1. Introdução
Capacitores eletrolíticos de alumínio são atualmente uma grande variedade de capacitores, além dos capacitores de cerâmica. Portanto, como engenheiro de hardware, você deve dominar suas características.
Com base em nossa própria experiência, resumimos este documento para as necessidades e dificuldades do projeto de hardware consultando vários materiais. Ao escrever documentos, e também espero que, aprenda o novo revisando o passado, e também espero que seja útil para os leitores, para que todos possam aprender e progredir juntos.
2. Visão geral dos capacitores eletrolíticos de alumínio
2.1, o modelo básico
Capacitores são dispositivos passivos. Entre vários capacitores, capacitores eletrolíticos de alumínio têm um valor CV maior e um preço mais barato quando o mesmo tamanho é comparado com outros capacitores. O modelo básico do capacitor é mostrado na figura.
A fórmula de cálculo da capacidade eletrostática é a seguinte:
Entre eles, é a constante dielétrica, S é a área de superfície das duas placas polares voltadas uma para a outra, e d é a distância entre as duas placas polares (a espessura do dielétrico).
Pode-se observar pela fórmula que a capacidade eletrostática é proporcional à constante dielétrica, e a área da superfície da placa é inversamente proporcional à distância entre as duas placas. Como a constante dielétrica do filme de óxido dielétrico (Al2O3) de capacitores eletrolíticos de alumínio é geralmente 8 ~ 10, este valor geralmente não é maior do que outros tipos de capacitores, mas gravando a folha de alumínio para aumentar a área de superfície, e usando tratamento eletroquímico para ficar mais fino. A camada dielétrica oxidada mais resistente à voltagem permite que os capacitores eletrolíticos de alumínio alcancem um valor CV maior por unidade de área do que outros capacitores.
Os principais componentes dos capacitores eletrolíticos de alumínio são os seguintes:
e também espero que
Dielétrico — Filme de óxido (Al2O3) formado na superfície da folha de alumínio do ânodo
Cátodo - O cátodo real é eletrólito
Outros componentes incluem papel eletrolítico impregnado com eletrólito, e folha de cátodo conectada ao eletrólito. t estado subdividiu estados, capacitores eletrolíticos de alumínio são componentes com estrutura polar assimétrica. Ambos os eletrodos usam folha de alumínio anódica é bipolar (não polar) capacitor.
2.2. Estrutura básica
A estrutura do elemento capacitor eletrolítico de alumínio é mostrada na figura. É feito de folha de ânodo, papel eletrolítico, folha catódica e terminais (terminais internos e externos) feridos juntos, impregnado com eletrólito, e embalado em uma caixa de alumínio, e então selado com borracha.
2.3, as características do material
Folha de alumínio do capacitor é o principal material dos capacitores eletrolíticos de alumínio. A folha de alumínio é definida como o ânodo. Depois que a eletricidade é energizada no eletrólito, um filme de óxido (Al2O3) será formado na superfície da folha de alumínio. Este filme de óxido funciona como um dielétrico.
A folha de alumínio após a formação do filme de óxido é um metal com propriedades retificadoras no eletrólito, como um diodo, que é chamado de metal de válvula.
Primeiro, a fim de expandir a área de superfície, o material da folha de alumínio é colocado em uma solução aquosa de cloreto para ataque eletroquímico. Então, depois de aplicar uma tensão superior à tensão nominal na solução de borato de amônio, uma camada de óxido dielétrico (Al2O3) é formado na superfície da folha de alumínio. Esta camada dielétrica é um filme de óxido muito fino e denso, cerca de 1,1 ~ 1,5nm / V, e a resistência de isolamento é de cerca de 10^8~10^9Ω/m. A espessura da camada de óxido é proporcional à tensão suportável.
Como a folha de ânodo, a folha de alumínio do cátodo também tem um processo de corrosão, mas não há processo de oxidação. Portanto, há apenas uma pequena quantidade de oxidação natural (Al2O3) na superfície da folha de alumínio do cátodo, e a tensão que ele pode suportar é apenas cerca de 0,5 V.
Eletrólito
O eletrólito é um líquido que conduz eletricidade por íons. É um cátodo no verdadeiro sentido e serve como uma camada dielétrica que conecta a superfície da folha de alumínio do ânodo. A folha de alumínio do cátodo, como o colecionador, atua como uma conexão entre o cátodo real e o circuito interno. O eletrólito é o material chave que determina as características dos capacitores (características de temperatura, características de frequência, vida de serviço, etc.).
Papel eletrolítico
O papel eletrolítico desempenha principalmente um papel no equilíbrio da distribuição de eletrólito e mantendo a lacuna entre a folha do cátodo e a folha do ânodo.
2.4. Processo de produção
Gravura (expandindo a área de superfície)
O efeito da gravação é aumentar a área de superfície da folha de alumínio. A gravação é um processo eletroquímico no qual corrente alternada ou contínua é aplicada a uma solução de cloreto.
