1. вступ
Алюмінієві електролітичні конденсатори в даний час є великою різноманітністю конденсаторів на додаток до керамічних конденсаторів. тому, як інженер апаратного забезпечення, ви повинні оволодіти його характеристиками.
На основі власного досвіду, ми узагальнили цей документ для потреб і труднощів проектування обладнання, звернувшись до різних матеріалів. Написанням документів, мета — зробити свої знання більш систематичними, вивчати нове, переглядаючи минуле, а також сподіваюся, що це буде корисним для читачів, щоб кожен міг навчатися та розвиватися разом.
2. Огляд алюмінієвих електролітичних конденсаторів
2.1, базова модель
Конденсатори є пасивними пристроями. Серед різноманітних конденсаторів, алюмінієві електролітичні конденсатори мають більше значення CV і нижчу ціну в порівнянні з іншими конденсаторами. Базова модель конденсатора показана на малюнку.
Формула розрахунку електростатичної ємності виглядає наступним чином:
Серед них, є діелектричною проникністю, S - площа поверхні двох полюсних пластин, звернених одна до одної, d - відстань між двома полюсними пластинами (товщина діелектрика).
З формули видно, що електростатична ємність пропорційна діелектричній проникності, а площа поверхні пластини обернено пропорційна відстані між двома пластинами. Як діелектрична проникність діелектричної оксидної плівки (Al2O3) алюмінієвих електролітичних конденсаторів зазвичай становить 8~10, це значення, як правило, не більше, ніж у інших типів конденсаторів, але шляхом травлення алюмінієвої фольги для збільшення площі поверхні, і використання електрохімічної обробки, щоб стати тоншим Більш стійкий до напруги шар окисленого діелектрика дозволяє алюмінієвим електролітичним конденсаторам досягати більшого значення CV на одиницю площі, ніж інші конденсатори.
Основними компонентами алюмінієвих електролітичних конденсаторів є наступні:
Анод --- алюмінієва фольга
Діелектрик — оксидна плівка (Al2O3) утворюється на поверхні анодної алюмінієвої фольги
Катод — Справжнім катодом є електроліт
Інші компоненти включають електролітичний папір, просочений електролітом, і катодна фольга, з'єднана з електролітом. Підсумовуючи, Алюмінієві електролітичні конденсатори є компонентами з полярною асиметричною структурою. Обидва електроди використовують біполярний анод з алюмінієвої фольги (неполярний) конденсатор.
2.2. Базова структура
Будова елемента алюмінієвого електролітичного конденсатора наведена на малюнку. Він складається з анодної фольги, електролітичний папір, катодна фольга та клеми (внутрішні і зовнішні термінали) змотані разом, просочені електролітом, і упакований в алюмінієвий футляр, а потім ущільнюють гумою.
2.3, характеристики матеріалу
Конденсатор з алюмінієвої фольги є основним матеріалом алюмінієвих електролітичних конденсаторів. В якості анода встановлена алюмінієва фольга. Після електрики в електроліті подається напруга, оксидну плівку (Al2O3) буде утворюватися на поверхні алюмінієвої фольги. Ця оксидна плівка функціонує як діелектрик.
Алюмінієва фольга після утворення оксидної плівки є металом з випрямними властивостями в електроліті, як діод, який називають вентильним металом.
Перший, щоб розширити площу поверхні, матеріал алюмінієвої фольги поміщають у водний розчин хлориду для електрохімічного травлення. Потім, після подачі напруги вище номінальної напруги в розчині борату амонію, шар діелектричного оксиду (Al2O3) утворюється на поверхні алюмінієвої фольги. Цей шар діелектрика являє собою дуже тонку і щільну оксидну плівку, приблизно 1,1~1,5 нм/В, а опір ізоляції становить приблизно 10^8~10^9 Ом/м. Товщина шару оксиду пропорційна витримуваній напрузі.
Як анодна фольга, катодна алюмінієва фольга також має процес травлення, але немає процесу окислення. тому, існує лише невелика кількість природного окислення (Al2O3) на поверхню алюмінієвої фольги катода, і напруга, яку він може витримати, становить лише близько 0,5 В.
Електроліт
Електроліт - це рідина, яка проводить електричний струм за допомогою іонів. Він є катодом у справжньому сенсі і служить шаром діелектрика, який з’єднує поверхню анода з алюмінієвою фольгою.. Катод алюмінієва фольга, як колекціонер, діє як зв'язок між справжнім катодом і внутрішнім контуром. Електроліт є основним матеріалом, який визначає характеристики конденсаторів (температурні характеристики, частотні характеристики, термін служби, тощо).
Електролітичний папір
Електролітичний папір в основному відіграє роль у балансуванні розподілу електроліту та збереженні зазору між фольгою катода та фольгою анода.
