1. Wstęp
Oprócz kondensatorów ceramicznych, aluminiowe kondensatory elektrolityczne to obecnie szeroka gama kondensatorów. Dlatego, jako inżynier sprzętu, musisz opanować jego cechy.
Na podstawie własnego doświadczenia, podsumowaliśmy ten dokument pod kątem potrzeb i trudności związanych z projektowaniem sprzętu, konsultując różne materiały. Pisząc dokumenty, celem jest usystematyzowanie wiedzy, uczyć się nowego poprzez przeglądanie przeszłości, i mam nadzieję, że będzie ona pomocna dla czytelników, aby wszyscy mogli wspólnie się uczyć i robić postępy.
2. Przegląd aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych
2.1, model podstawowy
Kondensatory są urządzeniami pasywnymi. Wśród różnych kondensatorów, aluminiowe kondensatory elektrolityczne mają większą wartość CV i niższą cenę w porównaniu z innymi kondensatorami o tym samym rozmiarze. Podstawowy model kondensatora pokazano na rysunku.
Wzór na obliczenie pojemności elektrostatycznej jest następujący:
Pomiędzy nimi, jest stałą dielektryczną, S jest powierzchnią dwóch płyt biegunowych skierowanych do siebie, oraz d jest odległością między dwiema płytami biegunowymi (grubość dielektryka).
Ze wzoru widać, że pojemność elektrostatyczna jest proporcjonalna do stałej dielektrycznej, a powierzchnia płyty jest odwrotnie proporcjonalna do odległości między dwiema płytami. Jako stała dielektryczna warstwy tlenku dielektrycznego (Al2O3) aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych wynosi zwykle 8 ~ 10, wartość ta na ogół nie jest większa niż w przypadku innych typów kondensatorów, ale poprzez wytrawienie folii aluminiowej w celu powiększenia powierzchni, i zastosowanie obróbki elektrochemicznej w celu uzyskania cieńszej warstwy Bardziej odporna na napięcie utleniona warstwa dielektryczna pozwala aluminiowym kondensatorom elektrolitycznym osiągnąć większą wartość CV na jednostkę powierzchni niż inne kondensatory.
Główne elementy aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych są następujące:
Anoda --- folia aluminiowa
Dielektryk – warstwa tlenkowa (Al2O3) utworzone na powierzchni anodowej folii aluminiowej
Katoda — prawdziwą katodą jest elektrolit
Inne składniki obejmują papier elektrolityczny impregnowany elektrolitem, i folia katodowa połączona z elektrolitem. W podsumowaniu, aluminiowe kondensatory elektrolityczne są elementami o budowie asymetrycznej biegunowo. Obie elektrody wykorzystują anodę z folii aluminiowej, która jest dwubiegunowa (niepolarny) kondensator.
2.2. Podstawowa struktura
Budowę aluminiowego elementu kondensatora elektrolitycznego pokazano na rysunku. Wykonany jest z folii anodowej, papier elektrolityczny, folia katodowa i zaciski (terminale wewnętrzne i zewnętrzne) zwinięte razem, impregnowane elektrolitem, i zapakowany w aluminiową obudowę, a następnie uszczelnione gumą.
2.3, właściwości materiału
Folia aluminiowa kondensatora jest głównym materiałem aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych. Folia aluminiowa jest ustawiona jako anoda. Po włączeniu prądu w elektrolicie, film tlenkowy (Al2O3) uformuje się na powierzchni folii aluminiowej. Ta warstwa tlenku działa jak dielektryk.
Folia aluminiowa po utworzeniu warstwy tlenkowej jest metalem o właściwościach prostujących w elektrolicie, jak dioda, który nazywany jest metalem zaworowym.
Pierwszy, w celu powiększenia powierzchni, materiał z folii aluminiowej umieszcza się w wodnym roztworze chlorku w celu trawienia elektrochemicznego. Następnie, po przyłożeniu napięcia wyższego niż napięcie znamionowe w roztworze boranu amonu, warstwę tlenku dielektrycznego (Al2O3) powstaje na powierzchni folii aluminiowej. Ta warstwa dielektryczna jest bardzo cienką i gęstą warstwą tlenku, około 1,1 ~ 1,5 nm/V, a rezystancja izolacji wynosi około 10^8~10^9Ω/m. Grubość warstwy tlenku jest proporcjonalna do napięcia wytrzymywanego.
