1. 導入
アルミ電解コンデンサは現在、セラミックコンデンサ以外にもさまざまなコンデンサがあります。. したがって, ハードウェアエンジニアとして, その特性をマスターする必要があります.
私たち自身の経験に基づいて, we have summarized this document for the hardware design needs and difficulties by consulting various materials. By writing documents, 目的は自分の知識をより体系化することです, 過去を振り返ることで新しいことを学ぶ, そしてそれが読者にとって役立つことを願っています, 誰もが一緒に学び、進歩できるように.
2. アルミ電解コンデンサの概要
2.1, 基本モデル
コンデンサは受動素子です. 各種コンデンサの中でも, aluminum electrolytic capacitors have a larger CV value and a cheaper price when the same size is compared with other capacitors. The basic model of the capacitor is shown in the figure.
静電容量の計算式は以下の通りです:
その中で, は誘電率です, S は、向かい合う 2 つの極板の表面積です。, d は 2 つの極板間の距離です。 (誘電体の厚さ).
この式から、静電容量は誘電率に比例することがわかります。, and the surface area of the plate is inversely proportional to the distance between the two plates. As the dielectric constant of the dielectric oxide film (Al2O3) アルミ電解コンデンサは通常8～10個です, この値は通常、他のタイプのコンデンサよりも大きくありません。, アルミ箔をエッチングして表面積を拡大, アルミ電解コンデンサは、電気化学処理により薄膜化を図り、耐電圧性の高い酸化誘電体層により、他のコンデンサに比べて単位面積当たりのCV値が大きくなります。.
アルミ電解コンデンサの主な成分は次のとおりです。:
陽極---アルミ箔
誘電体 - 酸化皮膜 (Al2O3) 陽極アルミ箔表面に形成
カソード - 実際のカソードは電解質です
その他の成分には電解質を含浸させた電解紙が含まれます, and cathode foil connected to the electrolyte. 要約すれば, aluminum electrolytic capacitors are components with polar asymmetric structure. Both electrodes use anode aluminum foil is a bipolar (無極性) コンデンサ.
2.2. 基本構造
アルミ電解コンデンサの素子の構造を図に示します。. 陽極箔で構成されています, 電解紙, 陰極箔と端子 (内部端子と外部端子) 一緒に巻く, 電解質を含浸させた, そしてアルミケースに詰められて, そしてゴムで密封します.
2.3, 素材の特性
コンデンサのアルミ箔 アルミ電解コンデンサの主材料です. アルミ箔を陽極としてセットします. 電解液中で電気が通電された後, 酸化膜 (Al2O3) アルミ箔の表面に形成されます. この酸化膜が誘電体として機能します。.
酸化皮膜形成後のアルミ箔は電解液中で整流作用のある金属です, ダイオードのように, 弁金属と呼ばれるものです.
初め, 表面積を広げるために, the aluminum foil material is placed in an aqueous chloride solution for electrochemical etching. それから, ホウ酸アンモニウム溶液中で定格電圧以上の電圧を印加した後, 誘電体酸化物層 (Al2O3) アルミ箔の表面に形成される. この誘電体層は非常に薄く緻密な酸化膜です。, 約1.1～1.5nm/V, and the insulation resistance is about It is 10^8~10^9Ω/m. The thickness of the oxide layer is proportional to the withstand voltage.
陽極箔と同じように, 陰極アルミ箔にもエッチング加工が施されています, but there is no oxidation process. したがって, 自然酸化はごくわずかです (Al2O3) 陰極アルミ箔の表面に, 耐電圧はわずか0.5V程度です.
電解質
電解質はイオンによって電気を通す液体です. It is a cathode in the true sense and serves as a dielectric layer that connects the surface of the anode aluminum foil. The cathode aluminum foil, コレクターのように, acts as a connection between the real cathode and the internal circuit. Electrolyte is the key material that determines the characteristics of capacitors (温度特性, 周波数特性, 耐用年数, 等).
電解紙
電解紙は主に電解液の分布バランスを整え、陰極箔と陽極箔の間のギャップを維持する役割を果たします。.
2.4. 製造工程
エッチング (表面積の拡大)
The effect of etching is to enlarge the surface area of the aluminum foil. Etching is an electrochemical process in which alternating or direct current is applied to a chloride solution.
