Электролитический конденсатор

редактировать
Наиболее распространенные стили алюминиевых и танталовых электролитических конденсаторов Ассортимент электролитических конденсаторов

Электролитический конденсатор представляет собой поляризованный конденсатор, анод или положительная пластина которого изготовлены из металла, который образует изолирующий слой оксида посредством анодирования. Этот оксидный слой действует как диэлектрик конденсатора. Твердый, жидкий или гелевый электролит покрывает поверхность этого оксидного слоя, служа катодом или отрицательной пластиной конденсатора. Из-за очень тонкого диэлектрического оксидного слоя и увеличенной поверхности анода электролитические конденсаторы имеют гораздо более высокое произведение емкости - напряжения (CV) на единицу объема, чем керамические конденсаторы или пленочные конденсаторы, и поэтому могут иметь большие значения емкости. Существует три семейства электролитических конденсаторов: алюминиевые электролитические конденсаторы, танталовые электролитические конденсаторы и ниобиевые электролитические конденсаторы.

Большая емкость электролитических конденсаторов делает их особенно подходящими для проходных или обход низкочастотных сигналов, а также для хранения большого количества энергии. Они широко используются для развязки или фильтрации шума в источниках питания и цепях промежуточного контура для преобразователей частоты, для связи сигналов между усилителем <505.>и накапливают энергию, как в лампе-вспышке.

. Электролитические конденсаторы являются поляризованными компонентами из-за их асимметричной конструкции и всегда должны работать с более высоким напряжением (т. е. более положительным) на аноде, чем на катоде.. По этой причине вывод анода отмечен знаком плюс, а катод - знаком минус. Применение напряжения обратной полярности или напряжения, превышающего максимальное номинальное рабочее напряжение всего на 1 или 1,5 вольта, может разрушить диэлектрик и, следовательно, конденсатор. Выход из строя электролитических конденсаторов может быть опасным и привести к взрыву или пожару. Биполярные электролитические конденсаторы, которые могут работать с любой полярностью, также изготавливаются с использованием специальной конструкции с двумя последовательно включенными анодами. Биполярный электролитический конденсатор также может быть изготовлен путем соединения двух обычных электролитических конденсаторов анодом с анодом или катода с катодом.

Содержание

  • 1 Общая информация
    • 1.1 Родословная электролитических конденсаторов
    • 1.2 Принцип заряда
    • 1.3 Основные материалы и конструкция
    • 1.4 Емкость и объемный КПД
    • 1.5 Базовая конструкция нетвердого алюминиевые электролитические конденсаторы
    • 1.6 Основная конструкция твердотельных танталовых электролитических конденсаторов
  • 2 Типы и характеристики электролитических конденсаторов
    • 2.1 Сравнение типов электролитических конденсаторов
    • 2.2 Сравнение электрических параметров
    • 2.3 Стили алюминия и тантала электролитические конденсаторы
  • 3 История
    • 3.1 Происхождение
    • 3.2 «Мокрый» алюминиевый конденсатор
    • 3.3 «Сухой» алюминиевый конденсатор
    • 3.4 Танталовые конденсаторы
    • 3.5 Твердые электролиты
    • 3.6 Ниобиевые конденсаторы
    • 3.7 Электролиты на водной основе
  • 4 Электрические характеристики
    • 4.1 Последовательная эквивалентная схема
    • 4.2 Емкость, стандартные значения и допуски
    • 4.3 Номинальное и категориальное напряжение
    • 4.4 Перенапряжение
    • 4.5 Переходное напряжение
    • 4,6 обратное напряжение
    • 4,7 импедан ce
    • 4.8 ESR и коэффициент рассеяния tan δ
    • 4.9 Пульсации тока
    • 4.10 Бросок тока, пиковый или импульсный ток
    • 4.11 Ток утечки
    • 4.12 Диэлектрическая абсорбция (пропитывание)
  • 5 Рабочие характеристики
    • 5.1 Надежность (частота отказов)
    • 5.2 Срок службы
    • 5.3 Режимы отказов, механизм самовосстановления и правила приложений
    • 5.4 Производительность после хранения
  • 6 Дополнительная информация
    • 6.1 Символы конденсаторов
    • 6.2 Параллельное соединение
    • 6.3 Последовательное соединение
    • 6.4 Маркировка полярности
    • 6.5 Отпечатанная маркировка
    • 6.6 Стандартизация
    • 6.7 Рынок
    • 6.8 Производители и продукция
  • 7 См. Также
  • 8 Ссылки
  • 9 Дополнительная литература

Общая информация

Семейное древо электролитических конденсаторов

Что касается основных принципов конструкции электролитических конденсаторов, существует три различных типа конденсаторов: алюминиевые, танталовые и ниобиевые. В каждом из этих трех семейств конденсаторов используются нетвердые и твердые диоксид марганца или твердые полимерные электролиты, поэтому доступно большое количество различных комбинаций материала анода и твердых или нетвердых электролитов.

В зависимости от природы используемого анодного металла и используемого электролита существует большое разнообразие электролитических конденсаторов

Принцип заряда

Как и другие обычные конденсаторы, электролитические конденсаторы хранят электрическую энергию статически посредством разделения заряда в электрическом поле в диэлектрическом оксидном слое между двумя электродами. Нетвердый или твердый электролит в принципе является катодом, который, таким образом, образует второй электрод конденсатора. Это и принцип накопления отличает их от электрохимических конденсаторов или суперконденсаторов, в которых электролит обычно представляет собой ионную проводящую связь между двумя электродами, а накопление происходит за счет статической двухслойной емкости и электрохимической псевдоемкость.

Основные материалы и конструкция

Основной принцип анодного окисления (формовки), при котором путем приложения напряжения с источником тока на металлическом аноде формируется оксидный слой.

В электролитических конденсаторах используются химическая особенность некоторых специальных металлов, ранее называемых «вентильными металлами», которые при контакте с определенным электролитом образуют на своей поверхности очень тонкий изолирующий оксидный слой за счет анодного окисления, который может действовать как диэлектрик. В электролитических конденсаторах используются три различных металла анода:

  1. Алюминиевые электролитические конденсаторы используют протравленную алюминиевую фольгу высокой чистоты с оксидом алюминия в качестве диэлектрика
  2. тантал. В электролитических конденсаторах используется спеченная таблетка («заготовка») порошка тантала высокой чистоты с пентоксидом тантала в качестве диэлектрика
  3. В электролитических конденсаторах ниобия используется спеченный " заготовка »порошка высокочистого ниобия или оксида ниобия с диэлектриком пятиокиси ниобия.

Для увеличения их емкости на единицу объема все анодные материалы изготовлены из либо травленые, либо спеченные, и имеют шероховатую структуру поверхности с гораздо большей площадью поверхности по сравнению с гладкой поверхностью той же площади или того же объема. Путем приложения положительного напряжения к вышеупомянутому анодному материалу в электролитической ванне образуется (образование) оксидный барьерный слой с толщиной, соответствующей приложенному напряжению. Этот оксидный слой действует как диэлектрик в электролитическом конденсаторе. Свойства этих оксидных слоев приведены в следующей таблице:

Характеристики различных оксидных слоев в электролитических конденсаторах из алюминия, тантала и ниобия
Материал анода -.ДиэлектрикОксид. структураОтносительная. диэлектрическая проницаемостьПробой. напряжение. (В / мкм)Электрический. слой. толщина. (нм / В)
АлюминийОксид алюминия Al 2O3аморфный9,67101,4
кристаллический11,6… 14,2800... 10001,25... 1,0
ТанталПятиокись тантала Ta 2O5аморфный276251,6
Ниобий или. оксид ниобияПятиокись ниобия Nb 2O5аморфный414002,5

После формования диэлектрический оксид на шероховатой структуре анода, противоэлектрод должен совпадать с шероховатой изолирующей оксидной поверхностью. Это достигается за счет электролита, который действует как катодный электрод электролитического конденсатора. Используется много разных электролитов. Обычно они делятся на два вида: «нетвердые» и «твердые» электролиты. В качестве жидкой среды, которая имеет ион проводимость, обусловленную движущимися ионами, нетвердые электролиты могут легко соответствовать шероховатым структурам. Твердые электролиты, обладающие электронной проводимостью, могут соответствовать грубым структурам с помощью специальных химических процессов, таких как пиролиз для диоксида марганца или полимеризация для проведения полимеров.

Сравнивая диэлектрические проницаемости различных оксидных материалов, видно, что пятиокись тантала имеет диэлектрическую проницаемость примерно в три раза выше, чем оксид алюминия. Таким образом, танталовые электролитические конденсаторы с заданным значением CV теоретически меньше алюминиевых электролитических конденсаторов. На практике различный запас прочности для достижения надежных компонентов затрудняет сравнение.

Анодно сформированный изолирующий оксидный слой разрушается, если полярность приложенного напряжения изменяется.

Емкость и объемный КПД

Диэлектрический материал помещается между двумя проводящими пластинами (электродами), каждая площадью A и с разделением d.

Электролитические конденсаторы основаны на принципе «пластинчатый конденсатор», емкость которого увеличивается с увеличением площади электрода A, более высокой диэлектрической диэлектрической проницаемостью ε и более тонким диэлектриком (d).