Podobnie jak folia anodowa, folia aluminiowa katody również podlega procesowi trawienia, ale nie ma procesu utleniania. Dlatego, występuje tylko niewielka ilość naturalnego utleniania (Al2O3) na powierzchni folii aluminiowej katody, a napięcie, które może wytrzymać, wynosi tylko około 0,5 V.
Elektrolit
Elektrolit jest cieczą, która przewodzi prąd elektryczny za pomocą jonów. Jest to katoda w prawdziwym tego słowa znaczeniu i służy jako warstwa dielektryczna, która łączy powierzchnię folii aluminiowej anody. Folia aluminiowa katody, jak kolekcjoner, działa jako połączenie między rzeczywistą katodą a obwodem wewnętrznym. Elektrolit jest kluczowym materiałem determinującym charakterystykę kondensatorów (charakterystyka temperaturowa, charakterystyki częstotliwościowe, żywotność, itp.).
Papier elektrolityczny
Papier elektrolityczny odgrywa głównie rolę w równoważeniu rozkładu elektrolitu i utrzymywaniu szczeliny pomiędzy folią katodową a folią anodową.
2.4. Proces produkcji
Akwaforta (powiększającą się powierzchnię)
Efektem trawienia jest powiększenie powierzchni folii aluminiowej. Trawienie to proces elektrochemiczny, podczas którego do roztworu chlorku przykładany jest prąd przemienny lub stały.
Tworzenie (tworzenie warstwy dielektrycznej)
Formowanie to proces tworzenia warstwy dielektrycznej (Al2O3) na powierzchni folii aluminiowej anodowej. Ogólnie, uformowana folia aluminiowa służy jako anoda.
Przyciąć
Zgodnie z wymaganiami dotyczącymi wielkości różnych produktów, przeciąć folię aluminiową (folia katodowa i folia anodowa) i papier elektrolityczny do wymaganego rozmiaru.
Meandrowy
Włóż papier elektrolityczny pomiędzy folię katodową i folię anodową, a następnie nawiń go w kształt cylindryczny. W procesie nawijania, folia katodowa i folia anodowa są podłączone do zacisków.
Impregnacja
Impregnacja to proces zanurzenia elementu w elektrolicie. Elektrolit może dodatkowo naprawić warstwę dielektryczną.
foka
Uszczelnianie polega na umieszczeniu elementu w osłonie aluminiowej, a następnie uszczelnieniu go materiałem uszczelniającym (guma, gumowa okładka, itp.).
Starzenie się (zreformowany w)
Starzenie się to proces przykładania napięcia do szczelnego kondensatora w wysokiej temperaturze. Proces ten może naprawić pewne uszkodzenia warstwy dielektrycznej podczas procesu cięcia i nawijania.
Pełna inspekcja, opakowanie
Po starzeniu, wszystkie produkty zostaną sprawdzone pod kątem właściwości elektrycznych. Oraz do przetwarzania terminalowego, splatanie i tak dalej. Spakuj to.
3. Podstawowe cechy
3.1, pojemność elektrostatyczna
Im większa powierzchnia elektrody, tym większa pojemność (zdolność do magazynowania ładunku). Wartość pojemności aluminiowego kondensatora elektrolitycznego to wartość testowana w temperaturze 20 ℃, 120Prąd przemienny Hz/0,5 V.
Wraz ze wzrostem temperatury, pojemność wzrasta; gdy temperatura spada, pojemność maleje.
Im wyższa częstotliwość, tym mniejsza pojemność; im niższa częstotliwość, tym większa pojemność.
3.2, kąt straty
Zastępczy obwód kondensatora elektrolitycznego pokazano na powyższym rysunku (pomijając rezystancję izolacji). Gdy częstotliwość wynosi 120 Hz (przy tej częstotliwości mierzony jest nominalny kąt strat kondensatora ogólnego), częstotliwość jest bardzo niska w stosunku do równoważnej indukcyjności szeregowej L, więc można to zignorować L, model kąta straty jest następujący:
Można otrzymać wzór na kąt straty:
Zależność między kątem strat a temperaturą pokazano na poniższym rysunku. Im wyższa temperatura, im mniejszy kąt straty.
