1. Introducere
Condensatoarele electrolitice din aluminiu sunt în prezent o mare varietate de condensatoare pe lângă condensatoarele ceramice. Prin urmare, ca inginer hardware, trebuie să-i stăpânești caracteristicile.
Bazat pe propria noastră experiență, am rezumat acest document pentru nevoile și dificultățile de proiectare hardware consultând diverse materiale. By writing documents, scopul este de a face cunoștințele cuiva mai sistematice, învață noul prin revizuirea trecutului, și, de asemenea, sper că va fi de ajutor cititorilor, pentru ca toată lumea să învețe și să progreseze împreună.
2. Prezentare generală a condensatoarelor electrolitice din aluminiu
2.1, modelul de bază
Condensatorii sunt dispozitive pasive. Printre diferite condensatoare, 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.
Formula de calcul a capacității electrostatice este următoarea:
Printre ei, este constanta dielectrică, S este aria suprafeței celor două plăci polare care se confruntă una cu cealaltă, iar d este distanța dintre cele două plăci polare (grosimea dielectricului).
Din formula se poate observa că capacitatea electrostatică este proporțională cu constanta dielectrică, 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) de condensatoare electrolitice din aluminiu este de obicei 8~10, această valoare nu este în general mai mare decât alte tipuri de condensatoare, ci prin gravarea foliei de aluminiu pentru a mari suprafata, și utilizarea tratamentului electrochimic pentru a deveni mai subțire Stratul dielectric oxidat mai rezistent la tensiuni permite condensatorilor electrolitici din aluminiu să atingă o valoare CV mai mare pe unitate de suprafață decât alți condensatori.
Componentele principale ale condensatoarelor electrolitice din aluminiu sunt următoarele:
Anod --- folie de aluminiu
Dielectric - Film de oxid (Al2O3) format pe suprafața foliei de aluminiu anodic
Catod - Catodul real este electrolitul
Alte componente includ hârtie electrolitică impregnată cu electrolit, and cathode foil connected to the electrolyte. În concluzie, aluminum electrolytic capacitors are components with polar asymmetric structure. Both electrodes use anode aluminum foil is a bipolar (nepolar) condensator.
2.2. Structura de bază
Structura elementului condensator electrolitic din aluminiu este prezentată în figură. Este alcatuit din folie anodica, hârtie electrolitică, folie catodică și terminale (terminale interne și externe) rană împreună, impregnat cu electrolit, și ambalate într-o cutie de aluminiu, și apoi etanșat cu cauciuc.
2.3, caracteristicile materialului
Condensator folie de aluminiu este principalul material al condensatoarelor electrolitice din aluminiu. Folia de aluminiu este setată ca anod. După ce electricitatea este alimentată în electrolit, o peliculă de oxid (Al2O3) se va forma pe suprafata foliei de aluminiu. Acest film de oxid funcționează ca un dielectric.
Folia de aluminiu după formarea filmului de oxid este un metal cu proprietăți de rectificare în electrolit, ca o diodă, care se numește metal de supapă.
Primul, pentru a extinde suprafata, the aluminum foil material is placed in an aqueous chloride solution for electrochemical etching. Apoi, după aplicarea unei tensiuni mai mari decât tensiunea nominală în soluţia de borat de amoniu, un strat de oxid dielectric (Al2O3) se formează pe suprafața foliei de aluminiu. Acest strat dielectric este un film de oxid foarte subțire și dens, aproximativ 1,1 ~ 1,5 nm/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.
La fel ca folia anodului, folia de aluminiu catodică are și un proces de gravare, but there is no oxidation process. Prin urmare, există doar o cantitate mică de oxidare naturală (Al2O3) pe suprafata foliei de aluminiu catod, iar tensiunea pe care o poate rezista este de numai aproximativ 0,5V.
Electrolit
Electrolitul este un lichid care conduce electricitatea prin ioni. 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, ca colecționarul, acts as a connection between the real cathode and the internal circuit. Electrolyte is the key material that determines the characteristics of capacitors (caracteristicile temperaturii, caracteristicile de frecvență, durata de viata, etc.).
Hârtie electrolitică
Hârtia electrolitică joacă în principal un rol în echilibrarea distribuției electrolitului și menținerea spațiului dintre folia catodică și folia anodului.
2.4. Proces de producție
Gravurare (extinderea suprafeței)
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.
Formare (formarea stratului dielectric)
Formarea este procesul de formare a unui strat dielectric (Al2O3) on the surface of the anode aluminum foil. În general, folia de aluminiu formată este folosită ca anod.
Decupați
În funcție de cerințele de dimensiune ale diferitelor produse, tăiați folia de aluminiu (folie catodica si folie anodica) și hârtie electrolitică la dimensiunea necesară.