C = ε ⋅ A d {\ displaystyle C = \ varepsilon \ cdot {\ frac {A} {d}}}C = \ varepsilon \ cdot {\ frac {A} {d}}

Толщина диэлектрика электролитических конденсаторов очень мала, в диапазоне нанометров. на вольт. С другой стороны, напряженность этих оксидных слоев довольно высока. Благодаря этому очень тонкому диэлектрическому оксидному слою в сочетании с достаточно высокой диэлектрической прочностью электролитические конденсаторы могут достигать высокой объемной емкости. Это одна из причин высоких значений емкости электролитических конденсаторов по сравнению с обычными конденсаторами.

Все протравленные или спеченные аноды имеют гораздо большую площадь поверхности по сравнению с гладкой поверхностью той же площади или того же объема. Это увеличивает значение емкости в зависимости от номинального напряжения до 200 раз для нетвердых алюминиевых электролитических конденсаторов, а также для твердотельных танталовых электролитических конденсаторов. Большая поверхность по сравнению с гладкой является второй причиной относительно высоких значений емкости электролитических конденсаторов по сравнению с конденсаторами других семейств.

Поскольку напряжение формования определяет толщину оксидного слоя, желаемое номинальное напряжение может быть получено очень просто. Электролитические конденсаторы имеют высокий объемный КПД, так называемый «продукт CV», определяемый как произведение емкости и напряжения, разделенных на объем.

Основная конструкция нетвердых алюминиевых электролитических конденсаторов

Базовая конструкция из твердого танталового электролита конденсаторы

Типы и ВЭД Характеристики электролитических конденсаторов

Сравнение типов электролитических конденсаторов

Комбинации анодных материалов для электролитических конденсаторов и используемых электролитов привели к появлению большого количества типов конденсаторов с различными свойствами. Краткое описание основных характеристик различных типов показано в таблице ниже.

Обзор основных характеристик различных типов электролитических конденсаторов
Электролитические. семейства конденсаторовЭлектролитныеЕмкость. диапазон. (мкФ)Макс.. номинальное напряжение. (В)Макс.. температура. (° C)
Алюминий-. электролитический конденсатор. протравленная фольгаНетвердый органический электролит,. например GBL, DMF, DMA,0.1:1,000,000550105/125/150
Нетвердый, например бура, гликоль0,1: 2,700,00063085/105
Нетвердые, на водной основе1: 18,00010085/105
Твердый, полимерный10: 150025105
Гибридный, полимерный и нетвердый6,8: 1000125105/125
Тантал. электролитический конденсатор,. спеченный анодНетвердая серная кислота0,1 : 18,000630125/200
Твердый диоксид марганца0,1: 3,300125125/150
Твердый полимер10: 150025105
Оксид ниобия -. электролитический конденсатор. спеченный анодТвердый диоксид марганца1: 150010105
Твердые, полимерные4,7: 47016105

Нетвердые или так называемые «мокрые» алюминиевые электролитические конденсаторы были и остаются самыми дешевыми среди все остальные конденсаторы обычные. Они не только обеспечивают самые дешевые решения для высоких значений емкости или напряжения для развязки и буферизации, но также нечувствительны к низкоомной зарядке и разрядке, а также к переходным процессам с низким энергопотреблением. Нетвердые электролитические конденсаторы можно найти практически во всех областях электронных устройств, за исключением военных приложений.

Танталовые электролитические конденсаторы с твердым электролитом в качестве монтируемых на поверхность чип-конденсаторов в основном используются в электронных устройствах, в которых мало места или требуется низкий профиль. Они надежно работают в широком диапазоне температур без больших отклонений параметров. В военных и космических применениях только танталовые электролитические конденсаторы имеют необходимые разрешения.

Ниобиевые электролитические конденсаторы находятся в прямой конкуренции с промышленными танталовыми электролитическими конденсаторами, потому что ниобий более доступен. Их свойства сопоставимы.

Электрические свойства электролитических конденсаторов из алюминия, тантала и ниобия были значительно улучшены полимерным электролитом.

Сравнение электрических параметров

Чтобы сравнить различные характеристики разных типов электролитических конденсаторов, конденсаторы с одинаковыми размерами и одинаковой емкостью и напряжением сравниваются в следующей таблице. При таком сравнении значения ESR и пульсации тока нагрузки являются наиболее важными параметрами для использования электролитических конденсаторов в современном электронном оборудовании. Чем ниже ESR, тем выше ток пульсации на единицу объема и лучше функциональность конденсатора в цепи. Однако лучшие электрические параметры имеют более высокую цену.

Сравнение наиболее важных характеристик различных типов электролитических конденсаторов
Электролитических. семейства конденсаторовТип)Размер. DxL, WxHxL. (мм)Макс. ESR. 100 кГц, 20 ° C. (мОм)Макс. ток пульсаций. 85/105 ° C. (мА)Макс. ток утечки. через 2 мин.). (мкА)
«мокрые» алюминиево-электролитические конденсаторы 1976). Этиленгликоль / бура-электролитValvo, 034,. 4,7 / 405x1115,0001710 (0,01CV)
«мокрые» алюминиево-электролитические конденсаторы,. Органический электролитVishay, 036 RSP,. 100/105x11100016010 (0,01CV)
«мокрые» алюминиевые электролитические конденсаторы,. этиленгликоль / бура-электролитNCC, SMQ,. 100/105x1190018010 (0,01CV)
«мокрые» алюминиево-электролитические конденсаторы,. электролит на водной основеRubycon, ZL,. 100/105x1130025010 (0,01CV)
«мокрые» алюминиевые электролитические конденсаторы, SMD. этиленгликоль / бура-электролитNIC, NACY,. 220/106,3x830030010 (0,01CV)
«мокрые» алюминиево-электролитические конденсаторы, SMD. на водной основе электролитNIC, NAZJ,. 220/166.3x816060010 (0,01C V)
Твердотельные танталовые электролитические конденсаторы. MnO 2 электролитKemet, T494,. 330/107,3x4,3x4,0100128510 (0,01CV)
Твердотельные танталовые электролитические конденсаторы. Многоанодные, MnO 2 электролитKemet, T510,. 330/107,3x4,3x4,035250010 (0,01CV)
Твердотельные танталовые электролитические конденсаторы. Полимерные электролитKemet, T543,. 330/107.3x4.3x4,0104900100 (0.1CV)
Твердый танталовый электролит конденсаторы. Многоанодные, полимерныеKemet, T530,. 150/107,3x4,3x4,054970100 (0,1CV)
Твердые ниобиевые электролитические конденсаторы,. MnO2электролитAVX,NOS,. 220/6,37.3x4.3x4.180146120 (0,02CV)
Твердотельные ниобиевые электролитические конденсаторы,. многоанодные, MnO 2 электролитAVX, NBM,. 220 / 6,37,3x4,3x4,140256120 (0,02CV)
Твердый алюминиевый электролит c конденсаторы,. полимерный электролитPanasonic, SP-UE,. 180 / 6.37.3x4.3x4.273700100 ( 0,1CV)
Твердые алюминиево-электролитические конденсаторы,. Полимерный электролитKemet, A700,. 100/107.3x4.3x4.010470040 (0,04CV)
Твердые алюминиево-электролитические конденсаторы,. Полимерный электролитPanansonic, SVP,. 120 / 6.36.3x6172780200 (0,2CV)
Гибридные алюминиево-электролитические конденсаторы,. полимер + нетвердый электролитPanasonic, ZA,. 100/256.3x7.730200010 (0,01CV)

) Производитель, название серии, емкость / напряжение

) рассчитано для конденсатора 100 мкФ / 10 В,

) из спецификации 1976 года.

Стили алюминиевых и танталовых электролитических конденсаторов

Алюминиевые электролитические конденсаторы составляют основную часть электролитических конденсаторов, используемых в электронике, из-за большого разнообразия размеров и недорогое изготовление. Танталовые электролитические конденсаторы, обычно используемые в версии SMD, имеют более высокую удельную емкость, чем алюминиевые электролитические конденсаторы, и используются в устройствах с ограниченным пространством или плоской конструкции, таких как ноутбуки. Они также используются в военной технике, в основном в осевом стиле, герметично закрыты. Конденсаторы с ниобиевыми электролитическими микросхемами - это новая разработка на рынке, предназначенная для замены танталовых конденсаторов с электролитическими микросхемами.

История

Ранний небольшой электролитический конденсатор 1914 года. Его емкость составляла около 2 мкФ. Вид на анод «мокрого» алюминиевого электролитического конденсатора, Bell System Technique 1929

Происхождение

Явление, что в электрохимическом процессе алюминий и такие металлы, как тантал, ниобий, марганец, титан, цинк, кадмий и т. Д. Могут образовывать оксидный слой, который препятствует протеканию электрического тока в одном направлении, но позволяет току течь в противоположном направлении, впервые было обнаружено в 1857 году немецким физиком и химиком Иоганном Генрихом Баффом (1805–1878). Впервые он был использован в 1875 году французским исследователем и основателем Эженом Дюкрете, который ввел термин «вентильный металл» для таких металлов.

Чарльз Поллак (родился Кароль Поллак ), производитель аккумуляторов, обнаружил, что оксидный слой на алюминиевом аноде оставался стабильным в нейтральном или щелочном электролите, даже при переключении питания выкл. В 1896 году он подал патент на «Электрический жидкостный конденсатор с алюминиевыми электродами» (de: Elektrischer Flüssigkeitskondensator mit Aluminiumelektroden), основанный на его идее использования оксидного слоя в поляризованном конденсаторе в сочетании с нейтральным или слабощелочным электролитом.

