Електролитични кондензатори - основи и свойства
Електролитните кондензатори предлагат по-голям капацитет за даден обем от другите кондензаторни технологии. Правилно посочените електролитни кондензатори могат да постигнат експлоатационен живот над 20 години при взискателни индустриални приложения. Тази статия обяснява структурата на електролитен кондензатор и неговите работни характеристики.
Електролитните кондензатори са рутинно включени в категорията "Пасивни компоненти" класифициран. Спецификацията на кондензаторите с общо предназначение за потребителския сектор обикновено е относително лесна. За промишлени приложения, които изискват по-висок специфициран, дълготраен кондензатор, процесът на избор е по-сложен и трябва да се вземат предвид различни параметри в приложението.
Основният принцип на кондензатора
Кондензаторът се състои от две метални пластини, които са разделени с диелектрик. Площите на повърхността на металните плочи (A), диелектрикът и пролуката между плочите (d) определят характеристиките на кондензатора: ε0 е диелектричната проницаемост на свободното пространство (8,85. 10 -12 F/m) и εr диелектричната проницаемост Диелектрик (оксид, хартия, електролит).
Това е теорията. На практика металните пластини са алуминиево фолио, а диелектрикът представлява оксиден слой върху анода. The Катодно фолио лежи между хартиените слоеве, напоени с електролит и служи като вид крайна плоча. Фолиото и хартията се навиват и поставят в цилиндър, за да се сведе до минимум обемът. Свързващите уши свързват намотката към клемите, монтирани на капака на кондензатора. Повечето електролитни кондензатори са поляризирани. Но има и специални ситуации, при които се откриват неполяризирани електролити, напр. в приложения за стартиране на двигателя.
Производство и конструкция на електролитни кондензатори
За анода и катода се използва алуминиево фолио. The Анодно фолио е важна част от електролитен кондензатор по отношение на производителността и обикновено представлява повече от 75% от общите разходи на кондензатора. Фолиото се измерва чрез количеството на капацитета на площ и напрежението на образуване на оксид. За да се увеличи повърхността, фолиото се гравира, за да образува тунели. Този процес се използва за определяне на дебелината на филма.
The Основен филм Състои се от 99,9% алуминий и обикновено е с дебелина 100 µm. Ецването на тунела се извършва с помощта на електрохимичен процес; диаметърът на тунела обикновено е 1 до 2 µm и дължина 50 µm. Тогава плътността на тунела е 25 милиона на см 2, а повърхността на гравираното фолио е приблизително 100 пъти по-голяма от тази на гладкото фолио.
След като анодното фолио е гравирано, то след това се „оформя“ чрез нанасяне на безпорен алуминиев оксиден слой върху повърхността на гравираното фолио. Този оксиден слой е диелектрикът на кондензатора. Оксидният слой се отлага чрез приложено напрежение и дебелината на оксида е пропорционална на напрежението на пласта. Капацитетът е обратно пропорционален на дебелината на оксида.
С други думи, колкото по-висок е формационният стрес, толкова по-малък е капацитетът на площ. За кондензатора това означава по-ниски напрежения за относително големи стойности на капацитета и намаляване на капацитета при нарастване на напреженията. Характерната за алуминия оксид е чувствителна към полярността и следователно обърнатата полярност обикновено води до катастрофална повреда.
Слоевете хартия разделят анодното и катодното фолио. Хартията се използва за задържане на електролита и предотвратяване на спада на напрежението с него. Документите също оказват влияние върху ESR (ефективна серийна устойчивост). Колкото по-високо е напрежението, толкова по-здрави трябва да бъдат хартиите и така ESR се увеличава. Следователно параметрите на ESR са по-високи за електролитни кондензатори с по-високо номинално напрежение.
