鋁電解電容器的工程設計

1、1, 電解電容器的構(gòu)造 腐蝕 Etching陽極和陰極金屬箔是由高純度的， 很薄的只有鋁箔做成的， 為了增加盤 面積和電容量，與電解液接觸的表面積的增加是通過蝕刻金屬箔去溶解 鋁，使整個鋁箔的表面形成一個高密度的網(wǎng)狀的有幾十億個精細微管道的 結(jié)構(gòu)?；?Forming 陽極箔上有電容器的電介質(zhì)。電介質(zhì)是一層很薄的鋁氧化物， AL2O3，那 是一個在陽極箔上的化學生長過程，這個過程叫“化成”。 這個電壓是最后電容器額定電壓的 135%-200%。陰極箔不用化成，它保持著很高的表面積和高密度的蝕刻模式。 氧化膜的耐電壓不足和電解液自身的閃火放電都會造成短路。卷繞 Winding電容元件的卷繞是一層

2、隔離紙， 一層陽極箔， 另一層隔離紙和陰極箔。 這 些隔離紙防止箔之間接觸形成短路，這些隔離物后來保留住電解液。 在卷繞鋁箔芯子或卷繞過程中為后來連接電容器端子附上箔。 最好的方法 是通過冷焊，把箔焊上帶子， 冷焊可以減少短路失效， 有更好的高紋波電 流性能和放電性能。內(nèi)引出端面切口、與引出端鉚接的箔條和電極箔剖面的切口都會有毛刺， 從而造成相對電極間短路。電容器發(fā)熱芯包膨脹和安全閥打開時的壓力沖擊， 芯包發(fā)生變形， 導致電 極間短路。封口 Sealing 電容元件被密封在一個罐子里。為了釋放氫，密封圈不是密閉的， 它經(jīng)常是壓力封閉的即將罐子的邊沿滾 進一個橡膠墊圈，一個橡膠末端插銷或滾進壓成

3、石碳酸薄板的橡膠。 太則緊密封會導致壓力增加， 太松則密封會因為電解液的可允許的流失而 導致縮短壽命。2, 電容量電容量公差 Capacitance Tolerance 電容量的公差是指可允許的電容量的最大值和最小值， 用相對于額定電容 量的百分數(shù)的增加和減少來表示，即 C/C。電容量的溫度特性 Capacitance Temperature characteristics 電容量隨溫度的變化而變化。 這個變化的本身很小程度上是依賴于額定電 壓和電容的尺寸的。從 25到限制的最高溫度電容量的增加量小于 5%。大部份電容在 -20 至-40 時, 容值下降 很快 ，對於標稱 -40 的產(chǎn)品 ,

4、在-40 時低壓的電容 , 電容值一般下降 20%，高壓電容下降 40% 。 對于額定溫度為 -55 的電容 ，在-40 時電容值的下降量一般小于 10%， 在 -55 時電容值的下降量一般小于 20% 。電容量的頻率特性 Capacitance frequency characteristics 等效電容值隨頻率的增加而降低。根據(jù)電容量自諧振頻率一般低于 100kHz。電容量和電壓關係 Capacitance vs Voltage例如： 如果我們有一個 20V 尺寸為 3的電容器，我想用 400V 同樣尺 寸的電容器去代替，那我們選用的容量是3，電壓 額定 DC電壓 Rated DC vol

5、tage 額定直流電壓時標示在電容上的電壓，它是包括紋波電壓的最大峰值電 壓，這個電壓可能在額定溫度范圍內(nèi)在端子之間持續(xù)的被供給。 較高額定 電壓的電容可能代替較低額定電壓的電容所只要外形尺寸， DF和 ESR的 額定值是兼容的。工作電壓 (working voltage) 簡稱 WV 應為標稱安全值，也就是說應用電路中，不得超過此標稱電壓。 電解電容工作在遠低于額定工作電壓時， 由于不能得到有效的足以維持電 極跟電解液之間的退極化作用，會導致電解電容的極化而降低漣波電流， 增大 ESR，從而提早老化。但是這個說法的前提是“遠低于額定工作電壓” ， 綜合一些長期的實踐經(jīng)驗來看， 選取額定工作電

6、壓標稱值的 2/3 左右為正 常工作電壓，是比較合理的。額定浪涌電壓 Rated surge voltage 額定浪涌電壓是最大的直流過電壓， 即 25時時間不超過 30 秒偶然的間 隔不少于 5 分鐘電容可能承受的的電壓。浪涌電壓的測量 Surge voltage measurement 在正常的室溫下給電容通過一個 1000 10%的電阻加上額定浪涌電壓 (如果電容量是 2500uF或更高，則使用 2500,000/C 10%的電阻， C 是電容單位是 uF)。循環(huán)加電壓 1/2 分鐘開接著 41/2 分鐘關，當處于關 狀態(tài)時， 每個電容通過充電電阻或等效電阻放電。 重復循環(huán) 120 小時