«Мокрый» алюминиевый конденсатор

Различные формы исторических анодных структур для влажных конденсаторов. Для всех этих анодов внешний металлический контейнер служил катодом.

Первые промышленно реализованные электролитические конденсаторы состояли из металлической коробки, используемой в качестве катода. Он был заполнен электролитом боракс, растворенным в воде, в который была вставлена ​​сложенная алюминиевая анодная пластина. При приложении постоянного напряжения извне на поверхности анода формировался оксидный слой. Преимущество этих конденсаторов состояло в том, что они были значительно меньше и дешевле, чем все другие конденсаторы в то время, по сравнению с реализованным значением емкости. Эта конструкция с различными стилями конструкции анода, но с корпусом в качестве катода и резервуаром для электролита использовалась до 1930-х годов и называлась «мокрым» электролитическим конденсатором в том смысле, что в нем было много воды.

Первое более распространенное применение влажных алюминиевых электролитических конденсаторов было на больших телефонных станциях для уменьшения (шума) в источнике питания постоянного тока на 48 вольт. Развитие бытовых радиоприемников, работающих на переменном токе, в конце 1920-х годов создало спрос на конденсаторы большой емкости (для того времени) и высоковольтные конденсаторы для технологии лампового усилителя, обычно не менее 4 мкФ и рассчитанные на около 500 вольт постоянного тока. Были доступны вощеная бумага и промасленный шелк пленочные конденсаторы, но устройства с таким порядком емкости и номинального напряжения были громоздкими и непомерно дорогими.

«Сухой» алюминиевый конденсатор

«Сухой» электролитический конденсатор на 100 мкФ и 150 В

предок современного электролитического конденсатора был запатентован Самуэлем Рубеном в 1925 году, который объединился с Филипом Мэллори, основателем компании по производству аккумуляторов, которая теперь известна как Duracell International. Идея Рубена заимствовала многослойную конструкцию конденсатора серебряной слюды. Он ввел отдельную вторую фольгу для контакта с электролитом рядом с анодной фольгой вместо того, чтобы использовать заполненный электролитом контейнер в качестве катода конденсатора. Уложенная стопкой вторая фольга получила свой собственный вывод, дополнительный к анодному выводу, и контейнер больше не имел электрической функции. Этот тип электролитического конденсатора в сочетании с жидким или гелеобразным электролитом неводной природы, который, следовательно, является сухим в смысле очень низкого содержания воды, стал известен как «сухой» тип электролитического конденсатора.

С изобретением Рубена, вместе с изобретением намотанной фольги, разделенной бумажным разделителем, 1927 г. А. Эккелем из Hydra-Werke (Германия), началась фактическая разработка электронных крышек.

William Dubilier, чей первый патент на электролитические конденсаторы был подан в 1928 году, индустриализировал новые идеи электролитических конденсаторов и начал первое крупное коммерческое производство в 1931 году на фабрике Cornell-Dubilier (CD) в Плейнфилде, штат Нью-Джерси. В то же время в Берлине, Германия, компания "Hydra-Werke", входящая в состав AEG, начала массовое производство электронных крышек. Другой производитель, Ральф Д. Мершон, преуспел в удовлетворении спроса на радиорынке на электролитические конденсаторы.

Миниатюризация алюминиевых электролитических конденсаторов с 1960 по 2005 год в корпусе 10x16 мм с точностью до десяти

В своем патенте 1896 г. Поллак уже признал, что емкость конденсатора увеличивается при придании шероховатости поверхности анодной фольги. Сегодня (2014 г.) электрохимически вытравленная низковольтная фольга может увеличить площадь поверхности до 200 раз по сравнению с гладкой поверхностью. Достижения в процессе травления являются причиной уменьшения размеров алюминиевых электролитических конденсаторов за последние десятилетия.

Для алюминиевых электролитических конденсаторов десятилетия с 1970 по 1990 годы были отмечены разработкой различных новых профессиональных серий, специально подходящих для определенных промышленных приложений, например, с очень низкими токами утечки или с долговечными характеристиками, или для более высоких температур. до 125 ° C.

Танталовые конденсаторы

Один из первых танталовых электролитических конденсаторов был разработан в 1930 году компанией Tansitor Electronic Inc. USA для военных целей. Была принята основная конструкция ячейки с намоткой, и танталовая анодная фольга использовалась вместе с танталовой катодной фольгой, разделенной бумажной прокладкой, пропитанной жидким электролитом, в основном серной кислотой, и заключенной в серебряный корпус.

Соответствующая разработка танталовых конденсаторов с твердым электролитом началась через несколько лет после того, как Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Хаузер Браттейн изобрели транзистор в 1947 году. Он был изобретен Bell Laboratories в начале 1950-х годов как миниатюрный, более надежный низковольтный вспомогательный конденсатор в дополнение к их недавно изобретенному транзистору. Решение, найденное Р. Л. Тейлором и Х. Э. Харингом в Bell Labs в начале 1950 г., было основано на опыте работы с керамикой. Они измельчали ​​тантал до порошка, который прессовали в цилиндрическую форму, а затем спекали при высокой температуре от 1500 до 2000 ° C в условиях вакуума, чтобы получить таблетку («заготовку»).

В этих первых спеченных танталовых конденсаторах использовался нетвердый электролит, что не соответствует концепции твердой электроники. В 1952 году DA McLean и FS Power провели целенаправленный поиск твердого электролита в Bell Labs, который привел к изобретению диоксида марганца в качестве твердого электролита для спеченного танталового конденсатора.

Хотя фундаментальные изобретения были сделаны Bell Labs, изобретения для производства коммерчески жизнеспособных танталовых электролитических конденсаторов исходили от исследователей из Sprague Electric Company., Директор по исследованиям Спрэга, считается настоящим изобретателем танталовых конденсаторов в 1954 году. Его изобретение было поддержано Р. Дж. Миллардом, который в 1955 году представил этап «реформы», значительное улучшение, при котором диэлектрик конденсатора был восстановлен после каждый цикл «погружение и преобразование» при осаждении MnO 2, что резко снижает ток утечки готовых конденсаторов.

Хотя твердотельные танталовые конденсаторы предлагали конденсаторы с более низкими значениями ESR и тока утечки, чем алюминиевые электронные колпачки, скачок цен на тантал в 1980 году резко сократил применение Ta-e-колпачков, особенно в индустрии развлечений. Промышленность вернулась к использованию алюминиевых электролитических конденсаторов.

Твердые электролиты

Проводимость нетвердых и твердых электролитов

Первый твердый электролит из диоксида марганца, разработанный в 1952 году для танталовых конденсаторов, имел проводимость в 10 раз лучше, чем все другие типы нетвердых электролитов. Это также повлияло на разработку алюминиевых электролитических конденсаторов. В 1964 году на рынке появились первые алюминиевые электролитические конденсаторы с твердым электролитом SAL, электролитический конденсатор, разработанный Philips.

. С началом цифровизации Intel выпустила в 1971 году свой первый микрокомпьютер MCS 4, а в 1972 году Hewlett Packard выпустила один из первых карманных калькуляторов HP 35. Требования к конденсаторам повысились с точки зрения снижения эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) для байпасных и развязывающих конденсаторов. Электролит типа диоксида марганца должен быть лучше.

Только в 1983 году компания Sanyo сделала новый шаг в направлении снижения ESR, выпустив алюминиевые электролитические конденсаторы «OS-CON ». В этих конденсаторах используется твердый органический проводник, соль с переносом заряда TTF-TCNQ (тетрацианохинодиметан ), которая обеспечивает улучшение проводимости в 10 раз по сравнению с электролитом из диоксида марганца.

Следующим шагом в уменьшении ESR была разработка проводящих полимеров Аланом Дж. Хигером, Аланом МакДиармидом и Хидеки Ширакавой в 1975 году. проводимость проводящих полимеров, таких как полипиррол (PPy) или PEDOT, лучше, чем у TCNQ, в 100-500 раз и близка к проводимости металлов.

В 1991 году компания Panasonic вышла на рынок со своей «SP-Cap», называемой полимерно-алюминиевыми электролитическими конденсаторами. Эти алюминиевые электролитические конденсаторы с полимерными электролитами достигли очень низких значений ESR, напрямую сопоставимых с керамическими многослойными конденсаторами (MLCC). Они по-прежнему были дешевле, чем танталовые конденсаторы, и благодаря своей плоской конструкции для ноутбуков и сотовых телефонов также конкурировали с танталовыми конденсаторами.

Танталовые электролитические конденсаторы с катодом из полимерного электролита PPy последовали три года спустя. В 1993 году NEC представила свои полимерные танталовые электролитические конденсаторы SMD, получившие название NeoCap. В 1997 году компания Sanyo выпустила полимерную танталовую стружку POSCAP.