Намотката е импрегнирана с електролита. Той има неутрална стойност на pH, висока проводимост и е стабилен при високи температури. Във връзка с освобождаващите хартии електролитът има високо сцинтилационно напрежение. Сцинтилацията е предшественик на спада на напрежението между анода и катодното фолио. Електролитът има способността да образува оксид (да намалява тока на изтичане) и е забавител на горенето. Електролитите с високо напрежение обикновено са по-вискозни от електролитите с ниско напрежение. За подпомагане на процеса на импрегниране се добавя допълнителен слой хартия, която е много абсорбираща и действа като фитил за вискозния електролит. Този допълнителен слой хартия обаче отново увеличава стойността на ESR. След като намотката е импрегнирана с електролита, тя се вкарва в алуминиева кутия и покривната плоча се запечатва с гумено уплътнение.
При производителя Itelcond голяма част от научноизследователската и развойна дейност е фокусирана върху разработването на електролити. Взаимодействието на електролита с хартията и анодното фолио е интензивна област на изследване, така че Itelcond има връзки с различни изследователски университети, иновационни групи и научноизследователски центрове в Италия и Япония.
Процесът на стареене в електролитни кондензатори
Веднага след като кондензаторът е монтиран в корпуса му и покривната плоча е запечатана, кондензаторът се подлага на изкуствен процес на стареене. Стареенето се осъществява чрез контролирано прилагане на напрежение, ток и температура и може да отнеме между един и 20 часа, в зависимост от размера на кондензатора. Стареенето е важно, за да се „излекуват“ незначителни щети в резултат на производството на оксидния слой върху анодното фолио. По-нататъшни производствени ефекти могат да се видят върху изрязаните ръбове на филма, в точките на свързване на езичетата и от долната страна на скобите. Процесът на стареене довежда тока на утечка, известен също като ток на утечка, до определено ниво. В идеалния свят през кондензатор не би протичал ток, но на практика протича ток на утечка и процесът на стареене свежда до минимум това до определено ниво.
Това ниво показва приемливо ниво на ток на изтичане, за да може кондензаторът да функционира правилно в приложение. Токът на изтичане продължава да намалява с течение на времето до ниво, което е само част от определената стойност. С голям винтов терминален кондензатор намаляването в едно приложение може да бъде няколкостотин часа работа. След стареене всеки кондензатор се тества за съответствие със спецификациите и след това се обвива в изолационен материал, обикновено PVC или PET. Кондензаторът вече е готов за изпращане до клиента.
Разглеждане на толеранса на електролитни кондензатори
Подобно на пръстовите отпечатъци, няма два идентични електролитни кондензатора. Това се дължи на електрохимичната природа на електролитен кондензатор. Поради тази вариация, електролитните кондензатори са определени с толеранси обикновено ± 20% или -10%/+ 30%. Но какво означава това на практика? Фигура 6 показва две диаграми на Гаус на типична партида кондензатори.
За кондензатор с толеранс от ± 20%, номиналният капацитет обикновено е 8% до 10% над долната граница на процента. По-голямата част от стойностите на капацитета в партида кондензатори са между долната граница на процента и номиналния капацитет. Това е много популярен компромис между действителната стойност на капацитета и цената и може да бъде намерен на много пазари по света.
При кондензатор с толеранс от –10%/+ 30%, капацитетът е близо до номиналната стойност на капацитета. По-голямата част от стойностите на капацитета в една партида кондензатори ще бъдат близо до двете страни на номиналната стойност. Това дава на дизайнера по-добри възможности, когато дадено изпълнение е важно.
Това 40% разпределение се дължи на образуването на вариации в анодното фолио. Преди много години толеранс от ± 50% беше стандартен, но напредъкът в технологията за формоване намали това и разпространението от 30% не е необичайно в дизайна по поръчка. Плътността на гауссовото представяне зависи от качеството на анодното фолио. По-добрите фолиа обикновено идват от Европа и Япония. Itelcond използва само европейски филми.
Влияния върху капацитета
Има известно влияние върху капацитета, причинено от честотата, температурата и начина на измерване на капацитета. Капацитетът ще намалява с честота, както е показано с формулата C = 1/(2 π. F. Z)). При тази температура капацитетът при 50 ° C е с около 2% по-висок от този при 20 ° C. Това увеличение е по-голямо при по-ниски номинални напрежения и при дълбоко гравирани фолиа. Начинът, по който се измерва капацитетът, има най-голям ефект, или променливият капацитет, използващ метода на моста LCR, или постоянният капацитет, използващ метода заряд-разряд C = Q/V. Методът за разреждане на заряда може да доведе до 10% до 30% по-високи стойности в сравнение с метода LCR мост.