形成 (誘電体層の形成)
形成とは、誘電体層を形成するプロセスです (Al2O3) on the surface of the anode aluminum foil. 一般的に, 形成されたアルミニウム箔は陽極として使用されます.
作物
さまざまな製品のサイズ要件に応じて, アルミホイルを切ります (陰極箔と陽極箔) 必要なサイズの電解紙と.
巻き上げ
陰極箔と陽極箔の間に電解紙を挿入する, それを円筒形に巻きます. 巻き上げ工程では, 陰極箔と陽極箔は端子に接続されています.
含浸
Impregnation is the process of immersing the element into the electrolyte. The electrolyte can further repair the dielectric layer.
シール
封止とは、エレメントをアルミシェルに入れ、封止材で封止する工程です。 (ゴム, ゴムカバー, 等).
エージング (に改革された)
Aging is the process of applying voltage to the sealed capacitor at a high temperature. This process can repair some damage to the dielectric layer during the cutting and winding process.
全数検査, 梱包
老化後, all products will be checked for electrical characteristics. And for terminal processing, braiding and so on. Pack it.
3. 基本特性
3.1, 静電容量
電極の表面積が大きいほど, 容量が大きいほど (電荷を蓄える能力). The capacitance value of aluminum electrolytic capacitor is the value tested under the condition of 20℃, 120Hz/0.5V交流.
気温が上がるにつれて, 容量が増える; 気温が下がるにつれて, 容量が減ります.
周波数が高いほど, 容量が小さいほど; 周波数が低いほど, 容量が大きいほど.
3.2, 損失角
電解コンデンサの等価回路は上図のようになります。 (絶縁抵抗無視). 周波数が120Hzの場合 (一般的なコンデンサの公称損失角はこの周波数で測定されます。), 周波数は等価直列インダクタンス L に比べて非常に低い, だから無視してもいいです L, 損失角モデルは次のとおりです:
損失角の公式が得られます:
損失角と温度の関係は下図のようになります。. 温度が高いほど, 損失角が小さいほど.
低温時, 損失角がかなり大きくなっていることがわかります. それは 0.05 20℃で 0.09 -40℃で. 式によると, ESRはほぼ2倍に増加しました.
3.3, 漏れ電流
アルミ電解コンデンサの特性として漏れ電流があります。. 直流電圧印加時, 誘電体酸化物層により、小さな電流が流れることができます。. This part of the small current is called leakage current. The ideal capacitor will not produce leakage current (充電電流とは異なります, たとえ電圧が一定であっても、この電流は存在し続けます。).
漏れ電流は時間とともに変化します, 図に示すように, it will reach a stable value after decreasing with time. したがって, 漏れ電流の規格値は20℃にて定格電圧を一定時間印加した後に測定した値です。.
気温が上がると, 漏れ電流が増加します; 気温が下がると, 漏れ電流が減少します, そして印加電圧は減少します, 漏れ電流値も減少します.
3.4. インピーダンス-周波数曲線
モデルによると, コンデンサの複素インピーダンスは:
インピーダンス係数: 28
以下に示すように、インピーダンスと周波数の曲線を描きます。:
1/ωC は容量性リアクタンスです, and the straight line of capacitive reactance in the figure is angled at 45° downward. ωL is the inductive reactance, and its straight line forms an angle of 45° to the upper right corner. R represents equivalent series resistance. In the low frequency range, 誘電損失の周波数依存性の影響が大きい, so the R curve is downward. In the high frequency range, 電解液と電解紙の抵抗値が支配的となり、周波数の影響を受けなくなります。, R値が安定する傾向にある.
4. 一般的なアルミ電解コンデンサのパラメータ
一般にメーカーはさまざまなシリーズの電解コンデンサを持っています, 低ESR, 長寿命, and high temperature. The ordinary products are performance, はい, 一般的な温度と寿命パラメータは85℃/105℃-1000時間/2000時間です。. この項目では、この種のアルミ電解コンデンサについても説明します。.
5. 高品質アルミ電解コンデンサー
ここでの高品質アルミ電解コンデンサは、一般的なアルミ電解コンデンサと比較して、. 特別な機会に, ordinary aluminum electrolytic capacitors cannot meet our requirements. 実際には, アルミ電解コンデンサのメーカーは通常、複数のシリーズのモデルを提供しています. 高品質のものは主に3つのカテゴリーに分類されます: 高温耐性, 長寿命, そして低インピーダンス.