W niskich temperaturach, widać, że kąt straty staje się znacznie większy. To jest 0.05 w temperaturze 20°C i 0.09 w temperaturze -40°C. Według formuły, ESR wzrósł prawie dwukrotnie.
3.3, prąd upływowy
Prąd upływowy jest jedną z cech aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych. Po przyłożeniu napięcia stałego, warstwa tlenku dielektrycznego umożliwia przepływ małego prądu. Ta część małego prądu nazywana jest prądem upływowym. Idealny kondensator nie będzie wytwarzał prądu upływowego (w przeciwieństwie do prądu ładowania, prąd ten będzie nadal istniał, nawet jeśli napięcie będzie stałe).
Prąd upływowy zmienia się z czasem, jak pokazano na rysunku, osiągnie stabilną wartość po zmniejszaniu się w czasie. Dlatego, Specyfikacja prądu upływowego to wartość zmierzona po przyłożeniu napięcia znamionowego przez pewien czas w temperaturze 20°C.
Kiedy temperatura wzrasta, wzrasta prąd upływowy; gdy temperatura spada, prąd upływowy maleje, i przyłożone napięcie maleje, a wartość prądu upływu również maleje.
3.4. Krzywa impedancja-częstotliwość
Według modelu, złożona impedancja kondensatora wynosi:
Moduł impedancji: 28
Narysuj krzywą impedancja-częstotliwość, jak pokazano poniżej:
1/ωC to reaktancja pojemnościowa, a linia prosta reaktancji pojemnościowej na rysunku jest nachylona pod kątem 45° w dół. ωL jest reaktancją indukcyjną, a jego linia prosta tworzy kąt 45° z prawym górnym narożnikiem. R oznacza równoważną rezystancję szeregową. W zakresie niskich częstotliwości, wpływ strat dielektrycznych zależnych od częstotliwości jest duży, więc krzywa R jest skierowana w dół. W zakresie wysokich częstotliwości, dominuje wartość rezystancji elektrolitu i papieru elektrolitycznego i częstotliwość nie ma już na nią wpływu, więc wartość R jest zwykle stabilna.
4. Zwykłe parametry aluminiowego kondensatora elektrolitycznego
Producenci zazwyczaj mają różne serie kondensatorów elektrolitycznych, niski ESR, długie życie, i wysoka temperatura. Zwykłe produkty to wydajność, Tak, ogólne parametry temperatury i żywotności wynoszą 85 ℃/105 ℃-1000h/2000h. Ta sekcja dotyczy również tego rodzaju aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych.
5. Wysokiej jakości aluminiowe kondensatory elektrolityczne
Wysokiej jakości aluminiowe kondensatory elektrolityczne są w porównaniu ze zwykłymi aluminiowymi kondensatorami elektrolitycznymi. W niektórych specjalnych okazjach, zwykłe aluminiowe kondensatory elektrolityczne nie mogą spełnić naszych wymagań. W rzeczywistości, producenci aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych zwykle oferują wiele serii modeli. Te wysokiej jakości dzielą się głównie na trzy kategorie: odporność na wysoką temperaturę, długie życie, i niską impedancję.
Poniższy rysunek przedstawia listę aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych firmy Panasonic.
Długa żywotność może osiągnąć 5000 godzin, a wysoka temperatura może osiągnąć 125 ℃.
6. Nieprawidłowe napięcie
Zastosowanie nieprawidłowego napięcia spowoduje, że ciepło i gaz wewnątrz kondensatora zwiększą ciśnienie wewnętrzne, a wzrost ciśnienia spowoduje otwarcie zaworu lub uszkodzenie kondensatora.
6.1, nadmierne napięcie
Przyłożenie napięcia wyższego od znamionowego spowoduje reakcję chemiczną folii anodowej (tworzenie dielektryka), co powoduje szybki wzrost prądu upływu, która będzie wytwarzać ciepło i gaz, a ciśnienie wewnętrzne również wzrośnie.
Ta reakcja chemiczna będzie przyspieszać wraz ze wzrostem napięcia, aktualny, i temperatura otoczenia. Wraz ze wzrostem ciśnienia wewnętrznego, kondensator otworzy zawór lub ulegnie uszkodzeniu. Może to również spowodować zmniejszenie pojemności kondensatora, kąt straty i prąd upływu wzrastają, co może spowodować zwarcie kondensatora.