7、。公 布測試的必要條件是為了 DCL,ESR,DF滿足最初的條件，且沒有機械損壞 或電解液的泄漏的跡象。沒有小滴或可視的流動的電解液殘留物是允許 瞬態(tài)過壓 Transient over-voltage 鋁電解電容一般能承受限制能量的非常高的瞬態(tài)過壓。 超過電容浪涌電壓額定值 50V 以上的應用將造成高的漏電流和固定電壓 工作模式就像齊納二極管的反向擊穿。 如果電解液不能承受電壓的壓力， 電容可能損壞短路， 但是即使電解液能 承受電壓的壓力， 這種操作模式也不能維持很長時間， 因為由電容所產(chǎn)生 的氫氣和壓力的積累將造成損壞。冗余電壓鋁電解電容器先充電， 再放電，而后將引線短接， 再將其放置一段時

8、間后， 兩端子間存在電壓上升的現(xiàn)象；由這種現(xiàn)象所引起的電壓稱之為再生電 壓。當電壓施加在介質(zhì)之上時， 在介質(zhì)內(nèi)部引起電子的轉(zhuǎn)移， 從而在介質(zhì)內(nèi)部 產(chǎn)生感應電場，其方向與電壓的方向相反，這種現(xiàn)象稱之為極化反應。 在施加電壓引起介質(zhì)極化后， 如果兩端子進行放電一直到端子間的電壓為 零，爾后將其開路放置一段時間后，一種潛在的電勢將出現(xiàn)在兩端子上， 這樣就引起了再生電壓。再生電壓在電容器開路放置 10 天20天時達到 峰值，然后逐漸降低，再生電壓有隨著元件變大而增大的趨勢。 如果電容器在產(chǎn)生再生電壓后， 兩端子短路， 瞬間高壓放電可能引起組裝 線上的操作員工的恐懼感， 并且，有可能導致一些低壓驅(qū)動元件

9、被擊穿的 危險，預防出現(xiàn)這種情況的措施是在使用前加 100ohm1Kohm的電阻進行 放電，或者在產(chǎn)品包裝中用鋁箔覆蓋引起兩端子間短路放電。極性-反向電壓 Polar-Reversed Voltage 在電路設計和安裝時要檢查每一個電容的極性。 在電容上會標示極性。 盡 管電容能持續(xù)承受的反向電壓， 超過這個值就會因為過熱， 壓力過大或介 質(zhì)損壞而損壞電容。 這會造成相關聯(lián)的開路或短路故障和電容壓力釋放口 的破裂。充電- 放電 Charge-Discharge 鋁電解電容沒有被設計成可以頻繁快速的充電和放電， 頻繁快速的充電和 放電會使電容因為過熱， 壓力過大或崩潰而損壞， 隨后的故障是開路或

10、短 路。對于充電 - 放電的應用使用電容設計成這種應用，不要超過制造商所建議 的放電速率。電壓分配 Voltage Sharing在充電期間， 每個串聯(lián)電容的電壓與實際的電容量的倒數(shù)成正比。 但是達 到最終電壓時， 每個電容上的電壓與電容的漏電流的倒數(shù)成正比。 當然串 聯(lián)回路上所有的漏電流是相同的， 趨向于更高漏電流的電容將獲得比較小 的電壓。因為漏電流隨所提供的電壓的增加而增加， 較低的電壓會造成較 高的漏電阻抗， 使電壓趨向相同。 測試高壓母線上的串聯(lián)電容， 供給電容 多出額定電壓兩倍的 10%的電壓， 在整個溫度范圍內(nèi)顯示出良好的電壓分 配，沒有電容電壓曾經(jīng)超過其額定值。電壓的降額 Vo

11、ltage Derating 電壓的降額用百分比來表示， 即給定電壓小于額定電壓的百分比， 如一個 450V的電容工作在 400V將有 11%的電壓降額。如用至少高于額定電壓 135%的化成電壓和 85的額定或更高溫度 鋁箔 所制作的鋁電解電容器，不需要過多的電壓降額 , 降額可持續(xù)增加工作壽 命.在應用中，在溫度小于 45時工作不需要降額。高于 75， 10%的降額是足夠的。對于更高的溫度和高的紋波電流， 15% 或 20%的降額是合適的 軍事和空間的應用使用 50%的電壓降額。在正常室溫下，照相閃光 (photoflash) 電容可以在滿額定電壓下被使用， 因為它們是為這樣的職責而設計的。

