鋁電解電容器的工程設(shè)計

...wd......wd......wd...鋁電解電容器的工程設(shè)計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0.02—0.1mm鋁箔做成的，為了增加盤面積和電容量，與電解液接觸的外表積的增加是通過蝕刻金屬箔去溶解鋁，使整個鋁箔的外表形成一個高密度的網(wǎng)狀的有幾十億個精細(xì)微管道的構(gòu)造?；蒄orming

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(xué)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，它保持著很高的外表積和高密度的蝕刻模式。

氧化膜的耐電壓缺乏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，這些隔離物后來保存住電解液。

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翻開時的壓力沖擊，芯包發(fā)生變形，導(dǎo)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(jìn)一個橡膠墊圈，一個橡膠末端插銷或滾進(jìn)壓成石碳酸薄板的橡膠。

太則嚴(yán)密封會導(dǎo)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(dǎo)致縮短壽命。2,電容量電容量公差CapacitanceTolerance

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?jǐn)?shù)的增加和減少來表示，即ΔC/C。電容量的溫度特性CapacitanceTemperaturecharacteristics

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(biāo)稱-40℃的產(chǎn)品,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Capacitancefrequencycharacteristics

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(guān)係CapacitancevsVoltage

例如：如果我們有一個20V1.2F尺寸為3×8.63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RatedDCvoltage

額定直流電壓時標(biāo)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)的被供應(yīng)。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(workingvoltage)簡稱WV

應(yīng)為標(biāo)稱安全值，也就是說應(yīng)用電路中，不得超過此標(biāo)稱電壓。

電解電容工作在遠(yuǎn)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(dǎo)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(yuǎn)低于額定工作電壓〞，綜合一些長期的實踐經(jīng)歷來看，選取額定工作電壓標(biāo)稱值的2/3左右為正常工作電壓，是對比合理的。額定浪涌電壓Ratedsurgevoltage

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Surgevoltagemeasurement

在正常的室溫下給電容通過一個1000Ω±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/CΩ±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(guān)，當(dāng)處于關(guān)狀態(tài)時，每個電容通過充電電阻或等效電阻放電。重復(fù)循環(huán)120小時。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(jī)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的。瞬態(tài)過壓Transientover-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(yīng)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(dāng)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(yīng)電場，其方向與電壓的方向相反，這種現(xiàn)象稱之為極化反響。

在施加電壓引起介質(zhì)極化后，如果兩端子進(jìn)展放電一直到端子間的電壓為零，此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天時到達(dá)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(dǎo)致一些低壓驅(qū)動元件被擊穿的不安全，預(yù)防出現(xiàn)這種情況的措施是在使用前加100ohm~1Kohm的電阻進(jìn)展放電，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-ReversedVoltage

在電路設(shè)計和安裝時要檢查每一個電容的極性。在電容上會標(biāo)示極性。盡管電容能持續(xù)承受1.5V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(guān)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(shè)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短路。

對于充電-放電的應(yīng)用使用電容設(shè)計成這種應(yīng)用，不要超過制造商所建議的放電速率。電壓分配VoltageSharing

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。但是到達(dá)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(dāng)然串聯(lián)回路上所有的漏電流是一樣的，趨向于更高漏電流的電容將獲得對比小的電壓。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，使電壓趨向一樣。測試高壓母線上的串聯(lián)電容，供應(yīng)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VoltageDerating

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(yīng)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%的降額是適宜的。

軍事和空間的應(yīng)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(zé)而設(shè)計的。

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OperatingTemperatureRange

它是環(huán)境溫度范圍，在這個溫度下電容被設(shè)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RippleCurrent

紋波電流是流進(jìn)電容的交流電流。之所以稱為紋波電流是因為其所關(guān)聯(lián)的依附在電容的直流偏置電壓上的交流電壓的行進(jìn)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(yù)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(fù)載壽命指標(biāo)。對于鋁電解電容工作于最大允許管芯溫度其負(fù)載壽命指標(biāo)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(yīng)用這個時間都太短了。紋波電流的技術(shù)規(guī)格Ripplecurrentspecification

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。0.006W/℃/in2的對流系數(shù)是假設(shè)溫升是從空氣到外殼，管芯溫度假設(shè)與外殼溫度一樣。

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3inch(76mm),長為55/8inchs(143mm)的罐型電容，其25℃，120Hz最大的ESR是30mΩ，假設(shè)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60.1in2(388mm2)。熱導(dǎo)系數(shù)是〔0.006〕(60.1)=0.36W/℃。對于10℃的溫升，外殼可能損耗3.6W.所以對于最大的ESR是30mΩ可允許的紋波電流是11A?！玻常叮剑桑螅瘢酰幔颍澹埃埃场?/p>

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(yán)重的夸張了紋波電流的容量。紋波電流的溫度特性Ripplecurrenttemperaturecharacteristics