Новый токопроводящий полимер для танталовых полимерных конденсаторов был представлен компанией Kemet на конференции "1999 Carts". В этом конденсаторе используется недавно разработанный органический проводящий полимер PEDT Poly (3,4-этилендиокситиофен), также известный как PEDOT (торговое название Baytron®)

Ниобиевые конденсаторы

Еще один взрыв цен на тантал в 2000 году. / 2001 год вынудил разработать ниобиевые электролитические конденсаторы с электролитом из диоксида марганца, которые доступны с 2002 года. Ниобий является родственным металлу тантала и служит вентильным металлом, образующим оксидный слой во время анодного окисления. Ниобий в качестве сырья в природе гораздо более распространен, чем тантал, и стоит дешевле. Речь шла о доступности основного металла в конце 1960-х годов, что привело к разработке и внедрению ниобиевых электролитических конденсаторов в бывшем Советском Союзе вместо танталовых конденсаторов, как на Западе. Материалы и процессы, используемые для производства ниобиевых диэлектрических конденсаторов, по существу такие же, как и для существующих танталовых диэлектрических конденсаторов. Характеристики ниобиевых электролитических конденсаторов и танталовых электролитических конденсаторов примерно сопоставимы.

Электролиты на водной основе

С целью снижения ESR для недорогих нетвердых электронных крышек середины 1980-х годов в Японии, разработаны новые электролиты на водной основе для алюминиевых электролитических конденсаторов. Вода недорогая, эффективный растворитель электролитов и значительно улучшает проводимость электролита. The Japanese manufacturer Rubycon was a leader in the development of new water-based electrolyte systems with enhanced conductivity in the late 1990s. The new series of non-solid e-caps with water-based electrolyte was described in the data sheets as having "low-ESR", "low-impedance", "ultra-low-impedance" or "high-ripple current".

A stolen recipe for such a water-based electrolyte, in which important stabilizing substances were absent, led in the years 1999 through at least 2010 to the widespread problem of "bad caps" (failing electrolytic capacitors), leaking or occasionally bursting in computers, power supplies, and other electronic equipment, which became known as the "capacitor plague ". In these e-caps the water reacts quite aggressively with aluminum, accompanied by strong heat and gas development in the capacitor, resulting in premature equipment failure—and development of a cottage repair industry.[21]

Electrical ch характеристики

Последовательная эквивалентная схема

Последовательная эквивалентная схема электролитического конденсатора

Электрические характеристики конденсаторов согласованы с международной общей спецификацией IEC 60384-1. В этом стандарте электрические характеристики конденсаторов описываются идеализированной последовательной эквивалентной схемой с электрическими компонентами, которые моделируют все омические потери, емкостные и индуктивные параметры электролитического конденсатора:

Емкость, стандартные значения и допуски

Типичная емкость как функция частоты Типичная емкость как функция температуры

Электрические характеристики электролитических конденсаторов зависят от конструкции анода и используемого электролита. Это влияет на значение емкости электролитических конденсаторов, которое зависит от частоты измерения и температуры. Электролитические конденсаторы с нетвердыми электролитами демонстрируют более широкую аберрацию в частотном и температурном диапазонах, чем конденсаторы с твердыми электролитами.

Базовой единицей емкости электролитического конденсатора является микрофарад (мкФ). Значение емкости, указанное в технических паспортах производителей, называется номинальной емкостью C R или номинальной емкостью C N и является значением, на которое рассчитан конденсатор.

Стандартным условием измерения для электронных крышек является метод измерения переменного тока с напряжением 0,5 В, частотой 100/120 Гц и температурой 20 ° C. Для танталовых конденсаторов во время измерения может применяться постоянное напряжение смещения от 1,1 до 1,5 В для типов с номинальным напряжением ≤2,5 В или от 2,1 до 2,5 В для типов с номинальным напряжением>2,5 В, чтобы избежать обратного напряжения.

Значение емкости, измеренное на частоте 1 кГц, примерно на 10% меньше значения 100/120 Гц. Следовательно, значения емкости электролитических конденсаторов нельзя напрямую сравнивать и отличаются от значений емкости пленочных конденсаторов или керамических конденсаторов, емкость которых измеряется на частоте 1 кГц или выше.

Измеренное методом измерения переменного тока с частотой 100/120 Гц значение емкости является ближайшим значением к электрическому заряду, хранящемуся в электронных крышках. Накопленный заряд измеряется специальным методом разряда и называется емкостью постоянного тока. Емкость постоянного тока примерно на 10% выше, чем емкость переменного тока 100/120 Гц. Емкость постоянного тока представляет интерес для разрядных приложений, таких как фотовспышка.

. Процент допустимого отклонения измеренной емкости от номинального значения называется допуском емкости. Электролитические Доступны конденсаторы с различными сериями допусков, значения которых указаны в серии E, входят в IEC 60063. Для сокращенной маркировки в ограниченном пространстве буквенного кода каждого допуска указан в IEC 60062.

  • номинальная емкость, серия E3, буквенный код «M»
  • номинальная емкость, серия E6, допуск ± 20%, буквенный код «M»
  • номинальная емкость, серия E12, допуск ± 10%, буквенный код "K"

Требуемый допуск определяется конкретным применением. Электролитические конденсаторы, которые часто используются для фильтрации и обхода, не используются в узких допусках, потому что они в основном используются для точных частотных приложений, как в генераторах.

Номинальное напряжение и категория напряжения

Соотношение между номинальным напряжением и категорией и номинальной температурой и категорией

В соответствии со стандартом IEC / EN 60384-1 допустимое рабочее напряжение для электролитических конденсаторов называется «номинальным напряжением U. Номинальное напряжение U N. R "или" номинальное напряжение U R - это максимальное напряжение постоянного тока или пиковое импульсное напряжение, может использовать непрерывно при любой температуре в пределах номинального значения Для некоторых приложений используется более высокий температурный диапазон. Снижение напряжения, подаваемое при более высокой температуре, запас прочности, поэтому для некоторых типов конденсаторов стандарт МЭК определяет «напряжение пониженного давления». Категория напряжения - это максимальное напряжение постоянного тока или пиковое импульсное напряжение »для более высокой температуры,« напряжение категории U C ». Категория напряжения - это максимальное напряжение постоянного тока или пиковое импульсное напряжение, которое может непрерывно подаваться на конденсатор при любой температуре в диапазоне температур категории T C. Соотношение между напряжениями и температура показана на рисунке справа.

Приложение более высокого напряжения, чем указано, может привести к повреждению электролитических конденсаторов.

Применение более низкого напряжения может иметь положительное влияние на электролитические конденсаторы. Для алюминиевых электролитических конденсаторов более низкое приложенное напряжение может в некоторых случаях продлить срок службы. Для танталовых электролитических конденсаторов снижение приложенного напряжения повышает надежность и снижает ожидаемую интенсивность отказов. I

Импульсное напряжение

Импульсное напряжение максимальное пиковое значение, которое может быть приложено к электролитическому конденсатору во время их работы в ограниченном числе циклов. Перенапряжение стандартизировано в IEC / EN 60384-1. Для алюминиевых электролитических конденсаторов с номинальным напряжением до 315 В импульсное напряжение в 1,15 раза больше номинального напряжения, а для конденсаторов с номинальным напряжением более 315 В импульсное напряжение в 1,10 раза больше номинального напряжения.

Для танталовых электролитических конденсаторов импульсное напряжение может в 1,3 раза номинальное напряжение, округленное до ближайшего вольта. Импульсное напряжение, приложенное к танталовым конденсаторам, может влиять на интенсивность отказов конденсатора.

Переходное напряжение

Алюминиевые электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом относительно нечувствительны к высокому и кратковременным переходным напряжением, превышающим импульс напряжением, если частота и энергоемкость переходных процессов низкие. Эта способность зависит от номинального напряжения и размера компонентов. Переходные напряжения малой энергии приводят к ограничению напряжения, аналогичному стабилитрону. Однозначное и общее определение допустимых переходных процессов или пиковых напряжений невозможно. В каждом случае переходных процессов приложение должно быть очень тщательно проверено.

Электролитические конденсаторы с твердым оксидом марганца или полимерным электролитом, а также алюминиевые, а также танталовые электролитические конденсаторы не могут выдерживать переходные процессы или пиковые напряжения, превышающие импульсное напряжение. Переходные процессы для этого типа электронных крышек могут разрушить компоненты.

Обратное напряжение

Втулочный алюминиевый электролитический конденсатор на печатной плате Электролитический конденсатор, взорвавшийся через вентиляционное отверстие наверху, внутренний диэлектрический материал, который был вытеснен.

Стандартные электролитические конденсаторы и алюминиевые, а также танталовые и ниобиевые электролитические конденсаторы поляризованы и обычно требуют, чтобы напряжение анодного электрода было положительным по отношению к напряжению на катоде.

Тем не менее, электролитические менее конденсаторы могут выдерживать кратковременное напряжение в течение ограниченного числа циклов. В частности, алюминиевые электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом могут выдерживать обратное напряжение от 1 В до 1,5 В. Это обратное номинальное номинальное напряжение, инстинктивное положение.

Твердотельные танталовые конденсаторы также могут выдерживать обратное напряжение в течение коротких периодов времени. Наиболее распространенные рекомендации для обратного напряжения тантала:

  • 10% от номинального напряжения максимум до 1 В при 25 ° C,
  • 3% от номинального напряжения максимум до 0,5 В при 85 ° C,
  • от 1% номинального напряжения до максимума 0,1 В при 125 ° C.