Formação (formação de camada dielétrica)
Formação é o processo de formação de uma camada dielétrica (Al2O3) na superfície da folha de alumínio do ânodo. Geralmente, a folha de alumínio formada é usada como um ânodo.
Colheita
De acordo com os requisitos de tamanho de diferentes produtos, corte a folha de alumínio (folha de cátodo e folha de ânodo) e papel eletrolítico para o tamanho necessário.
Enrolamento
Insira papel eletrolítico entre a folha de cátodo e a folha de ânodo, e, em seguida, enrole-o em uma forma cilíndrica. No processo de enrolamento, a folha de cátodo e a folha de ânodo são conectadas aos terminais.
Impregnação
A impregnação é o processo de imersão do elemento no eletrólito. O eletrólito pode reparar ainda mais a camada dielétrica.
foca
A vedação é o processo de colocar o elemento no invólucro de alumínio e, em seguida, vedá-lo com um material de vedação (borracha, capa de borracha, etc.).
Envelhecimento (reformado em)
O envelhecimento é o processo de aplicação de tensão ao capacitor selado em alta temperatura. Este processo pode reparar alguns danos à camada dielétrica durante o processo de corte e enrolamento.
Inspeção completa, embalagem
Depois de envelhecer, todos os produtos serão verificados quanto às características elétricas. E para processamento de terminal, trança e assim por diante. Embale.
3. Características básicas
3.1, capacidade eletrostática
Quanto maior for a área de superfície do eletrodo, quanto maior a capacidade (a capacidade de armazenar carga). O valor da capacitância do capacitor eletrolítico de alumínio é o valor testado sob a condição de 20 ℃, 120Hz / corrente alternada 0,5 V.
Conforme a temperatura aumenta, a capacidade aumenta; conforme a temperatura diminui, a capacidade diminui.
Quanto maior a frequência, quanto menor a capacidade; quanto menor a frequência, quanto maior a capacidade.
3.2, ângulo de perda
O circuito equivalente do capacitor eletrolítico é mostrado na figura acima (ignorando a resistência de isolamento). Quando a frequência é 120Hz (o ângulo de perda nominal do capacitor geral é medido nesta frequência), a frequência é muito baixa em relação à indutância série equivalente L, então pode ser ignorado L, o modelo do ângulo de perda é o seguinte:
A fórmula do ângulo de perda pode ser obtida:
A relação entre o ângulo de perda e a temperatura é mostrada na figura abaixo. Quanto mais alta a temperatura, quanto menor o ângulo de perda.
Em baixas temperaturas, pode-se ver que o ângulo de perda se torna muito maior. Isto é 0.05 a 20 ° C e 0.09 a -40 ° C. De acordo com a fórmula, o ESR aumentou quase o dobro.
3.3, corrente de fuga
A corrente de fuga é uma das características dos capacitores eletrolíticos de alumínio. Quando uma tensão DC é aplicada, a camada de óxido dielétrico permite que uma pequena corrente passe. Esta parte da pequena corrente é chamada de corrente de fuga. O capacitor ideal não produzirá corrente de fuga (ao contrário da corrente de carga, esta corrente continuará a existir mesmo se a tensão for constante).
A corrente de fuga mudará com o tempo, como mostrado na figura, atingirá um valor estável após diminuir com o tempo. Portanto, o valor de especificação da corrente de fuga é o valor medido após a aplicação da tensão nominal por um período de tempo a 20 ° C.
Quando a temperatura aumenta, a corrente de fuga aumenta; quando a temperatura diminui, a corrente de fuga diminui, e a tensão aplicada diminui, e o valor da corrente de fuga também diminui.
3.4. Curva de impedância-frequência
De acordo com o modelo, a impedância complexa do capacitor é:
Módulo de impedância: 28
Desenhe a curva de frequência de impedância como mostrado abaixo:
1/ωC é reatância capacitiva, e a linha reta da reatância capacitiva na figura tem um ângulo de 45° para baixo. ωL é a reatância indutiva, e sua linha reta forma um ângulo de 45° com o canto superior direito. R representa resistência em série equivalente. Na faixa de baixa frequência, a influência da perda dielétrica dependente da frequência é grande, então a curva R é descendente. Na faixa de alta frequência, o valor da resistência do eletrólito e do papel eletrolítico domina e não é mais afetado pela frequência, então o valor de R tende a ser estável.
4. Parâmetros do capacitor eletrolítico de alumínio comum
Os fabricantes geralmente têm várias séries de capacitores eletrolíticos, ESR baixo, vida longa, e alta temperatura. Os produtos comuns são desempenho, sim, os parâmetros gerais de temperatura e vida são 85 ℃ / 105 ℃ -1000h / 2000h. Esta seção também é sobre este tipo de capacitores eletrolíticos de alumínio.
5. Capacitores eletrolíticos de alumínio de alta qualidade
Os capacitores eletrolíticos de alumínio de alta qualidade aqui são relativos aos capacitores eletrolíticos de alumínio comuns. Em algumas ocasiões especiais, capacitores eletrolíticos de alumínio comuns não podem atender aos nossos requisitos. Na verdade, fabricantes de capacitores eletrolíticos de alumínio geralmente fornecem várias séries de modelos. Os de alta qualidade são divididos principalmente em três categorias: resistência a altas temperaturas, vida longa, e baixa impedância.
e também espero que.