2.4. Процес виробництва
Офорт (розширення площі поверхні)
Ефект травлення полягає у збільшенні площі поверхні алюмінієвої фольги. Травлення - це електрохімічний процес, під час якого змінний або постійний струм подається на розчин хлориду.
формування (утворення діелектричного шару)
Формування — це процес утворення шару діелектрика (Al2O3) на поверхні анода алюмінієва фольга. Загалом, сформована алюмінієва фольга використовується як анод.
Урожай
Відповідно до вимог розміру різних продуктів, розріжте алюмінієву фольгу (катодна фольга і анодна фольга) і електролітичний папір необхідного розміру.
обмотка
Вставте електролітичний папір між фольгою катода та фольгою анода, а потім накрутіть його в циліндричну форму. В процесі намотування, катодна фольга та анодна фольга під’єднані до клем.
Просочення
Просочення - це процес занурення елемента в електроліт. Електроліт може додатково відновити шар діелектрика.
печатка
Герметизація - це процес розміщення елемента в алюмінієвій оболонці з подальшим ущільненням його герметизуючим матеріалом. (гумовий, гумовий чохол, тощо).
Старіння (реформовано в)
Старіння - це процес подачі напруги на герметичний конденсатор при високій температурі. Цей процес може відновити деякі пошкодження шару діелектрика під час різання та намотування.
Повний огляд, упаковка
Після старіння, всі продукти будуть перевірені на електричні характеристики. І для термінальної обробки, плетіння та інше. Упакуйте його.
3. Основні характеристики
3.1, електростатична ємність
Чим більше площа поверхні електрода, тим більше місткість (здатність зберігати заряд). Значення ємності алюмінієвого електролітичного конденсатора - це значення, перевірене за умови 20 ℃, 120Гц/0,5 В змінного струму.
У міру підвищення температури, місткість збільшується; у міру зниження температури, ємність зменшується.
Чим вище частота, тим менша ємність; тим нижча частота, тим більше місткість.
3.2, кут втрат
Еквівалентна схема електролітичного конденсатора показана на малюнку вище (ігнорування опору ізоляції). При частоті 120 Гц (на цій частоті вимірюється номінальний кут втрат загального конденсатора), частота дуже низька відносно еквівалентної послідовної індуктивності L, тому його можна ігнорувати L, модель кута втрат виглядає наступним чином:
Можна отримати формулу кута втрат:
Зв'язок між кутом втрат і температурою показано на малюнку нижче. Чим вище температура, тим менший кут втрат.
При низьких температурах, видно, що кут втрат стає значно більшим. Це є 0.05 при 20°C і 0.09 при -40°C. За формулою, ШОЕ збільшилася майже вдвічі.
3.3, струм витоку
Струм витоку є однією з характеристик алюмінієвих електролітичних конденсаторів. Коли подається постійна напруга, шар діелектричного оксиду пропускає невеликий струм. Ця частина малого струму називається струмом витоку. Ідеальний конденсатор не буде виробляти струм витоку (на відміну від струму зарядки, цей струм буде продовжувати існувати, навіть якщо напруга буде постійною).
Струм витоку буде змінюватися з часом, як показано на малюнку, воно досягне стабільного значення після зменшення з часом. тому, Специфікаційне значення струму витоку є значенням, виміряним після застосування номінальної напруги протягом періоду часу при 20°C.
При підвищенні температури, струм витоку збільшується; при зниженні температури, струм витоку зменшується, і прикладена напруга зменшується, і значення струму витоку також зменшується.
3.4. Частотно-імпедансна крива
Відповідно до моделі, комплексний опір конденсатора дорівнює:
Модуль імпедансу: 28
Намалюйте криву імпеданс-частота, як показано нижче:
1/ωC – ємнісний реактивний опір, а пряма лінія ємнісного реактивного опору на малюнку розташована під кутом 45° вниз. ωL – індуктивний реактивний опір, а її пряма утворює кут 45° до правого верхнього кута. R представляє еквівалентний послідовний опір. У діапазоні низьких частот, великий вплив частотно-залежних діелектричних втрат, тому крива R спрямована вниз. У високочастотному діапазоні, значення опору електроліту та електролітичного паперу домінує і більше не залежить від частоти, тому значення R має тенденцію бути стабільним.
4. Параметри звичайного алюмінієвого електролітичного конденсатора
Виробники зазвичай мають різні серії електролітичних конденсаторів, низька ШОЕ, довге життя, і висока температура. Звичайні продукти продуктивні, так, загальна температура та параметри життя 85℃/105℃-1000h/2000h. У цьому розділі також йдеться про цей вид алюмінієвих електролітичних конденсаторів.
5. Високоякісні алюмінієві електролітичні конденсатори
Високоякісні алюмінієві електролітичні конденсатори тут порівняно зі звичайними алюмінієвими електролітичними конденсаторами. У деяких особливих випадках, звичайні алюмінієві електролітичні конденсатори не можуть задовольнити наші вимоги. Насправді, Виробники алюмінієвих електролітичних конденсаторів зазвичай пропонують кілька серій моделей. Якісні в основному діляться на три категорії: стійкість до високих температур, довге життя, і низький імпеданс.