Эти рекомендации для кратковременного напряжения никогда не должны быть установлены для определения обратного напряжения, при котором можно использовать конденсатор

Но ни в коем случае для алюминиевых, а также для танталовых и ниобиевых электролитических конденсаторов обратное напряжение нельзя использовать для постоянного переменного тока.

Чтобы свести к минимуму вероятность того, что поляризованный электролит будет неправильно вставлен в цепь, полярность должна быть очень четко указана на корпусе, см. Раздел маркировка полярности ниже.

Доступны специальные биполярные алюминиевые электролитические конденсаторы, предназначенные для биполярной работы и обычно называемые «неполяризованными» или «биполярными» типами. В нихаторы имеют две анодные фольги с оксидными слоями полной толщины, соединенными с обратной полярностью. На чередующихся половинах циклов переменного тока один из оксидов на фольге действует как блокирующий диэлектрик, не позволяя обратному току повредить электролит другой. Эти биполярные электролитические конденсаторы не могут быть адаптированы для основных приложений переменного тока вместо силовых конденсаторов с металлизированной полимерной или бумажным диэлектриком.

Импеданс

Упрощенная схема последовательного за ущерб конденсатора для более высоких частот (см. Выше); Как диаграмма с электрическими реактивными сопротивлениями X ESL и X C и сопротивление ESR и для иллюстрации импедансом Z и коэффициентом рассеяния tan δ

В общем, конденсатор рассматривается как накопительный компонент на электрическую энергию. Но это только одна функция конденсатора. Конденсатор также может действовать как резистор AC . В частности, алюминиевые электролитические конденсаторы многих приложенийх используются как развязывающие конденсаторы для фильтрации или обхода нежелательных смещенных частот переменного тока на землю или для емкостной связи звуковых сигналов переменного тока. Тогда диэлектрик используется только для блокировки постоянного тока. Для таких сопротивлений переменному току, импеданс так же важны, как и значение емкости.

Типичные кривые импеданса для различных значений емкости в зависимости от частоты. Чем выше емкость, тем ниже резонансная частота.

Импеданс Z представляет собой векторную сумму реактивного сопротивления и сопротивления ; он имеет разность фаз и амплитуды между синусоидально изменяющимся напряжением и синусоидально изменяющимся током на заданной частоте. В этом смысле импеданс мерой способности конденсатора пропускать переменные токи и балерина как законопроект Ома.

Z = u ^ ı ^ = U e f f I e f f. {\ displaystyle Z = {\ frac {\ hat {u}} {\ hat {\ imath}}} = {\ frac {U _ {\ mathrm {eff}}} {I _ {\ mathrm {eff}}} }. }Z = {\ frac {{\ hat u}} {{\ hat \ imath}}} = {\ frac {U _ {{\ mathrm {eff}}}} {I _ {{\ mathrm {eff}}}}}.

Другими, импеданс является частотно-зависимым сопротивлением переменному току и имеет как словами, так и фазу на стандартном частотном.

Технические характеристиких электролитических конденсаторов только величина импеданса | Z | указывается и пишется просто как "Z". Что касается стандарта IEC / EN 60384-1, значения импеданса электролитических конденсаторов измеряются и указываются при частоте 10 кГц или 100 кГц в зависимости от емкости и напряжения конденсатора.

Измерение, импеданс может быть рассчитан с использованием идеальных компонентов эквивалентной цепи последовательного конденсатора, включая идеальный конденсатор C, резистор ESR и индуктивность ESL. В этом случае импеданс на угловой частоте ω определяется геометрическим (сложным) сложением ESR, емкостным реактивным сопротивлением X C

XC = - 1 ω C {\ displaystyle X_ {C} = - {\ frac {1} {\ omega C}} }X_ {C} = - {\ frac {1} {\ omega C}}

и индуктивным реактивным сопротивлением X L(Индуктивностью )

XL = ω LESL {\ displaystyle X_ {L} = \ omega L _ {\ mathrm {ESL}}}X_ {L} = \ omega L _ {{{\ mathrm {ESL}}}} .

Тогда Z задается как

Z = ESR 2 + (XC + (- XL)) 2 {\ displaystyle Z = {\ sqrt {{ESR} ^ {2} + (X _ {\ mathrm {C}} + (-X _ {\ mathrm { L}})) ^ {2}}}Z = {\ sqrt {{ ESR} ^ {2} + (X _ {{\ mathrm {C}}} + (- X _ {{\ mathrm {L}}})) ^ {2}}} .

В частном случае резонанса, в котором оба реактивных сопротивления X C и X L имеют одинаковое значение (X C=XL), тогда импеданс будет определяться только по ESR. С частотами выше резонанса импеданс снова увеличивается из-за ESL конденсатора. Конденсатор становится индуктивностью.

ESR и коэффициент рассеяния tan δ

Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) суммирует все резистивные конденсаторы. Это оконное сопротивление, контактное сопротивление электрического электрода, линейное сопротивление электродов, сопротивление электролита и диэлектрические потери в диэлектрическом оксидном слое.

Для электролитических конденсаторов обычно ESR увеличивается с частотой и температуры.

ESR влияет на наложенную пульсацию переменного тока за сглаживанием и может влиять на функциональность схемы. Что касается конденсатора, ESR учитывает внутреннее тепловыделение, если через конденсатор протекает ток пульсации. Этот внутренний нагреватель сокращает срок службы нетвердых алюминиевых электролитических конденсаторов или влияет на надежность твердотельных танталовых электролитических конденсаторов.

Для электролитических конденсаторов по исторической прочности рассеяния tan δ иногда указывается в соответствующих паспортах вместо ESR. Коэффициент рассеяния определяет тангенсом фазового угла между емкостным реактивным сопротивлением X C минус индуктивное реактивное сопротивление X L и ESR. Если индуктивность ESL мала, коэффициент рассеяния можно рассчитать как:

tan ⁡ δ = ESR ⋅ ω C {\ displaystyle \ tan \ delta = {\ t_dv {ESR}} \ cdot \ omega C}\ tan \ delta = {\ t_dv {ESR}} \ cdot \ omega C

Коэффициент рассеяния используется для конденсаторов с очень низкими схемами определения частот, где обратное значение коэффициента рассеяния называется добротностью (Q), которая представляет полосу резонатора.

. Ток пульсаций

Высокие пульсации тока через сглаживающий конденсатор C1 в источнике питания с полуволновым выпрямлением значительно внутреннее тепловыделение, соответствующее ESR конденсатора

. «Ток пульсаций» - это RMS значение наложенного переменного тока любой частоты и любой формы тока для непрерывной работы в указанном диапазоне температур. Он возникает в основном в источнике питания (включая импульсные источники питания ) после выпрямления переменного напряжения и протекает в виде тока заряда и разряда через развязывающий или сглаживающий конденсатор.

Пульсирующие токи выделяют тепло внутри корпуса конденсатора. Эта потеря пульсации мощности рассеяния P L вызвана ESR и представляет собой эффективное (RMS) сопротивление тока I R.

PL = IR 2 ⋅ ESR {\ displaystyle P_ {L} = I_ {R} ^ {2} \ cdot ESR}P _ {{L} } = I_ {R} ^ {2} \ cdot ESR

Это внутреннее тепло, как температура окружающей среды, возможно, другим источникам тепла, приводит к температуре корпуса конденсатора, имеющей разницу температур Δ T по сравнению с окружающей средой. Это должно распределяться в виде тепловых потерь P -го на поверхности A конденсатора и теплового сопротивления β окружающей среды.

P th = Δ T ⋅ A ⋅ β {\ displaystyle P_ {th} = \ Delta T \ cdot A \ cdot \ beta}P _ {th}} = \ Delta T \ cdot A \ cdot \ beta

Тепло, генерируемое внутри, должно передаваться в среду посредством теплового излучения, конвекция и теплопроводность. Температура конденсатора, которая представляет собой чистый баланс между произведенным и распределяемым теплом, не превышает максимальную заданную температуру конденсатора.

Ток пульсаций определяется как эффективное (среднеквадратичное) значение при 100 или 120 Гц или при 10 кГц при температуре более высокой категории. Несинусоидальные пульсирующие токи должны быть проанализированы и разделены на их одиночные синусоидальные частоты с помощью анализа Фурье и суммированы путем сложения единичных токов в квадрате.

ИК = я 1 2 + я 2 2 + я 3 2 + в 2 {\ displaystyle I_ {R} = {\ sqrt {{i_ {1}} ^ {2} + {i_ {2}} ^ { 2} + {i_ {3}} ^ {2} + {i_ {n}} ^ {2}}}}{\ displaystyle I_ {R} = {\ sqrt {{i_ {1}} ^ {2} + {i_ {2}} ^ {2} + {i_ {3}} ^ {2} + {i_ {n}} ^ {2}}}}

В нетвердых электролитических конденсаторов тепло, выделяемое пульсирующим током, вызывающее испарение электролитов, сокращенный срок службы конденсаторов. Превышение предела может привести к взрывному отказу.

В твердотельных танталовых электролитических конденсаторах с электролитом из диоксида марганца тепло, выделяемое током пульсаций, влияет на надежность конденсаторов. Превышение предела может привести к катастрофическим отказам с короткими замыканиями и возгоранием компонентов.

Тепло выделяемое пульсирующим током, также влияет на срок службы алюминиевых и танталовых электролитических конденсаторов с твердыми полимерными электролитами. Превышение предела может привести к катастрофическим отказам коротких компонентов.