6.2 Napięcie wsteczne
Przyłożenie napięcia wstecznego spowoduje reakcję chemiczną folii katodowej kondensatora. Podobnie jak przyłożenie nadmiernego napięcia, spowoduje to szybki wzrost prądu upływowego, a ciepło i gaz będą generowane wewnątrz kondensatora, co spowoduje wzrost ciśnienia wewnętrznego.
Ta reakcja chemiczna będzie przyspieszać wraz ze wzrostem napięcia, aktualny, i temperatura otoczenia. W tym samym czasie, pojemność elektrostatyczna maleje, kąt straty wzrasta, i wzrasta prąd upływowy.
Podanie napięcia wstecznego o wartości około 1V spowoduje spadek pojemności; podanie napięcia wstecznego 2V-3V spowoduje spadek pojemności, wzrost kąta strat/lub wzrost prądu upływowego i skrócenie żywotności kondensatora. Jeśli zostanie zastosowane większe napięcie wsteczne, zawór się otworzy lub kondensator ulegnie uszkodzeniu.
7. Uruchom ponownie napięcie
Naładuj aluminiowy kondensator elektrolityczny, zewrzeć jego zaciski, a następnie otwórz linię zwierającą i pozostaw ją na pewien czas, napięcie między dwoma zaciskami ponownie wzrośnie. Napięcie w tym momencie nazywane jest napięciem ponownego uruchomienia.
Po przyłożeniu napięcia do dielektryka, wewnątrz dielektryka następuje zmiana elektryczna, a powierzchnia dielektryka przenosi przyłożone napięcie oraz dodatnie i ujemne ładunki zwrotne. (Polaryzacja) Ponieważ prędkość polaryzacji jest szybka lub wolna, po przyłożeniu napięcia, ustawić napięcie między zaciskami na 0 V, otwórz linię, i umieść go. Potencjał reakcji wolnej polaryzacji generuje napięcie między zaciskami.
Na rysunku przedstawiono zmianę czasu napięcia ponownego uruchomienia. Wartość szczytową osiąga się po ok 10-20 dni po otwarciu obu terminali, a następnie stopniowo maleje. Ponadto, wartość siły odrodzenia dużych produktów (typ zacisku śrubowego, płyta typu samonośnego) ma tendencję do wzrostu.
Po wystąpieniu ponownego napięcia, jeśli oba zaciski zostaną przypadkowo zwarte, zapłon wywoła strach u pracowników linii produkcyjnej, a elementy sterujące niskiego napięcia, takie jak procesor i pamięć obwodu, mogą również zostać uszkodzone. Jako środek zapobiegawczy, proszę rozładować nagromadzony ładunek o rezystancji około 100 do 1 kilooma przed użyciem.
8. Żywotność aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych
8.1. Zasada kalkulacji życia
Na żywotność aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych wpływa zjawisko parowania elektrolitu na zewnątrz przez uszczelkę, co objawia się spadkiem pojemności elektrostatycznej i wzrostem wartości stycznej strat.
Zależność pomiędzy szybkością parowania elektrolitu a temperaturą wyraża prawo Arrheniusa:
k jest: szybkość reakcji chemicznej
A: Współczynnik częstotliwości
mi: Energia aktywacji
R: Stała gazowa
T: temperatura
Wzór ten ilustruje logarytmiczną zależność pomiędzy szybkością reakcji chemicznej (szybkość utraty elektrolitu) i temperatura. Temperatura jest określana na podstawie temperatury otoczenia aluminiowego kondensatora elektrolitycznego i prądu tętniącego. Dlatego, temperatura otoczenia i prąd tętnienia określają żywotność aluminiowego kondensatora elektrolitycznego.
Rzeczywisty wzór na żywotność aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych jest następujący (różne kondensatory mają pewne różnice, tylko w celach informacyjnych):
Lx to żywotność.
Lo to gwarantowana wartość dożywotnia (żywotność zadeklarowana w specyfikacji).
To jest temperaturą roboczą (górna granica temperatury podana w specyfikacji).
Tx to rzeczywista temperatura otoczenia, rzeczywista temperatura otoczenia aluminiowego kondensatora elektrolitycznego.
Łatwo to uzyskać: za każdym razem, gdy temperatura pracy kondensatora wzrasta o 10°C, żywotność kondensatora zostaje podwojona