對于工作溫度小于額定溫度額定紋波電流會增加。在技術(shù)指標(biāo)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)/(Tc-Tr)]1/2

高的紋波電流會使工作壽命小于預(yù)期壽命，因為電容時間越長其ESR越大對于一樣的紋波電流發(fā)熱量會增加。這加速了磨損。紋波電流的頻率特性Ripplecurrentfrequencycharacteristics

工作頻率不是120Hz時，要校正額定紋波電流。在技術(shù)指標(biāo)中會顯示增加量。通常增加量決定于預(yù)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(fù)雜的函數(shù)。所以很難產(chǎn)生一個準(zhǔn)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(yīng)用要確認(rèn)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(guān)。一般說來，這個比值越大，電解電容器的壽命越短，當(dāng)流過電解電容器的電流為額定電流的3.8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(yīng)用，當(dāng)交流電流與額定脈沖電流的比值在3.0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，一個對比小的d值和頂峰值的沖點線路能夠產(chǎn)生一個對比大的紋波電流值。紋波電流和d的關(guān)系可在中看到，根據(jù)ESR和頻率的關(guān)系，變換d將會導(dǎo)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(jī)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。他的上下與工作頻率相關(guān)，頻率越高Irac越大，頻率越低Irac越小。傳統(tǒng)的認(rèn)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，推薦的大局部電容都是日本貨，比方說elna,紅寶石,nichicon〔籃精靈〕，當(dāng)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(rèn)為這些電容就是最好的電容。當(dāng)然，玩膽機(jī)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(shè)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，其他的品種基本不是歐美貨的對手。

在膽機(jī)用濾波電容中，美國的cornelldubilier的效果不錯，它的直徑是35mm，高度要比日本貨高一倍，但是一樣耐壓的RIFA電容的直徑是75mm，無法安裝。cornelldubilier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對比麻煩，我費(fèi)了很大力氣才把我的膽機(jī)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EquivalentSeriesResistance

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(guān)穩(wěn)壓電源輸入濾波電容器，因開關(guān)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(dāng)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(dǎo)致電解電容器發(fā)熱。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(guān)穩(wěn)壓電源中的高頻紋波和尖峰電壓。

ESR的上下，與電容器的容量、電壓、頻率及溫度…都有關(guān)，ESR要求越低越好。當(dāng)額定電壓固定時，容量愈大ESR愈低。

當(dāng)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ESRmeasurement

對于鋁電解電容，是在25℃ESR的溫度特性ESRTemperaturecharacteristics

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℃ESR的頻率特性ESRFrequencycharacteristics

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)/2лfC+ESRhf

用ESR來表示，在低頻時ESR隨著頻率的增加穩(wěn)定的下降，

關(guān)電源的體積不斷縮小，能量轉(zhuǎn)換效率不斷提高，使得開關(guān)電源的工作頻率不斷提高〔從20kHz到500kHz，甚至到達(dá)1MHz以上〕，導(dǎo)致其輸出局部的高頻噪聲加大，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。D.3損耗因數(shù)-DissipationFactor〔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一樣。Tan&=R〔ESR〕/〔1/wC〕=wCR〔ESR〕

其中：R〔ESR〕=ESR〔120HZ〕w=2X3.14f

F=120Hz

Tan&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?jǐn)?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(guān)，用公式表示：

DF=2лfC(ESR)/10,000

DF是用百分?jǐn)?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Ω。DF的測試DFmeasurement

DF的測試是在25℃DF的溫度特性DFTemperaturecharacteristics

損耗因數(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DF的頻率特性DFFrequencycharacteristics、

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+2лfC(ESRhf)/10,000

DF是用百分?jǐn)?shù)來表示的總的損耗因數(shù)，DFif是用百分?jǐn)?shù)來表示的低頻的損耗因數(shù)，ESRhf是高頻時的ESR單位Ω，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(dǎo)作用，它的電阻值隨頻率變化很小。DFif的范圍大約是從1.5%到3%。ESRhf的范圍是從0.002到10Ω，隨溫度而降低。

上面DF的公式說明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(guān)系；

當(dāng)容量一樣時，耐壓愈高,DF值就愈低。

頻率愈高,DF值愈高，

溫度愈高,DF值也愈高。

DF值一般不標(biāo)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，比方工作電壓為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(dāng)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(yīng)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(fù)雜混合物。其基本的成分是具有可溶性和可導(dǎo)電性的鹽-一種溶解物-以產(chǎn)生電的傳導(dǎo)。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(yīng)用于額定值為-20℃或-40℃的電容。DFM和GBL經(jīng)常應(yīng)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(dǎo)電性因此減少了電容的阻抗。但是它降低了沸點因而阻礙了高溫性能，減少了貯藏壽命。占幾