На наступному малюнку показано список алюмінієвих електролітичних конденсаторів Panasonic.
Тривалий термін служби може досягати 5000 годин, і висока температура може досягати 125 ℃.
6. Аномальна напруга
Застосування аномальної напруги призведе до збільшення тепла та газу всередині конденсатора для підвищення внутрішнього тиску, і збільшення тиску призведе до відкриття клапана або пошкодження конденсатора.
6.1, надмірна напруга
Подача напруги вище номінальної призведе до хімічної реакції анодної фольги (утворення діелектрика), що призводить до швидкого збільшення струму витоку, які вироблятимуть тепло і газ, і внутрішній тиск також збільшиться.
Ця хімічна реакція прискорюється зі збільшенням напруги, поточний, і температура навколишнього середовища. Оскільки внутрішній тиск зростає, конденсатор відкриє вентиль або пошкодиться. Це також може призвести до зменшення ємності конденсатора, збільшення кута втрат і струму витоку, що може призвести до короткого замикання конденсатора.
6.2 Зворотна напруга
Подача зворотної напруги викличе хімічну реакцію катодної фольги конденсатора. Як подача надмірної напруги, це призведе до швидкого збільшення струму витоку, і тепло і газ будуть генеруватися всередині конденсатора, що призведе до підвищення внутрішнього тиску.
Ця хімічна реакція прискорюється зі збільшенням напруги, поточний, і температура навколишнього середовища. В той самий час, електростатична ємність зменшується, кут втрат збільшується, і струм витоку збільшується.
Подача зворотної напруги близько 1 В призведе до зменшення ємності; застосування зворотної напруги 2-3 В призведе до зменшення ємності, збільшення кута втрат/або збільшення струму витоку та скорочення терміну служби конденсатора. Якщо прикладено більшу зворотну напругу, клапан відкриється або конденсатор буде пошкоджений.
7. Перезапуск напруги
Зарядіть алюмінієвий електролітичний конденсатор, закоротіть його клеми, а потім розімкніть лінію короткого замикання та залиште її на деякий час, напруга між двома клемами знову підвищиться. Напруга в цей момент називається напругою повторного запуску.
Після того, як на діелектрик подається напруга, всередині діелектрика відбувається електрична зміна, а поверхня діелектрика несе прикладену напругу та позитивні та негативні зворотні заряди. (Поляризація) Оскільки швидкість поляризації буває швидкою або повільною, після подачі напруги, встановити напругу між клемами на 0В, відкрити лінію, і розмістіть його. Повільний потенціал реакції поляризації створює напругу між клемами.
Час зміни напруги повторного запуску показано на малюнку. Пікове значення досягається приблизно через 10-20 днів після відкриття двох терміналів, а потім поступово зменшується. В додаток, енергетична цінність відродження великих продуктів (тип гвинтової клеми, дошка самонесучого типу) має тенденцію до збільшення.
Після виникає повторна напруга, якщо дві клеми випадково замикаються, запалювання принесе відчуття жаху працівникам виробничої лінії, також можуть бути пошкоджені низьковольтні керуючі елементи, такі як процесор і пам'ять схеми. В якості профілактики, будь ласка, розрядіть накопичений заряд з опором о 100 до 1 КОм перед використанням.
8. Ресурс алюмінієвих електролітичних конденсаторів
8.1. Принцип розрахунку життя
На термін служби алюмінієвих електролітичних конденсаторів, як правило, впливає явище, коли електроліт випаровується назовні через ущільнення, що проявляється у зменшенні електростатичної ємності та збільшенні значення тангенса кута ухилу.
Зв'язок між швидкістю випаровування електроліту і температурою виражається законом Арреніуса:
k є: швидкість хімічної реакції
А: Частотний фактор
E: Енергія активації
Р: Газова стала
Т: температура
Ця формула ілюструє логарифмічну залежність між швидкістю хімічної реакції (швидкість втрати електроліту) і температура. Температура визначається температурою навколишнього середовища алюмінієвого електролітичного конденсатора та струмом пульсацій. тому, Температура навколишнього середовища і пульсації струму визначають термін служби алюмінієвого електролітичного конденсатора.
Фактична формула терміну служби алюмінієвих електролітичних конденсаторів виглядає наступним чином (різні конденсатори мають деякі відмінності, просто для довідки):
Lx – термін служби.
Lo — це гарантоване значення за весь час (термін служби, заявлений у специфікації).
To - робоча температура (верхня межа температури в специфікації).
Tx — фактична температура навколишнього середовища, фактична температура навколишнього середовища алюмінієвого електролітичного конденсатора.
Це легко отримати: щоразу робоча температура конденсатора підвищується на 10°С, термін служби конденсатора подвоюється