Използване на кондензатори
Производителността, определена от кондензатора, може да варира в зависимост от индустрията. Евтините кондензатори за потребителски приложения обикновено не трябва да се експлоатират при ограничение на производителността. Дори ако спецификацията на тези кондензатори е дадена като 400 V и 85 ° C, поради съображения за цена те обикновено са проектирани по такъв начин, че да работят при по-ниско напрежение и температура.
Кондензаторите за индустриални приложения, които се произвеждат от качествени производители като Itelcond, са проектирани по такъв начин, че да могат да работят с определената мощност безпроблемно, което се отразява и в цената. Понякога дизайнерите искат да работят с кондензатори при намалени стойности на мощността, или по личен избор, или чрез предписаните изисквания на крайния пазар, като вид защитен буфер. Например, можете да вземете кондензатор 450V и да го използвате в приложение 350V. Каква полза ни носи това?
От диаграмата може да се види, че няма допълнителна полза от намаляването на кондензатора под 80% от номиналното напрежение. Коефициентът на напрежение има по-силен ефект при по-високи температури на кондензатора и е параметър, който е включен в изчислението на експлоатационния живот. Стойността 1,4 съответства на увеличение на очаквания експлоатационен живот от 40%. И тук електролитните кондензатори са обект на компромис; допълнителните разходи за по-високо напрежение могат да бъдат оправдани за по-дългия експлоатационен живот?
Влияния върху тока на утечка (ток на утечка)
Говорихме за токове на утечка и процеса на стареене по време на производството. Тук можем да разгледаме още един ток на утечка и влиянието на температурата. Токът на утечка е токът на повредата, който продължава да тече, след като кондензаторът е напълно зареден. Токът на изтичане зависи от напрежението и температурата. Както може да се види на фигура 8, токът на изтичане е нисък, докато достигне точка, в която бързо се увеличава. Номиналното напрежение се определя в точката, където токът на утечка се увеличава бързо (тази точка е определената гранична стойност). Температурните диапазони обикновено се описват като 85 ° C и 105 ° C.
Ако тези температури са надвишени, кривата ефективно се измества наляво и токът на изтичане се увеличава драстично при определеното номинално напрежение. При специални условия тази крива може да бъде използвана и изместена надясно; ако кондензаторът е хладен, номиналното напрежение може да бъде надвишено. Този трик може да се използва във фотоволтаични приложения, където инверторът се намира в неотопляемото покривно пространство. Напрежението на слънчевия панел може да бъде около 20% по-високо, ако е изложено на ярка слънчева светлина през студената зимна сутрин, но преди захранването да бъде подадено. Това 20% по-високо напрежение се показва от междинната верига на инвертора и електролитните кондензатори трябва да могат да издържат на това повишено напрежение.
Ако те са студени, обикновено 0 ° C, и кондензаторите са в студеното покривно пространство, номиналното напрежение може да се увеличи. Обикновено 500 V електролитен кондензатор може да работи при 550 V при тези условия. Изисква се обаче повишено внимание, тъй като ESR е много висок в студа, инверторът трябва да се нагрява контролирано, за да се ограничи пулсационният ток. Тук ще помогне соларният панел, тъй като напрежението намалява веднага щом произвежда електричество.
Фигура 9 показва ESR криви за типичен електролитен кондензатор. Можете да видите как ESR се увеличава драстично при по-ниски температури. При фотоволтаично приложение се изисква загряване при контролирани условия, тъй като ESR е толкова висока. Твърде много пулсации на ток и кондензаторът се прегрява. Нежното затопляне също повишава температурата на кондензатора, но ESR се намалява и заедно с това вътрешното затопляне отново.