12、至少 10%的電壓降額對于頻閃 (strobe) 電容有好處， 因為它們連續(xù)工作會 使它們變熱。4, 溫度工作溫度范圍 Operating Temperature Range 它是環(huán)境溫度范圍，在這個溫度下電容被設計能持續(xù)工作。 很大程度上化成電壓決定了高溫限制值。低溫限制值很大程度上由電解液的低溫電阻系數(shù)所決定。105 等級的化成電壓要高于 85 。所以 105 等級的電容比 85 的電容具有更長的壽命 或更高的承受紋波電流的能力。5, 紋波電流紋波電流 Ripple Current紋波電流是流進電容的交流電流。 之所以稱為紋波電流是因為其所關聯(lián)的 依附在電容的直流偏置電壓上的交流電壓的行進

13、就像水上的紋波一樣。 紋波電流使電容發(fā)熱， 太高的溫升將使電容超過它的最大可允許管芯的溫 度而很快損壞，但是工作于接近最大允許管芯溫度將大大縮短預期的壽 命。最大可允許的紋波電流決定于多大可被允許且仍能滿足電容的負載壽命 指標。對于鋁電解電容工作于最大允許管芯溫度其負載壽命指標典型值是 1000 到 10,000 小時。即六個星期到一年零七個星期，對于大多數(shù)的應用 這個時間都太短了。紋波電流的技術規(guī)格 Ripple current specification 紋波電流是由在額定溫度下獲得希望的溫升所決定的。 通常額定溫度為 85的電容允許的溫升是 10，最大允許管芯溫度是 95。通常額定溫度為

14、 105的電容允許的溫升是 5，最大允許管芯溫度是 110。紋波電流額定值通常假定電容是對流冷卻， 整個罐子與空氣接觸。 /in2 的對流系數(shù)是假設溫升是從空氣到外殼，管芯溫度假設與外殼溫度相同。 功率損耗等于紋波電流的平方乘以 ESR , ( P=I (square)*R)。通常使用 25， 120Hz的最大的 ESR，但是既然 ESR隨溫度的增加而減少，所以 可使用低于最大 ESR的值去計算功率損耗。這有一個例子，對于 4700uF， 450V，直徑為 3 inch(76mm), 長為 55/8 inchs(143mm) 的罐型電容，其 25， 120Hz 最大的 ESR是 30m，假設

15、你想要這種電容紋波電流額定值。罐型的面積 - 不包括端子末端 - 是 (388mm2)。熱導系數(shù)是() =。對于 10的溫升，外殼可能損耗 . 所以 對于最大的 ESR是 30m可允許的紋波電流是 11A。( ) 像這個例子里的大的罐型電容忽略了從外殼到管芯的溫升就會嚴重的夸 大了紋波電流的容量。紋波電流的溫度特性 Ripple current temperature characteristics 對于工作溫度小于額定溫度額定紋波電流會增加。 在技術指標中會顯示增 加量。一般增加量決定于最大管芯溫度 (Tc) ，額定溫度 (Tr) 和環(huán)境溫度 (Ta) 即： 紋波溫度增量 =(Tc- Ta)

16、/ (Tc- Tr)1/2 高的紋波電流會使工作壽命小于預期壽命， 因為電容時間越長其 ESR越大 對于相同的紋波電流發(fā)熱量會增加。這加速了磨損。紋波電流的頻率特性 Ripple current frequency characteristics 工作頻率不是 120Hz 時，要校正額定紋波電流。 在技術指標中會顯示增加 量。通常增加量決定于預期隨頻率的變化的 ESR，但是就像上面所討論的， ESR是溫度，電容量，額定電壓和頻率復雜的函數(shù)。所以很難產(chǎn)生一個精 確模擬其對頻率依賴的紋波 - 頻率的增量表。對于高紋波電流的應用要確 認在你感興趣的頻率下的 ESR，并計算總的功率損耗。電解電容器的壽

17、命還與電容器長時間工作的交流電流與額定脈沖電流 （一 般是指在 85的環(huán)境溫度下測試值，但是有一些耐高溫的電解電容器是 在 125時測試的數(shù)據(jù)）的比值有關。一般說來，這個比值越大，電解電 容器的壽命越短， 當流過電解電容器的電流為額定電流的倍時， 電解電容 器一般都已經(jīng)損壞。 所以，電解電容器有它的安全工作區(qū)， 對于一般應用， 當交流電流與額定脈沖電流的比值在倍以下時，對于壽命的要求已經(jīng)滿 足。實際上 d 的變化范圍在 5%20%之間， 它造成紋波電流大小約是電容直流 輸出電流，的 2-4 倍。D的選擇對電容器的影響很大，一個比較小的 d 值 和高峰值的沖點線路能夠產(chǎn)生一個比較大的紋波電流值。