下の写真はパナソニックのアルミ電解コンデンサの一覧です。.
長寿命は5000時間に達することができます, 高温は125℃に達することがあります.
6. 異常電圧
異常電圧が印加されるとコンデンサ内部で発熱やガスが発生し、内圧が上昇します。, 圧力が上昇するとバルブが開いたり、コンデンサが破損したりすることがあります。.
6.1, 過電圧
定格電圧以上の電圧を印加すると陽極箔が化学反応を起こします。 (誘電体の形成), 漏れ電流が急激に増加する, 熱とガスが発生します, そして内圧も上がります.
この化学反応は電圧が上がると加速します, 現在, and ambient temperature. As the internal pressure increases, the capacitor will open the valve or be damaged. It may also cause the capacitor capacity to decrease, 損失角と漏れ電流が増加します, コンデンサがショートする可能性があります.
6.2 逆電圧
逆電圧を印加するとコンデンサの陰極箔が化学反応を起こします。. 過大な電圧をかけるようなもの, 漏れ電流が急激に増加します, コンデンサ内部で熱とガスが発生します, 内圧が上昇する原因になります.
この化学反応は電圧が上がると加速します, 現在, and ambient temperature. 同時に, 静電容量が減少します, 損失角が大きくなる, そして漏れ電流が増加します.
約1Vの逆電圧がかかると容量が低下します。; 2V～3Vの逆電圧を印加すると容量が低下します。, an increase in loss angle/or an increase in leakage current and shorten the life of the capacitor. If a larger reverse voltage is applied, バルブが開いたり、コンデンサが破損したりする可能性があります.
7. 再起動電圧
アルミ電解コンデンサを充電する, 端子をショートさせる, その後、短絡線を開放し、一定期間放置します。, the voltage between the two terminals will rise again. The voltage at this time is called the restart voltage.
誘電体に電圧を印加した後, 誘電体内で電気的変化が起こる, and the surface of the dielectric carries the applied voltage and positive and negative reverse charges. (分極) 分極の速度が速いか遅いため, 電圧を印加した後, 端子間電圧を0Vに設定します。, 回線を開いてください, そしてそれを置きます. 遅い分極反応電位により端子間に電圧が発生します。.
再起動電圧の時間変化を図に示します. ピーク値に達するのは約 10-20 2 つのターミナルがオープンしてから数日後, and then gradually decreases. 加えて, 大型製品の回復電力値 (ネジ端子式, ボード自立型) 増加する傾向にある.
再電圧発生後, 2つの端子が誤って短絡した場合, 発火は生産ラインの労働者に恐怖感をもたらすだろう, and the low-voltage driving elements such as the circuit's CPU and memory may also be damaged. As a preventive measure, 溜まった電荷は約100Ωの抵抗で放電してください。 100 使用前に1KΩまで.
8. アルミ電解コンデンサの寿命
8.1. 生命の計算原理
アルミ電解コンデンサの寿命は、一般に電解液が封口部から外部に蒸発する現象によって影響を受けます。, 静電容量の減少と損失正接値の増加として現れます。.
電解液の蒸発速度と温度の関係はアレニウスの法則で表されます。:
kは: 化学反応速度
あ: 周波数係数
E: 活性化エネルギー
R: 気体定数
T: 温度
この式は、化学反応速度間の対数関係を示しています。 (電解質の損失速度) and temperature. The temperature is determined by the ambient temperature of the aluminum electrolytic capacitor and the ripple current. したがって, アルミ電解コンデンサの寿命は周囲温度とリップル電流で決まります.
実際のアルミ電解コンデンサの寿命計算式は次のとおりです。 (異なるコンデンサにはいくつかの違いがあります, 参考までに):
Lxは寿命です.
Lo は保証された生涯値です (仕様で宣言されている寿命).
To は使用温度です (仕様上の温度の上限).
Tx は実際の周囲温度です, アルミ電解コンデンサの実際の周囲温度.
それを手に入れるのは簡単です: コンデンサの動作温度が10℃上昇するごとに, コンデンサの寿命が2倍になる