A longa vida pode chegar a 5000h, e a alta temperatura pode chegar a 125 ℃.
6. Tensão anormal
A aplicação de tensão anormal fará com que o calor e o gás dentro do capacitor aumentem a pressão interna, e o aumento da pressão fará com que a válvula se abra ou o capacitor seja danificado.
6.1, tensão excessiva
Aplicar uma tensão maior do que a tensão nominal causará uma reação química da folha do ânodo (formação de um dielétrico), resultando em um rápido aumento na corrente de fuga, que irá gerar calor e gás, e a pressão interna também aumentará.
Esta reação química irá acelerar com o aumento da voltagem, atual, e temperatura ambiente. À medida que a pressão interna aumenta, o capacitor abrirá a válvula ou será danificado. Também pode fazer com que a capacidade do capacitor diminua, o ângulo de perda e a corrente de fuga para aumentar, o que pode causar um curto-circuito no capacitor.
6.2 Voltagem inversa
e também espero que. Como aplicar uma tensão excessiva, fará com que a corrente de fuga aumente rapidamente, e calor e gás serão gerados dentro do capacitor, o que fará com que a pressão interna aumente.
Esta reação química irá acelerar com o aumento da voltagem, atual, e temperatura ambiente. Ao mesmo tempo, a capacidade eletrostática diminui, o ângulo de perda aumenta, e a corrente de fuga aumenta.
Aplicar uma tensão reversa de cerca de 1V causará uma diminuição na capacidade; aplicar uma tensão reversa de 2V-3V causará uma diminuição na capacidade, um aumento no ângulo de perda/ou um aumento na corrente de fuga e encurta a vida útil do capacitor. Se uma tensão reversa maior for aplicada, a válvula abrirá ou o capacitor será danificado.
7. Tensão de reinicialização
Carregue o capacitor eletrolítico de alumínio, curto-circuite seus terminais, e, em seguida, abra a linha de curto-circuito e deixe-a por um período de tempo, a tensão entre os dois terminais aumentará novamente. A tensão neste momento é chamada de tensão de reinicialização.
Depois que uma tensão é aplicada ao dielétrico, uma mudança elétrica ocorre dentro do dielétrico, e a superfície do dielétrico carrega a tensão aplicada e cargas reversas positivas e negativas. (Polarização) Porque a velocidade de polarização é rápida ou lenta, depois de aplicar uma voltagem, defina a tensão entre os terminais para 0V, abrir a linha, e coloque-o. O potencial de reação de polarização lenta gera uma tensão entre os terminais.
A mudança de tempo da tensão de reinicialização é mostrada na figura. O valor de pico é alcançado após cerca de 10-20 dias após os dois terminais serem abertos, e depois diminui gradualmente. Além disso, o valor do poder de ressurgimento de grandes produtos (tipo terminal de parafuso, tipo de placa autoportante) tende a aumentar.
Depois que a re-voltagem ocorrer, se os dois terminais entrarem em curto-circuito acidentalmente, a ignição trará uma sensação de terror aos trabalhadores da linha de produção, e os elementos de acionamento de baixa tensão, como a CPU e a memória do circuito, também podem ser danificados. Como medida preventiva, por favor, descarregue a carga acumulada com uma resistência de cerca de 100 a 1K ohms antes de usar.
8. Vida útil dos capacitores eletrolíticos de alumínio
8.1. O princípio de cálculo da vida
A vida útil dos capacitores eletrolíticos de alumínio é geralmente afetada pelo fenômeno de que o eletrólito evapora para fora através da vedação, que se manifesta como uma diminuição na capacidade eletrostática e um aumento no valor da tangente de perda.
e também espero que:
k é: velocidade de reação química
UMA: Fator de freqüência
E: Energia de ativação
R: Constante de gás
T: temperatura
Esta fórmula ilustra a relação logarítmica entre a taxa de reação química (a taxa de perda de eletrólito) e temperatura. A temperatura é determinada pela temperatura ambiente do capacitor eletrolítico de alumínio e pela corrente de ondulação. Portanto, a temperatura ambiente e a ondulação da corrente determinam a vida útil do capacitor eletrolítico de alumínio.
A fórmula de vida útil real dos capacitores eletrolíticos de alumínio é a seguinte (diferentes capacitores têm algumas diferenças, Somente para referência):
Lx é a vida útil.
Lo é o valor vitalício garantido (o tempo de vida declarado na especificação).
To é a temperatura de trabalho (o limite superior da temperatura na especificação).
Tx é a temperatura ambiente real, a temperatura ambiente real do capacitor eletrolítico de alumínio.
É fácil conseguir isso: cada vez que a temperatura de operação do capacitor aumenta em 10 ° C, a vida do capacitor é duplicada