Скачок тока, пиковый или импульсный ток

Алюминиевые электролитические конденсаторы с нетвердыми электролитами обычно можно заряжать до номинального напряжения без каких-либо скачков тока, пикового или импульсного ограничения. Это свойство является результатом ограничения напряжения подвижности в жидком электролите, которое замедляет линейное изменение на дирике, а также ESR конденсатора. Только частота пиков, интегрированная во времени, не превышает максимального ток пульсаций.

Твердые танталовые электролитические конденсаторы с электролитом из диоксида марганца или полимерным электролитом повреждаются пиковыми или импульсными токами. Твердотельные танталовые конденсаторы, которые подвергают воздействию импульсных, пиковых или импульсных токов, например, в высокоиндуктивных цепях, следует использовать со снижением напряжения. Если возможно, профиль напряжения должен быть плавным включением, поскольку это снижает пиковый ток, испытываемый конденсатором.

Ток утечки

общие характеристики утечки электролитических конденсаторов: ток утечки Я утечка {\ displaystyle I_ {утечка}}{\ displaystyle I_ {leak}} как функция времени t {\ displaystyle t}t в зависимости от типа электролита нетвердый, с высоким содержанием воды нетвердый, органический твердый полимерный

Для электролитических конденсаторов постоянный ток утечки (DCL) - это особая характеристика, которой нет у других обычных конденсаторов. Этот ток представлен резистором R leak, включенным параллельно конденсатору в эквивалентной схеме последовательного соединения электролитических конденсаторов.

Причины тока утечки различны для электролитических конденсаторов с нетвердым и с твердым электролитом или более распространены для «влажного» алюминия и для «твердых» танталовых электролитических конденсаторов с электролитом из диоксида марганца, а также для электролитических конденсаторов. с полимерными электролитами. Для нетвердых алюминиевых электролитических конденсаторов ток утечки включает в себя все ослабленные дефекты диэлектрика, вызванные нежелательными химическими процессами, происходящими в течение времени без приложения напряжения (время хранения) между рабочими циклами. Эти нежелательные химические процессы зависят от типа электролита. Электролиты с содержанием воды или электролиты на водной основе более агрессивны по отношению к слою оксида алюминия, чем электролиты на основе органических жидкостей. Вот почему разные серии электролитических конденсаторов указывают разное время хранения без инструкций по преобразованию.

Приложение положительного напряжения к «влажному» конденсатору вызывает процесс преобразования (самовосстановления), который восстанавливает все ослабленные диэлектрические слои и утечку ток остается на низком уровне.

Хотя ток утечки нетвердых электронных конденсаторов выше, чем ток утечки через сопротивление изоляции в керамических или пленочных конденсаторах, саморазряд современных нетвердых электролитических конденсаторов с органических электролитов требуется несколько недель.

Основные причины DCL для твердотельных танталовых конденсаторов включают электрический пробой диэлектрика, проводящие пути из-за примесей или плохого анодирования, обход диэлектрика из-за избытка диоксида марганца, пути влажности или катодные проводники (углерод, Серебряный). Этот «нормальный» ток утечки в конденсаторах с твердым электролитом нельзя уменьшить «заживлением», потому что в нормальных условиях твердые электролиты не могут обеспечить кислород для процессов образования. Это утверждение не следует путать с процессом самовосстановления во время полевой кристаллизации, см. Ниже «Надежность (частота отказов)».

Спецификация тока утечки в технических паспортах часто дается путем умножения значения номинальной емкости C R на значение номинального напряжения U R вместе с дополнительная цифра, измеренная после 2 или 5 минут измерения, например:

IL eak = 0, 01 AV ⋅ F ⋅ UR ⋅ CR + 3 μ A {\ displaystyle I _ {\ mathrm {Leak}} = 0 {,} 01 \, \ mathrm {{A} \ over {V \ cdot F}} \ cdot U _ {\ mathrm {R}} \ cdot C _ {\ mathrm {R}} +3 \, \ mathrm {\ mu A}}I _ {{\ mathrm {Leak}}} = 0 {,} 01 \, {\ mathrm {{A} \ over {V \ cdot F }}} \ cdot U _ {{\ mathrm R}} \ cdot C _ {{\ mathrm R}} + 3 \, {\ mathrm {\ mu A}}

Значение тока утечки зависит от приложенного напряжения, температуры конденсатора и времени измерения. Ток утечки в твердотельных электролитических конденсаторах из MnO 2 обычно падает намного быстрее, чем в нетвердых электролитических конденсаторах, но остается на достигнутом уровне.

Диэлектрическое поглощение (пропитывание)

Диэлектрическое поглощение происходит, когда конденсатор, который оставался заряженным в течение долгого времени, разряжается только частично при кратковременной разрядке. Хотя идеальный конденсатор после разряда достигнет нуля вольт, реальные конденсаторы вырабатывают небольшое напряжение из-за дипольного разряда с задержкой по времени, явление, которое также называется диэлектрическая релаксация, «впитывание» или «действие батареи».

Значения диэлектрической абсорбции для некоторых часто используемых конденсаторов
Тип конденсатораДиэлектрическая абсорбция
Танталовые электролитические конденсаторы с твердым электролитомот 2 до 3%, 10%
Алюминиевый электролитический конденсатор с нетвердым электролитомот 10 до 15%

Диэлектрическое поглощение может быть проблемой в цепях, где очень малые токи используются в функции электронной схемы, например, длинные- постоянная времени интеграторы или схемы выборки и хранения. В большинстве применений электролитических конденсаторов, поддерживающих линии питания, диэлектрическое поглощение не является проблемой.

Но особенно для электролитических конденсаторов с высоким номинальным напряжением напряжение на выводах, создаваемое диэлектрическим поглощением, может представлять угрозу безопасности персонала или цепей. Для предотвращения ударов большинство очень больших конденсаторов поставляются с закорачивающими проводами, которые необходимо удалить перед использованием конденсаторов.

Рабочие характеристики

Надежность (интенсивность отказов)

Кривая ванны со временами «ранних отказов», «случайных отказов» и отказов из-за износа ». Время случайных отказов - это время постоянной интенсивности отказов и соответствует сроку службы нетвердых электронных крышек.

надежность компонента - это свойство, которое указывает, насколько надежно этот компонент выполняет свои функция во временном интервале. Он подчиняется случайному процессу и может быть описан качественно и количественно; его нельзя измерить напрямую. Надежность электролитических конденсаторов определяется эмпирически путем определения интенсивности отказов в процессе производства, сопровождающего испытания на выносливость, см. Техника надежности.

Надежность обычно отображается в виде ванны. кривая и разделена на три области: ранние отказы или отказы младенческой смертности, постоянные случайные отказы и отказы из-за износа. Отказы, суммируемые параметры отказов, включая короткое замыкание, обрыв цепи и отказы из-за плохих характеристик (превышение электрических параметров).

Прогноз надежности обычно выражается в частоте отказов λ, сокращенно FIT (Failures In Ttime]. Это количество отказов, которое можно ожидать за один миллиард (10) компонентно-часов работы (например, 1000 компонентов за 1 миллион часов или 1 миллион компонентов за 1000 часов, что составляет 1 ppm / 1000 часов) при фиксированных рабочих условиях. в период постоянных случайных отказов. Эта модель интенсивности отказов неявно предполагает идею «случайного отказа». Отдельные компоненты выходят из строя случайно, но с предсказуемой скоростью.

Миллиарды тестируемых конденсаторных единиц-часов потребуются для установления интенсивности отказов в диапазоне очень низких уровней, которые требуются сегодня для обеспечения производства большого количества компонентов без сбоев. Для этого требуется около миллиона единиц в течение длительного периода времени, что означает большой штат и значительное финансирование. Проверенные коэффициенты отказов часто дополняются цифрами, полученными в результате обратной связи от крупных пользователей о неисправных компонентах (частота отказов на месте), что в большинстве случаев приводит к более низкому уровню отказов, чем протестировано.

Обратным значением FIT является Среднее время наработки на отказ (MTBF).

Стандартные рабочие условия для интенсивности отказов FIT: 40 ° C и 0,5 U R. Для других условий приложенного напряжения, токовой нагрузки, температуры, значения емкости, сопротивления цепи (для танталовых конденсаторов), механических воздействий и влажности значение FIT можно пересчитать с коэффициентами ускорения, стандартизованными для промышленных или военных контекстов. Например, чем выше температура и приложенное напряжение, тем выше частота отказов.

Наиболее часто цитируемым источником для пересчета интенсивности отказов является MIL-HDBK-217F, «библия» расчетов интенсивности отказов для электронных компонентов. SQC Online, онлайн-статистический калькулятор для приемочного отбора проб и контроля качества, предоставляет онлайн-инструмент для краткого анализа для расчета заданных значений интенсивности отказов для данных условий применения.

Некоторые производители могут иметь свои собственные таблицы расчета FIT для танталовых конденсаторов. или для алюминиевых конденсаторов

Для танталовых конденсаторов интенсивность отказов часто указывается в основном при 85 ° C и номинальном напряжении U R в качестве стандартных условий и выражается в процентах отказавших компонентов на тысячу часов (n % / 1000 ч). То есть «n» количество отказавших компонентов за 10 часов, или в FIT десятиитысячное значение за 10 часов.

