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电解电容的制造原理与特点1电解电容器的构造1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.2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3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.4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
(1)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.2电容量的温度特性 CapacitanceTemperaturecharacteristics 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%3电容量的频率特性 Capacitancefrequencycharacteritics 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.3电压额定DC电压 RatedDCvoltage 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workingvoltage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 Ratedsurgevoltage 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 Surgevoltagemeasurement 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2500000/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DCLESRDF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 Transientover-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-ReversedVoltage 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VoltageSharing 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 VoltageDerating 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 OperatingTemperatureRange 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 RippleCurrent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10000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 Ripplecurrentspecification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ESRP=Isquare*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4700uF450V直径为3inch76mm长为55/8inchs143mm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
60.1in2388mm
2.热导系数是
0.
00660.1=
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=Isquarex0.03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 Ripplecurrenttemperaturecharacteristics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 Ripplecurrentfrequencycharacteristics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cornelldubilier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.cornelldubilier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 EquivalentSeriesResistance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 ESRmeasurement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 ESRTemperaturecharacteristicsESR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 ESRFrequencycharacteristics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=10000DFif/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.7漏电流DCL漏电流 DCLeakageCurrentDCLDC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 DCLMethodofmeasurement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.8外部气压 ExternalPressure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20nH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.10绝缘和接地 InsulationandGrounding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2500Vac60Hz1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100V2分钟以后绝缘电阻不小于100MΩ..11平衡电阻BalancingResistors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uAC是额定电容量单位是uFVb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/
0.0015CVrR使平衡电阻单位是MΩVr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 SelfLife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1000Ω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 BusStructure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55Hz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-resonantFrequency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/[2лLC^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-Reliefvent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.17安装 Mounting安装位置 Mountingposition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;。