性,發(fā)揮介質(zhì)的功能。因此電解電容器從原理上來(lái)看,是具有極性的電容器。
圖4-2:電解電容器的原理圖
圖4-3:電解電容器的種類(lèi)
鉭非固體電解電容器限定于非常特殊的用途 ,產(chǎn)量也非常少因而在提到電解電容器時(shí),可以認(rèn)為是指鋁電解電容器(非固體和固體)與鉭固體電解電容器(下稱(chēng)鉭電解電容器)這兩種。鋁電解電容器與鉭電解電容器的特點(diǎn)和差異如表4-1所示。
表4-1:三種常用電解電容的特點(diǎn)和差異
鋁電解電容器構(gòu)造上的特點(diǎn)在于電極采用箔型,電解質(zhì)使用液體。鉭電解電容器構(gòu)造上的特點(diǎn)在于陽(yáng)極在電解質(zhì)中使用固體。鋁電解電容器和鉭電解電容器,兩者的最大差異體現(xiàn)在電解質(zhì)的差異(液體或固體)上,此構(gòu)造上的差異都會(huì)大大影響到其性能和可靠性。
對(duì)于溫度特性,頻率特性等特性,由于液體電解質(zhì)電導(dǎo)率變化大,無(wú)論如何也比不過(guò)固體電解質(zhì)。相反地,固體電解質(zhì)與液體電解質(zhì)相比,氧化被膜的修復(fù)性能不太好,因而如果在氧化被膜產(chǎn)生缺陷的情況下,往往會(huì)呈現(xiàn)漏電流的增加或短路這樣的故障模式。耐脈動(dòng),耐充放電性能,逆電壓施加性能不好,也是此修復(fù)性的差異造成的。
從壽命來(lái)看,鋁非固體式電解電容器,電解液會(huì)從封口部逐漸滲透或蒸發(fā),最終干涸導(dǎo)致容量下降或減少,最后成為開(kāi)路狀態(tài),但是固體式電容器電解質(zhì)幾乎不會(huì)蒸發(fā),與鋁電解電容器相比,具有非常長(zhǎng)的使用壽命。
** €2. 鋁電解電容器的故障**
可以按照以下所圖4-4示的方式來(lái)大致區(qū)分故障模式:
圖4-4:故障模式分類(lèi)
劣化故障是其他電容器上幾乎很少有的故障模式。鋁電解電容器其故障率會(huì)隨著時(shí)間的經(jīng)過(guò)而增加,最終導(dǎo)致全部故障(開(kāi)路)。致命故障會(huì)導(dǎo)致電容器的功能完全喪失,因而很容易判斷故障,但是劣化故障時(shí),由于其特性是慢慢地發(fā)生變化,因而在哪個(gè)階段判斷為故障,會(huì)根據(jù)所使用的電子設(shè)備的要求性能而存在差異。劣化故障時(shí),從規(guī)格書(shū)和產(chǎn)品目錄規(guī)格值偏離的階段為大致標(biāo)準(zhǔn)來(lái)做出故障判斷。各自的故障模式和發(fā)生要因以及與故障機(jī)理的關(guān)系如表4-2所示。
表4-2:鋁電解電容器的故障模式和故障機(jī)理
**** €3. 壽命設(shè)計(jì)****
鋁電解電容器是具有有限壽命的零部件,正如以上反復(fù)描述的那樣,在通常的使用條件下左右其壽命的只限于溫度。(因?yàn)殡娊庖旱臐B透速度會(huì)隨使用溫度而變化之故)其他因素,也即電壓和安裝條件等,如表4-2項(xiàng)中所示,在發(fā)生異常時(shí),將會(huì)成為導(dǎo)致壽命縮短的要因,在通常的條件內(nèi)不成問(wèn)題。
壽命的求取方法:
電解液的滲透速度,在溫度每上升10℃時(shí)其速度就大約增大2倍,總結(jié)為“10℃-2倍定律”,40℃到140℃左右的范圍內(nèi)成立。因此可根據(jù)式1來(lái)求出該電容器在使用溫度下的預(yù)期壽命,此外在簡(jiǎn)易地求取時(shí),可以使用圖4-5 。
L:實(shí)際使用時(shí)的預(yù)期壽命(小時(shí))
T:實(shí)際使用時(shí)的周?chē)鷾囟?+ 脈動(dòng)電流的發(fā)熱(℃)