Înfășurare
Introduceți hârtie electrolitică între folia catodică și folia anodului, și apoi înfășurați-o într-o formă cilindrică. În procesul de bobinare, folia catodica si folia anodica sunt conectate la bornele.
Impregnare
Impregnation is the process of immersing the element into the electrolyte. The electrolyte can further repair the dielectric layer.
sigiliu
Sigilarea este procesul de introducere a elementului în carcasa de aluminiu și apoi de etanșare cu un material de etanșare (cauciuc, capac de cauciuc, etc.).
Îmbătrânire (reformat în)
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.
Inspecție completă, ambalaj
După îmbătrânire, all products will be checked for electrical characteristics. And for terminal processing, braiding and so on. Pack it.
3. Caracteristici de bază
3.1, capacitate electrostatică
Cu cât suprafața electrodului este mai mare, cu atât capacitatea este mai mare (capacitatea de a stoca încărcătura). The capacitance value of aluminum electrolytic capacitor is the value tested under the condition of 20℃, 120Hz/0,5V curent alternativ.
Pe măsură ce temperatura crește, capacitatea crește; pe măsură ce temperatura scade, capacitatea scade.
Cu cât frecvența este mai mare, cu atât capacitatea este mai mică; cu atât frecvența este mai mică, cu atât capacitatea este mai mare.
3.2, unghi de pierdere
Circuitul echivalent al condensatorului electrolitic este prezentat în figura de mai sus (ignorând rezistența de izolație). Când frecvența este de 120 Hz (unghiul de pierdere nominală al condensatorului general este măsurat la această frecvență), frecvența este foarte scăzută în raport cu inductanța serie echivalentă L, deci poate fi ignorat L, modelul unghiului de pierdere este următorul:
Se poate obține formula unghiului de pierdere:
Relația dintre unghiul de pierdere și temperatură este prezentată în figura de mai jos. Cu cât temperatura este mai mare, cu atât unghiul de pierdere este mai mic.
La temperaturi scăzute, se poate observa că unghiul de pierdere devine mult mai mare. Este 0.05 la 20°C și 0.09 la -40°C. Conform formulei, VSH a crescut cu aproape dublu.
3.3, curent de scurgere
Curentul de scurgere este una dintre caracteristicile condensatoarelor electrolitice din aluminiu. Când se aplică o tensiune de curent continuu, stratul de oxid dielectric permite trecerea unui curent mic. This part of the small current is called leakage current. The ideal capacitor will not produce leakage current (spre deosebire de curentul de încărcare, acest curent va continua să existe chiar dacă tensiunea este constantă).
Curentul de scurgere se va modifica cu timpul, așa cum se arată în figură, it will reach a stable value after decreasing with time. Prin urmare, valoarea de specificație a curentului de scurgere este valoarea măsurată după aplicarea tensiunii nominale pentru o perioadă de timp la 20°C.
Când temperatura crește, curentul de scurgere crește; când temperatura scade, curentul de scurgere scade, iar tensiunea aplicată scade, iar valoarea curentului de scurgere scade de asemenea.
3.4. Curba impedanță-frecvență
Conform modelului, impedanța complexă a condensatorului este:
Modulul de impedanță: 28
Desenați curba impedanță-frecvență așa cum se arată mai jos:
1/ωC este reactanța capacitivă, 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, influența pierderii dielectrice dependente de frecvență este mare, so the R curve is downward. In the high frequency range, valoarea rezistenței electrolitului și hârtiei electrolitice domină și nu mai este afectată de frecvență, deci valoarea R tinde să fie stabilă.
4. Parametrii obișnuiți ai condensatorului electrolitic din aluminiu
Producătorii au în general diverse serii de condensatoare electrolitice, VSH scăzut, viata lunga, and high temperature. The ordinary products are performance, da, temperatura generală și parametrii de viață sunt 85℃/105℃-1000h/2000h. Această secțiune este, de asemenea, despre acest tip de condensatoare electrolitice din aluminiu.
5. Condensatoare electrolitice din aluminiu de înaltă calitate
Condensatoarele electrolitice din aluminiu de înaltă calitate de aici sunt relativ la condensatoarele electrolitice obișnuite din aluminiu. În unele ocazii speciale, ordinary aluminum electrolytic capacitors cannot meet our requirements. De fapt, Producătorii de condensatoare electrolitice din aluminiu oferă de obicei mai multe serii de modele. Cele de înaltă calitate sunt împărțite în principal în trei categorii: rezistență la temperaturi ridicate, viata lunga, și impedanță scăzută.
Următoarea imagine arată lista condensatoarelor electrolitice din aluminiu Panasonic.