Танталовые конденсаторы сейчас очень надежные компоненты. Постоянное совершенствование танталового порошка и конденсаторных технологий привело к значительному уменьшению количества примесей, которые ранее вызывали большинство сбоев при полевой кристаллизации. Коммерчески доступные промышленно производимые танталовые конденсаторы теперь в качестве стандартных продуктов достигли уровня высокого стандарта MIL "C", который составляет 0,01% / 1000 ч при 85 ° C и U R или 1 отказ в 10 часов при 85 °. C и U R. Пересчитанный в FIT с коэффициентами ускорения, полученными из MIL HDKB 217F при 40 ° C и 0,5, U R представляет собой интенсивность отказов. Для танталового чипового конденсатора 100 мкФ / 25 В с последовательным сопротивлением 0,1 Ом частота отказов составляет 0,02 FIT.

Алюминиевые электролитические конденсаторы не используют спецификации в «% на 1000 ч при 85 ° C и U R ». Они используют спецификацию FIT при 40 ° C и 0,5 U R в качестве нормальных условий. Алюминиевые электролитические конденсаторы - очень надежные компоненты. Опубликованные цифры показывают, что для типов низкого напряжения (6,3… 160 В) значения FIT находятся в диапазоне от 1 до 20 FIT, а для типов высокого напряжения (>160… 550 В) значения FIT в диапазоне от 20 до 200 FIT. Частота отказов алюминиевых электронных колпачков находится в диапазоне от 0,5 до 20 FIT.

Опубликованные цифры показывают, что оба типа конденсаторов, танталовые и алюминиевые, являются надежными компонентами, сопоставимыми с другими электронными компонентами и обеспечивающими безопасную работу десятилетиями при нормальных условиях. Но большая разница существует в случае отказов из-за износа. Танталовые конденсаторы с твердым электролитом не имеют механизма износа, поэтому постоянная интенсивность отказов минимальна, вплоть до выхода из строя всех конденсаторов. Электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом, однако, имеют ограниченное время постоянных случайных отказов до того момента, когда начинаются отказы из-за износа. Это время постоянной интенсивности случайных отказов соответствует сроку службы или сроку службы «мокрых» алюминиевых электролитических конденсаторов.

Срок службы

Электрические характеристики алюминиевых электролитических конденсаторов с нетвердым электролитом со временем меняются из-за испарения электролита. При достижении заданных пределов электрических параметров время постоянной интенсивности отказов заканчивается и это конец срока службы конденсатора. График демонстрирует это поведение при испытании на долговечность в течение 2000 часов при 105 ° C.

срок службы, срок службы, срок службы или срок службы электролитических конденсаторов является особой характеристикой нетвердые алюминиевые электролитические конденсаторы, жидкий электролит которых со временем может испаряться. Понижение уровня электролита влияет на электрические параметры конденсаторов. Емкость уменьшается, а сопротивление и ESR увеличиваются с уменьшением количества электролита. Это очень медленное высыхание электролита зависит от температуры, приложенной нагрузки пульсаций тока и приложенного напряжения. Чем ниже эти параметры по сравнению с их максимальными значениями, тем больше «срок службы» конденсатора. Точка «окончания срока службы» определяется появлением отказов из-за износа или деградационных отказов, когда емкость, импеданс, ESR или ток утечки превышают указанные пределы изменения.

Срок службы является характеристикой набора испытанных конденсаторов и обеспечивает ожидаемое поведение аналогичных типов. Это определение срока службы соответствует времени постоянной интенсивности случайных отказов на кривой ванны.

Но даже после превышения указанных пределов и достижения конденсаторов «конца срока службы» электронная схема не находится в непосредственной опасности; снижается только функциональность конденсаторов. При сегодняшнем высоком уровне чистоты при производстве электролитических конденсаторов не следует ожидать коротких замыканий после истечения срока службы с проверенным испарением в сравнении с параметрами производительности.

Срок службы нетвердых алюминиевых электролитических конденсаторов указывается в «часах на температуру», например «2000 ч / 105 ° C». В этой спецификации срок службы в рабочих условиях можно оценить по специальным формулам. или графики, указанные в технических паспортах серьезных производителей. Они используют разные способы для спецификации, некоторые дают специальные формулы, другие указывают расчет срока службы электронных колпачков с графиками, которые учитывают влияние приложенного напряжения. Основной принцип расчета времени в рабочих условиях это так называемое «правило 10 градусов».

Это правило также известно как правило Аррениуса. Оно характеризует изменение скорости термической реакции. На каждые 10 ° C более низкой температуры испарение уменьшается вдвое. Это означает, что на каждые 10 ° C более низкой температуры срок службы конденсаторов увеличивается вдвое. Если срок службы электролитического конденсатора составляет, например, 2000 ч / 105 ° C, срок службы конденсатора при 45 ° C может быть "рассчитанным »Как 128 000 часов, то есть примерно 15 лет, с использованием правила 10 градусов.

Однако твердые полимерные электролитические конденсаторы, алюминиевые, а также танталовые и ниобиевые электролитические конденсаторы также имеют срок службы. Полимерный электролит имеет небольшое ухудшение проводимости, вызванное механизмом термического разложения проводящего полимера. Электропроводность снижается как функция времени, что соответствует структуре типа гранулированного металла, в которой старение происходит из-за усадки зерен проводящего полимера. Срок службы полимерных электролитических конденсаторов определяется аналогично нетвердым электронным конденсаторам, но расчет срока службы осуществляется по другим правилам, что приводит к гораздо более длительному сроку эксплуатации.

Танталовые электролитические конденсаторы с т вердым электролитом из диоксида марганца не имеют отказов из-за износа, поэтому они не имеют срока службы в смысле нетвердых алюминиевых электролитических конденсаторов. Кроме того, танталовые конденсаторы с нетвердым электролитом, «влажные танталы», не имеют спецификации срока службы, поскольку они герметичны и испарение электролита сводится к минимуму.

Режимы отказа, механизм самовосстановления и правила применения

Многие разные типы электролитических конденсаторов показывают различия в долгосрочном электрическом поведении, присущих им режимах отказа и их механизме самовосстановления. Правила применения для типов с внутренним режимом отказа указаны для обеспечения конденсаторов высокой надежности и длительного срока службы.

Тип. электролитических конденсаторов
Долгосрочные. электрические характеристикиРежимы отказа <162.

Механизм самовосстановления и правила применения типов электролитических конденсаторов

>
Самовосстановление. механизмПрименение. правила
Алюминиевые электролитические конденсаторы,. нетвердый электролитВысыхание со временем,. емкость уменьшается,. ESR увеличиваетсянет уникального. определяемогоНовый образовавшийся оксид (формирование). при приложении напряженияСрок службы. Расчет
Алюминиевые электролитические конденсаторы,. твердый полимерный электролитУхудшение проводимости,. увеличение СОЭнет уникальных. определяемыйИзоляция повреждений. в диэлектрике. путем окисления или испарения. полимерного электролитаРасчет службы срока.
Танталовые электролитические конденсаторы,. твердый MnO 2 электролитСтабильныйКристаллизация в поле.Термоиндуцированная изоляция. дефектов в диэлектрике. путем окисления электролита MnO 2. в изолирующий MnO 2O3., если доступный ток ограниченСнижение напряжения на 50%. Посольное сопротивление 3 Ом / В.
Танталовые электролитические конденсаторы,. твердый полимерный электролитУхудшение проводимости,. увеличение СОЭПолевая кристаллизация.Изоляция дефектов. в диэлектрике путем окисления или испарения. полимерного электролитаСнижение напряжения на 20%.
Ниобиевые электролитические конденсаторы,. твердые MnO 2 электролитСтабильныйнет уникального. определяемогоТермоиндуцированная изоляция дефектов. в диэлектрике. окислением Nb 2O5. на изолирующий NbO 2ниобиевый анод:. снижение нап рентация на 50%. анод из оксида ниобия:. снижение напряжения на 20%.
ниобиевые электролитические конденсаторы,. твердый полимерный электролитУхудшение проводимости,. ESR увеличиваетсянет уникального. определяемогоИзоляция дефектов. в диэлектрике. окислением или испарением. полимерного электролитаНиобиевый анод:. снижение напряжения на 50%. Анод из оксида ниобия:. снижение напряжения на 20%.
Гибридные алюминиевые электролитические конденсаторы,. твердый полимер + нетвердый электролитУхудшение проводимости,. высыхание с течением времени,. емкость уменьшается,. ESR увеличиваетсянет уникального. определяемогоНовый образовавшийся оксид (образование). путем подачи напряженияСрок службы. расчет

Характеристики после хранения

Все электролитические конденсаторы «состарены» в процессе производства за счет подачи номинального напряжения при высоких t нагрейте в течение достаточного времени, чтобы устранить все трещины и слабые места, которые могли возникнуть во время производства. Однако особая проблема с моделями из нетвердого алюминия может возникнуть после периодов хранения или отсутствия питания. Химические процессы (коррозия) могут ослабить оксидный слой, что может привести к более высокому току утечки. Большинство современных электролитических систем химически инертны и не вызывают проблем с коррозией даже после хранения в течение двух и более лет. Нетвердые электролитические конденсаторы, использующие в качестве электролита органические растворители, такие как GBL, не имеют проблем с высоким током утечки после длительного хранения. Их можно без проблем хранить до 10 лет.