L0:該電容器的保證壽命(℃)
T0:1) 疊加額定脈動(dòng)電流來(lái)規(guī)定耐久性時(shí)該電容器的范疇上限溫度 + 額定脈動(dòng)電流設(shè)定時(shí)的發(fā)熱[5℃](℃);2) 施加額定電壓來(lái)規(guī)定耐久性時(shí)該電容器的范疇上限溫度(℃)
圖4-5:降額壽命時(shí)間簡(jiǎn)易換算表
**** €4. 設(shè)計(jì)示例****
使用背景:設(shè)備的預(yù)期壽命(要求壽命)在24小時(shí)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)下使用10年,每天運(yùn)轉(zhuǎn)8小時(shí)下使用10年,電容器的周?chē)鷾囟葹?5℃ (確認(rèn)在背面和周?chē)鷽](méi)有發(fā)熱的零部件),壽命計(jì)算:考慮在105℃下使用2000小時(shí)保證品時(shí):
即使用溫度65℃下32000小時(shí)的預(yù)期壽命
選定使用的電容器:對(duì)于A:24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)下使用10年時(shí),L=24小時(shí)×365日×10年= 87600小時(shí),10年的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間,即使是在105℃下使用2000小時(shí)的產(chǎn)品也不滿(mǎn)足預(yù)期壽命,因而需要調(diào)低周?chē)鷾囟?。?duì)于B:1日8小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)下使用10年時(shí),L=8小時(shí)×365日×10年= 29200小時(shí),10 年的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間在105℃下使用2000小時(shí)的產(chǎn)品可沒(méi)有問(wèn)題地使用。
****** €5. 電路設(shè)計(jì)考量******
在使用鋁電解電容器時(shí),如表4-3所示,電路設(shè)計(jì)上成問(wèn)題的包括以下7個(gè)種類(lèi):
表4-3:鋁電解電容選型考慮因素
(1) 過(guò)電壓
要點(diǎn):請(qǐng)勿施加額定電壓以上的過(guò)電壓。如果是短暫的時(shí)間(1 秒以?xún)?nèi)),可以施加至電涌電壓。電路上有電感時(shí),電容器的兩端電壓會(huì)上升至預(yù)想值以上。特別是對(duì)于馬達(dá)上的感生電流等。
如果施加額定電壓以上的過(guò)電壓,就會(huì)因封口密封不良中所描述的電容器的氧化被膜自修復(fù)作用,導(dǎo)致容量減少,tan δ增加或電容器的破壞。
(2) 逆電壓
要點(diǎn):請(qǐng)勿施加逆電壓。包括電源的ON/OFF時(shí)等在內(nèi),在施加逆電壓時(shí),請(qǐng)使用兩極性的電容器。(但是無(wú)法在AC電路上使用)通常鋁電解電容器在構(gòu)造上采用只對(duì)單極進(jìn)行陽(yáng)極氧化并形成氧化被膜的極化構(gòu)造。
(3) 紋波電流
要點(diǎn):請(qǐng)使用具有比電路的紋波電流更大的容許脈動(dòng)電流值的電容器。需要根據(jù)頻率來(lái)對(duì)紋波電流進(jìn)行修正,測(cè)量電路的紋波電流困難時(shí), 請(qǐng)確認(rèn)電容器本身的發(fā)熱。請(qǐng)?jiān)谧园l(fā)熱處于紋波電流的頻率修正系數(shù),將影響壽命的各頻率下的紋波電流應(yīng)力設(shè)定為同等,是非常具有意義的數(shù)值。紋波動(dòng)電流引起的自發(fā)熱影響ESR,一旦頻率升高就會(huì)下降。因此頻率越高,紋波電流就越易于流過(guò)。