18、紋波電流和 d 的關系可在中看到，根據(jù) ESR和頻率的關系，變換 d 將會導致電容的能耗， 這個能耗正比于紋波電流， 或正比于紋波電流的平方， 或者是著兩個值中 的某一點。漣波電流對于石機的濾波電路來說， 是一個很重要的參數(shù)。 漣波電流 Irac 是愈高愈好。他的高低與工作頻率相關，頻率越高 Irac 越大，頻率越低 Irac 越小。傳統(tǒng)的認為我們需要在低頻時能夠有很高的漣波電流，以求 得到良好的大電流放電特性， 使的低頻更加結(jié)實飽滿富有彈性， 以及良好 的控制驅(qū)動特性；實際上在高頻時高的漣波電流對音色的正面幫助也很 大，可以使高頻有更好的延伸和減小粗糙感。在我們現(xiàn)有的摩濾波電容的文章中， 推

19、薦的大部分電容都是日本貨， 比如 說 elna, 紅寶石 ,nichicon （籃精靈），當然還有日本化工等品種，由于 我們一入道就接觸這些電容， 因此先入為主的我們就認為這些電容就是最 好的電容。當然，玩膽機的朋友，眼界更為開闊，他們決不輕易使用這些 日本貨， 而是想方設法地去尋找歐美貨。 根據(jù)本人這些年的實踐來看， 在 上面的那些日本貨中， 除了 ENLA的極少數(shù)品種和歐美品種和能有一拼外， 其他的品種根本不是歐美貨的對手。在膽機用濾波電容中，美國的 cornell dubilier 的效果不錯，它的直徑 是 35mm，高度要比日本貨高一倍，但是相同耐壓的 RIFA 電容的直徑是 75mm

20、，無法安裝。 cornell dubilier電容的腳是 2 個較粗的接線柱，通過螺絲固定， 而很多日本貨是四個腳， 直接焊接， 因此在替換的時候仍然 比較麻煩，我費了很大力氣才把我的膽機上的四個濾波電容換好。6，等效串聯(lián)電阻 ESR等效串聯(lián)電阻 Equivalent Series Resistance等效串聯(lián)電阻（ ESR）是一個單一的電阻值，它代表了所有的電容的歐姆 損耗與電容相串聯(lián)。用于 DC/DC開關穩(wěn)壓電源輸入濾波電容器， 因開關變換器是以脈沖形式向 電源汲取電能， 故濾波電容器中流過較大的高頻電流， 當電解電容器等效 串聯(lián)電阻（ ESR）較大時，將產(chǎn)生較大損耗，導致電解電容器發(fā)熱。

21、而低 ESR電解電容器則可明顯減小紋波（特別是高頻紋波）電流產(chǎn)生的發(fā)熱 . 電解電容器 ESR較低，能有效地濾除開關穩(wěn)壓電源中的高頻紋波和尖峰電 壓。ESR的高低，與電容器的容量、電壓、頻率及溫度都有關， ESR要求越 低越好。當額定電壓固定時，容量愈大 ESR愈低。當容量固定時，選用高額定電壓的品種可以降低 ESR。低頻時 ESR高，高頻時 ESR低， 高溫也會使 ESR上升ESR的測量 ESR measurement對于鋁電解電容，是在 25時測試在一個測量橋式電路中等效串聯(lián)電路 中的電阻值作為 ESR的值，測量橋式電路用 120Hz 沒有諧波含量最大 AC 信號電壓為 1Vrms 沒有正

22、向偏置電壓的電源來供電。ESR的溫度特性 ESR Temperature characteristics ESR隨溫度的的增加而降低。從 25到限制的最高溫度 ESR大約降低 35%到 50%。 但是在限制的最低溫度時 ESR的增加超過 10 倍。對于額定溫度為 -20 或-40 的電容，在-40 時 ESR的增加超過 100 倍。ESR的頻率特性 ESR Frequency characteristics像 DF一樣， ESR隨頻率而變化。重寫一次上面 DF的公式， ESR可由下面 的公式來模擬：ESR=10,000（DFif） /2 fC +ESRhf用 ESR來表示，在低頻時 ESR隨著

23、頻率的增加穩(wěn)定的下降， 關電源的體積不斷縮小， 能量轉(zhuǎn)換效率不斷提高， 使得開關電源的工作頻 率不斷提高（從 20kHz 到 500kHz，甚至達到 1MHz以上），導致其輸出部 分的高頻噪聲加大， 為了有效濾波， 必須使用超低高頻阻抗或低等效串聯(lián) 電阻（ ESR）的電容器。損耗因數(shù) - Dissipation Factor（ DF）Tan& （損耗角正切）在等效電路中，等效串聯(lián)電阻 ESR同容抗 1/wC 之比稱為 Tan& ，其測量 條件與電容量相同。Tan&=R（ESR）/（1/ wC）= wC R（ESR） 其中：R（ESR）= ESR（120HZ） w =2 X 3.14 fF= 1

24、20HzTan& 隨著測量頻率的增加而變大，隨著測量溫度的下降而增大。 損耗因數(shù)是測量損耗角的正切值并用百分數(shù)來表示。損耗因數(shù)也是 ESR 同容性電抗的比值，因此與 ESR有關，用公式表示：DF=2fC(ESR)/10,000 DF是用百分數(shù)表示的沒有單位的數(shù)值，測試頻率 f 的單位是 Hz，電容量 C的單位是 Uf，ESR的單位是。DF的測試 DF measurementDF的測試是在 25用 120Hz沒有諧波含量最大 AC信號電壓為 1Vrms沒有 偏置電壓的電源來供電下完成的。 DF的值與溫度和頻率有關。DF的溫度特性 DF Temperature characteristics 損耗

25、因數(shù)隨溫度的升高而降低。 從 25到最高溫度限制值時 DF大約降低 50%，但是在最低溫度限制值時， DF增加超過 10 倍。額定溫度為 -55的 更好的器件的 DF值在-40 時增加量不到 5 倍。DF的頻率特性 DF Frequency characteristics、損耗因數(shù)在高頻時隨頻率的變化而變化。 DF用以下的公式來模擬： DF=DFif+2fC(ESRhf)/10,000DF是用百分數(shù)來表示的總的損耗因數(shù)， DFif 是用百分數(shù)來表示的低頻的 損耗因數(shù)， ESRhf是高頻時的 ESR單位， f 是測試頻率單位 Hz，C 是測 試頻率下的電容量單位 uF。DFif 是由功率損失所造

26、成的，功率損失是由 在鋁氧化介質(zhì)的分子排列方向的電場所產(chǎn)生的。 ESRhf是由在薄膜，連接 器和電解液 /隔離物墊上的阻性損耗所造成的。 電解液/ 隔離物墊上的電阻 值經(jīng)常起主導作用，它的電阻值隨頻率變化很小。 DFif 的范圍大約是從 % 到 3%。ESRhf 的范圍是從到 10，隨溫度而降低。上面 DF的公式表明 DF在低頻時是個常數(shù)，在交越頻率處跨越到降低的 DF和固定的 ESR,交越頻率與電容量成反比。因此高電容量的電容其交越 頻率就低。隨著頻率的增加高電容量的電容比低電容量的電容DF降低的更多。DF值是高還是低，與溫度、容量、電壓、頻率都有關系； 當容量相同時，耐壓愈高 ,DF 值就

27、愈低。頻率愈高 ,DF 值愈高，溫度愈高 , DF 值也愈高。DF 值一般不標注在電容器上或規(guī)格介紹上面。在 DIY選取電容時，可優(yōu) 先考慮選取更高耐壓的， 比如工作電壓為 45V 時，選用 50V的就不很合理。 盡管使用 50V 的從承受電壓正常工作方 面并無不妥，但從 DF值方面考慮 就欠缺一些。使用 63V或 71V 耐壓的會有更好的表現(xiàn)的。當然 再高了性 價比上就不合算了。含浸 Impregnation電容器元件注入電解液， 浸透紙隔離物并且滲透到蝕刻管道里。 注入的方 法可能會涉及到器件的浸入和真空壓力周期的應用不管使用或不使用加 熱，或者在小單元情況下僅僅是簡單的吸收。 電解液是根據(jù)電壓和工作溫 度范圍用不同的公式表示的成分的復雜混合物。 其基本的成分是具有可溶 性和可導電性的鹽 -一種溶解物 - 以產(chǎn)生電的傳導。普通的溶劑是乙烯乙二 醇（EG）, 二甲基的甲酰胺 （DFM）和微克丁內(nèi)酯（ GBL）。普通的溶解物是 銨硼酸鹽和其它的銨鹽。 EG典型應用于額定值為 -20 或-40 的電容。 DFM和 GBL經(jīng)常應用于額定值為 -55 的電容。在電解液里水起很大的作用。 水增加了導電性因此減少了電容的阻抗。 但 是它降低了沸點因而妨礙了高溫性能，