В много приложения за захранване с пулсационни токове между 50 и 500 Hz, ESR свойството на електролитен кондензатор е важно. ESR е устойчивостта на пулсации на променливия ток. Както вече споменахме, ESR зависи от температурата и честотата, но зависи и от продължителността на употреба. Той ще се увеличава внимателно през цялото време на работа. Когато обаче кондензаторът достигне края на своя живот, скоростта на нарастване се ускорява. Обикновено се приема, че това е така, веднага щом ESR достигне три пъти първоначалната стойност. Ако продължите да работите с кондензатора, ESR също се увеличава, докато вътрешното нагряване достигне максималната температура на сърцевината на кондензатора.
Взаимни зависимости в електролитен кондензатор
Докато анодното фолио, капацитет, напрежение и ток на изтичане са тясно преплетени, ESR и електролитът също са преплетени. Когато се използва електролитен кондензатор, пулсационният ток и ESR водят до I 2 R нагряване и по този начин до отделяне на газове от електролита. В резултат на това вътрешното налягане се повишава и има известна дифузия през уплътнението между покривната плоча и чашата. Това води до изсъхване на кондензатора с течение на времето, което води до увеличаване на ESR. Стабилният електролит намалява отделянето на газове и по този начин скоростта на нарастване на ESR. Твърде високият ток на утечка също може да доведе до нагряване и отделяне на газове и по този начин да ускори увеличаването на ESR.
Електролитните кондензатори следват закона на Арениус: ако околната температура спадне с 10 K, експлоатационният живот се удвоява. Електролитен кондензатор може да бъде проектиран за използване в трудни приложения и колкото по-сложен е, толкова по-висока е цената на кондензатора. Обикновено е по-евтино да се използва вентилатор/вентилатор, за да се ускори разсейването на топлината от електролитен кондензатор в гореща среда и по този начин да се ограничи общото повишаване на температурата.
С други думи, капацитет, ESR и ток на изтичане, температура, напрежение и честота. Повишава ли се? Намалява ли? Объркан? Таблицата обобщава различните аспекти при използване на електролитен кондензатор.
Други характеристики, които трябва да се имат предвид, са първоначалният дизайн на кондензатора. Вече видяхме къде стойностите на капацитета намаляват с увеличаване на номиналното напрежение. ESR ще се увеличи с увеличаване на номиналното напрежение поради по-дебелата хартия и електролита. За приложения с високи пулсационни токове имаме възможност да използваме филм с ниско усилване, който има по-нисък ESR, или стандартен филм, който позволява по-високо напрежение да се възползва от намаляването на напрежението (намаляването). Всяко решение има своите предимства и недостатъци.
Често се задават въпроси относно срока на годност. Така нареченият срок на годност или срок на годност се определя от статичното съхранение на електролитния кондензатор, или в приложението, или не е инсталирано отделно. Времето и температурата оказват влияние върху спящ кондензатор, при който токът на изтичане се увеличава бавно с течение на времето, без да се прилага напрежение. Процесът на стареене се обръща, когато настъпи химическа промяна. Следователно, стареене се изисква отново преди употреба.
В типичен склад срокът на годност трябва да бъде поне две години. Освен това токът на изтичане може да надвишава граничните стойности. Ако се изисква дозреене, това трябва да стане при стайна температура. За да направите това, свържете захранващо напрежение, което съответства на номиналното напрежение, но токът е ограничен до максималната стойност на тока на изтичане на кондензатора. В зависимост от първоначалното състояние може да е необходимо последващо стареене от един до четири часа.
В обобщение може да се каже, че електролитните кондензатори не са прости пасивни компоненти с малко параметри. Електролитният кондензатор представлява много компромиси по отношение на производителност, цена и експлоатационен живот.Опитът и техническото ноу-хау във връзка с висококачествени материали в крайна сметка гарантират продукт, който отговаря на техническите изисквания с очаквания експлоатационен живот.
* Falko Ladiges е ръководител на екипа на PEMCO в WDI AG.
* Кристофър Спенс е продуктов мениджър в Itelcond SRL.