Durata lungă de viață poate ajunge la 5000 de ore, iar temperatura ridicată poate ajunge la 125℃.
6. Tensiune anormală
Aplicarea unei tensiuni anormale va face ca căldura și gazul din interiorul condensatorului să crească presiunea internă, iar creșterea presiunii va determina deschiderea supapei sau deteriorarea condensatorului.
6.1, tensiune excesivă
Aplicarea unei tensiuni mai mari decât tensiunea nominală va provoca o reacție chimică a foliei anodului (formarea unui dielectric), rezultând o creştere rapidă a curentului de scurgere, care va genera căldură și gaz, iar presiunea internă va crește și ea.
Această reacție chimică se va accelera odată cu creșterea tensiunii, actual, 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, unghiul de pierdere și curentul de scurgere să crească, ceea ce poate cauza scurtcircuitarea condensatorului.
6.2 Tensiune inversă
Aplicarea unei tensiuni inverse va provoca o reacție chimică a foliei catodului condensatorului. Ca aplicarea unei tensiuni excesive, va face ca curentul de scurgere să crească rapid, iar căldura și gazul vor fi generate în interiorul condensatorului, ceea ce va face ca presiunea internă să crească.
Această reacție chimică se va accelera odată cu creșterea tensiunii, actual, and ambient temperature. În același timp, capacitatea electrostatică scade, unghiul de pierdere crește, iar curentul de scurgere crește.
Aplicarea unei tensiuni inverse de aproximativ 1V va determina o scădere a capacității; aplicarea unei tensiuni inverse de 2V-3V va determina o scădere a capacității, 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, supapa se va deschide sau condensatorul va fi deteriorat.
7. Tensiunea de repornire
Încărcați condensatorul electrolitic din aluminiu, scurtcircuitați bornele acestuia, apoi deschideți linia de scurtcircuit și lăsați-o pentru o perioadă de timp, the voltage between the two terminals will rise again. The voltage at this time is called the restart voltage.
După ce o tensiune este aplicată dielectricului, în interiorul dielectricului are loc o schimbare electrică, and the surface of the dielectric carries the applied voltage and positive and negative reverse charges. (Polarizare) Pentru că viteza de polarizare este rapidă sau lentă, după aplicarea unei tensiuni, setați tensiunea dintre borne la 0V, deschide linia, și plasează-l. Potențialul de reacție de polarizare lentă generează o tensiune între borne.
Modificarea timpului a tensiunii de repornire este prezentată în figură. Valoarea de vârf este atinsă după aproximativ 10-20 zile de la deschiderea celor două terminale, and then gradually decreases. în plus, valoarea puterii de renaștere a produselor mari (tip terminal cu șurub, placă de tip autoportant) tinde să crească.
După ce apare retensiunea, dacă cele două borne sunt scurtcircuitate accidental, aprinderea va aduce un sentiment de teroare lucrătorilor din linia de producție, and the low-voltage driving elements such as the circuit's CPU and memory may also be damaged. As a preventive measure, vă rugăm să descărcați încărcarea acumulată cu o rezistență de aproximativ 100 la 1K ohmi înainte de utilizare.
8. Durata de viață a condensatoarelor electrolitice din aluminiu
8.1. Principiul de calcul al vieții
Durata de viață a condensatoarelor electrolitice din aluminiu este în general afectată de fenomenul prin care electrolitul se evaporă în exterior prin etanșare, care se manifestă ca o scădere a capacităţii electrostatice şi o creştere a valorii tangentei de pierdere.
Relația dintre viteza de evaporare a electrolitului și temperatură este exprimată prin legea lui Arrhenius:
k este: viteza reacției chimice
A: Factorul de frecvență
E: Energia de activare
R: Constanta de gaz
T: temperatura
Această formulă ilustrează relația logaritmică dintre viteza reacției chimice (rata de pierdere a electroliților) and temperature. The temperature is determined by the ambient temperature of the aluminum electrolytic capacitor and the ripple current. Prin urmare, temperatura ambientală și curentul de ondulare determină durata de viață a condensatorului electrolitic din aluminiu.
Formula reală de viață a condensatoarelor electrolitice din aluminiu este următoarea (condensatori diferiți au unele diferențe, doar pentru referință):
Lx este durata de viață.
Lo este valoarea de viață garantată (durata de viață declarată în caietul de sarcini).
To este temperatura de lucru (limita superioară a temperaturii din specificație).
Tx este temperatura ambiantă reală, temperatura ambientală reală a condensatorului electrolitic din aluminiu.
Este ușor să obții asta: de fiecare dată când temperatura de funcționare a condensatorului crește cu 10°C, durata de viață a condensatorului este dublată