(4) 充放電
要點(diǎn):不可在頻繁地反復(fù)進(jìn)行充放電的電路中使用。一般的鋁電解電容器在通常的狀態(tài)下電流幾乎不會(huì)流過(guò),因而幾乎沒(méi)有什么發(fā)熱。但是在充放電時(shí)會(huì)有電流流過(guò),因而會(huì)發(fā)熱。因此如果該頻度增多,則會(huì)因自發(fā)熱溫度而導(dǎo)致壽命縮短,極端的情況下會(huì)導(dǎo)致漏電流的極端增加或電容器的破壞(電解液漏出等)。
(5) 溫度特性
要點(diǎn):溫度引起的電氣特性的變動(dòng),請(qǐng)考慮設(shè)備的使用環(huán)境來(lái)研究并選定電容器。鋁電解電容器使用液體電解質(zhì),因而與陶瓷電容器那樣的固體電解質(zhì)相比,電導(dǎo)率變化大,所以會(huì)使得溫度特性變差。
(6) 多個(gè)使用
并聯(lián)使用或者串聯(lián)使用2個(gè)以上的電容器,將2個(gè)以上的電容器并聯(lián)連接時(shí)電容器的電阻值是接近電路電阻的值,因而在有的情況下會(huì)導(dǎo)致電容器間的電流失去平衡,致使脈動(dòng)電流流向部分電容器。請(qǐng)充分考慮布線(xiàn)方法,讓脈動(dòng)電流均勻流向各電容器。
圖4-6:推薦粉色連接方式
安裝部位:在進(jìn)行鋁電解電容器安裝部位的設(shè)計(jì)時(shí),需要考慮以下項(xiàng)目。
表4-4:鋁電解電容安裝考慮因素
******** €6. 使用場(chǎng)景********
直流穩(wěn)定電源,大致區(qū)分為斷續(xù)控制方式和連續(xù)控制方式。下面就以開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器為例,用于開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的電容器是根據(jù)電路來(lái)選定的,屬于前饋型開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器。
① 線(xiàn)路濾波器電路 :陶瓷電容器,薄膜電容器
② 輸入側(cè)平滑電路 :鋁電解電容器(層疊陶瓷電容器)
③ 緩沖電路 :陶瓷電容器
④ 輸出側(cè)平滑電路 :鋁電解電容器,層疊陶瓷電容器,薄膜電容器,鋁固體電解電容器,鉭電解電容器
⑤ 控制電路 :陶瓷電容器,薄膜電容器,鉭電解電容器,鋁電解電容器
(1) 輸入側(cè)(一次側(cè))平滑電路用鋁電解電容器
在商用電壓(100V.AC,200V.AC) 和商用頻率(60Hz,50Hz) 下使用的輸入側(cè)平滑用鋁電解電容器,是對(duì)應(yīng)商用電壓的高耐電壓電容器,由于是商用頻率(通常為全波電流),所以要求具備對(duì)應(yīng)商用頻率×2的耐脈動(dòng)電流性能。此外電容器在所嵌裝的零部件中占有較大的體積( 接地面積),隨著電源的小型化,人們對(duì)電容器提出了非常強(qiáng)烈的小型化要求。
(2) 輸出側(cè)平滑用鋁電解電容器
在開(kāi)關(guān)頻率(20k~500kHz) 下被作為平滑用使用的鋁電解電容器,其額定電壓是根據(jù)所設(shè)定的輸出電壓來(lái)決定的,此外其必須具備的條件是在開(kāi)關(guān)頻率下為低阻抗。
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