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1、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0.020.1mm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。
2、 (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
3、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C/C. (2)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
4、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 Capacitance frequency characteritics 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 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
5、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
6、涌电压的测量 Surge voltage measurement 在正常的室温下给电容通过一个100010%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/C10%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
7、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
8、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100ohm1Kohm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
9、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
10、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
11、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
12、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 cur
13、rent 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
14、,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30m,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30m可允许的纹波电流是11A.(36I square x 003) 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 characteristic
15、s 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