Время хранения можно проверить с помощью ускоренного тестирования срока годности, которое требует хранения без приложенного напряжения при температуре более высокой категории в течение определенного периода, обычно 1000 часов. Этот тест на срок хранения является хорошим индикатором химической стабильности и оксидного слоя, потому что все химические реакции ускоряются при более высоких температурах. Почти все коммерческие серии нетвердых электролитических конденсаторов проходят испытание на срок хранения 1000 часов. Однако многие серии рассчитаны только на двухлетний срок хранения. Это также обеспечивает постоянную паяемость клемм.

Для старинного радиооборудования или электролитических конденсаторов, построенных в 1970-х годах или ранее, может быть уместным «предварительное кондиционирование». Для этого к конденсатору прикладывают номинальное напряжение через последовательное сопротивление примерно 1 кОм в течение одного часа. Подача напряжения через защитный резистор восстанавливает оксидный слой за счет самовосстановления. Конденсаторы, которые не соответствуют требованиям по току утечки после предварительной подготовки, могли иметь механическое повреждение.

Электролитические конденсаторы с твердыми электролитами не требуют предварительных условий.

Дополнительная информация

Символы конденсатора

Символы электролитического конденсатора

Параллельное соединение

Электролитические конденсаторы меньшего или низкого напряжения можно подключать параллельно без каких-либо мер безопасности. Конденсаторы больших размеров, особенно больших размеров и высокого напряжения, должны быть индивидуально защищены от внезапного энергетического заряда всей конденсаторной батареи из-за неисправного образца.

Последовательное соединение

Некоторым приложениям, таким как преобразователи переменного / переменного тока с промежуточным звеном для регулирования частоты в трехфазных сетях, требуются более высокие напряжения алюминия Обычно предлагают электролитические конденсаторы. Для таких приложений электролитические конденсаторы могут быть подключены последовательно для повышения устойчивости к напряжению. Во время зарядки Напряжение на каждом из последовательно соединенных конденсаторов пропорционально обратной величине тока утечки отдельного конденсатора. Каждый конденсатор немного отличается индивидуальным током утечки, конденсаторы с высоким током утечки имеют меньшее напряжение. Баланс напряжений на соединенных конденсаторах не симметричен. Для стабилизации напряжения на каждом отдельном конденсаторе должен быть обеспечен пассивный или активный баланс.

Маркировка полярности

Маркировка полярности для полимерных электролитических конденсаторов

Polymer-Quader-Polarität.jpg V- Chip.jpg
Полимерные конденсаторы прямоугольной формы,. также танталовые как и алюминий,. имеют маркировку полярности. на анодной стороне (плюс ).

Цилиндрические полимерные конденсаторы. имеют маркировку полярности. на катоде (минус ) сторона

Отпечатанная маркировка

На электролитических конденсаторах, как и на других электронных компонентах, есть отпечатанная метка, если доступно достаточно места. Для обозначения производителя, типа, электрических и тепловых характеристик и даты изготовления. Если они достаточно большие, конденсатор устанавливается

  • название или марки торговой маркой производителя;
  • обозначением типа производителя;
  • полярностью клемм (для поляризованных конденсаторов)
  • номинальной емкости;
  • допуск на номинальную емкость
  • номинальное напряжение и характер питания (переменный или постоянный ток)
  • климатическая категория или номинальная температура;
  • год и месяц (или неделя) изготовления;
  • сертификационные знаки стандартов безопасности (для предохранительных конденсаторов, подавляющих электромагнитные / радиопомехи)

Поляризованные конденсаторы имеют маркировку полярности, обычно знак «-» (минус) на стороне отрицательного электрод для электролитических конденсаторов либо полоса, либо знак « + »(Плюс). Кроме того, отрицательный провод у свинцовых «мокрых» электронных крышек обычно короче.

Конденсаторы меньшего размера используют сокращенное обозначение. Наиболее часто используется: XYZ J / K / M «V», где XYZ представляет собой емкость (рассчитанную как XY × 10 пФ), буквы K или M обозначают допуск (± 10% и ± 20% соответственно) и «V» представляет собой напряжение рабочее.

Примеры:

  • 105K 330V подразумевает емкость 10 × 10 пФ = 1 мкФ (K = ± 10%) с номинальным напряжением 330 В.
  • 476M 100V подразумевает емкость 47 × 10 пФ = 47 мкФ (M = ± 20%) при номинальном напряжении 100 В.

Емкость, допуск и дата изготовления могут быть указаны с помощью короткого кода, в IEC / EN 60062. Примеры коротких -маркировка номинальной емкости (микрофарады): µ47 = 0,47 мкФ, 4µ7 = 4,7 мкФ, 47µ = 47 мкФ

Дата изготовления часто печатается в соответствии с стандартами.

  • Версия 1: кодирование числовым кодом года / недели, «1208» - это «2012, номер недели 8».
  • Версия 2: кодирование кодом года / месяца. Коды года: «R» = 2003, «S» = 2004, «T» = 2005, «U» = 2006, «V» = 2007, «W» = 2008, «X» = 2009, «A». = 2010, «B» = 2011, «C» = 2012, «D» = 2013, «E» = 2014 и т. Д. Коды месяцев: от «1» до «9» = с января по сентябрь, «O» = Октябрь, «N» = ноябрь, «D» = декабрь. «X5» означает «май 2009»

Для очень маленьких конденсаторов маркировка невозможна. Здесь только отслеживание производителей может идентификацию типа.

Стандартизация

Стандартизация всех электрических, электронных компонентов и соответствующих технологий соответствует правилам, установленным Международной электротехнической комиссией (IEC), некоммерческая, неправительственная международная организация по стандартизации.

Определение условий и процедур методов испытаний для конденсаторов для использования в электронном оборудовании изложены в Общей спецификации :

  • IEC / EN 60384-1 - Конденсаторы постоянной емкости для использования в электронном оборудовании

Испытания и требования, соответствующие алюминиевым и танталовым электролитическим конденсаторам для использования в электронном оборудовании. Оборудование для утверждения в стандартизованного типа приведено в следующих разделах :

  • IEC / EN 60384-3 - Танталовые электролитические конденсаторы для поверхностного монтажа с твердым электролитом из диоксида марганца
  • IEC / EN 60384-4 —Алюминиевые электролитические конденсаторы с твердым (MnO 2) и нетвердым электролитом. yte
  • IEC / EN 60384-15 - фиксированные танталовые конденсаторы с нетвердым и твердым электролитом
  • IEC / EN 60384-18 - фиксированные алюминиевые электролитические конденсаторы для поверхностного монтажа с твердым (MnO 2) и нетвердый электролит
  • IEC / EN 60384-24 - фиксированные танталовые электролитические конденсаторы для поверхностного монтажа с токопроводящим полимерным твердым электролитом
  • IEC / EN 60384-25 - фиксированный поверхностный монтаж алюминиевые электролитические конденсаторы с проводящим полимерным твердым электролитом
  • общего
  • IEC / EN 60384-26 - Фиксированные алюминиевые электролитические конденсаторы с проводящим полимерным твердым электролитом

Рынок

Рынок электролитических конденсаторов в 2008 году составлял примерно 30% от рынка по стоимости

  • Алюминиевые электролитические конденсаторы - 3,9 млрд долларов США (22%);
  • Танталовые электролитические конденсаторы - 2,2 млрд долларов США (12%);

Эти конденсаторы в количестве штук покрывают около 10% всего рынка конденсаторов, или от 100 до 120 миллиардов штук.

Производители и продукция

Производственные предприятия по всему миру электролитические конденсаторы и их продуктовая программа
ПроизводительАлюминиевые. электролитические конденсаторыТантал. электролитические конденсаторыНиобиевые. электролитические. конденсаторы
SMD. РадиальныеPower. SI, STПолимерные. SMD. РадиальныйПолимер. ГибридSMD. MnO2SMD. ПолимерМокрый. электролитSMD. MnO 2. Полимер
AVX ----XXXX
CapXon XXXX----
CDE Cornell Dubilier XXXXXX--
Capacitor Industries -X------
Chinsan, (Elite) XXX-----
Daewoo, (Partsnic) XX------
Elna XXX-----
Группа Exxelia -X--XX--
Фролит XX------
Hitachi -X------
Hitano XXX-X---
Itelcond -X------
Jackcon XX------
Цзянхай XXX-----
Kaimei Electronic Corp, (Jamicon) XX------
KEMET XXX-XXX-
Лелон XXX-----
MAN YUE, (Samxon) XX------
NEC Tokin ----X-X-
Nippon Chemi-Con XXXX----
NIC XXXXX-X-
Nichicon XXX-----
Panasonic, Matsushita XXXX--X-
Richey XX------
ROHM ----X-X-
Rubycon XXX-----
Samwha XXX-----
SUN Electronic Industry X--X----
TDK EPCOS XX------
Teapo (Luxon) XXX-----
Vishay XXX-XXXX
Yageo XXX-----

Дата таблицы: март 2015

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

  • Электролитический конденсатор; 1-е изд; Александр Георгиев; Книги Мюррея Хилла; 191 страница; 1945. (archive)
Последняя правка сделана 2021-05-18 11:29:41
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru