Электролитический конденсатор

Наиболее распространенные стили алюминиевых и танталовых электролитических конденсаторов

Ассортимент электролитических конденсаторов

Эта статья дублирует объем других статей , в частности, Алюминиевый электролитический конденсатор . Пожалуйста , обсудить этот вопрос на странице обсуждения и редактировать его в соответствии с Википедии Руководство стиля . ( Май 2020 г. )

Электролитический конденсатор является поляризованным конденсатором которого анод или положительной пластина изготовлена из металла , который образует изолирующий оксидный слой через анодирование . 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 их очень тонкой диэлектрической оксидного слоя и увеличенной поверхности анода, электролитические конденсаторы имеют гораздо более высокую емкость - напряжение (CV) продукта на единицу объема , чем керамические конденсаторы илипленочные 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 передачи или обхода низкочастотных сигналов, а также для хранения большого количества энергии. Они широко используются для развязки или фильтрации шума в источниках питания и цепях звена постоянного тока для приводов с переменной частотой , для связи сигналов между каскадами усилителей и хранения энергии, как в лампах-вспышках .

Электролитические конденсаторы представляют собой поляризованные компоненты из-за их асимметричной конструкции и должны постоянно 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.

Общая информация [ править ]

Генеалогическое древо электролитических конденсаторов [ править ]

Что касается основных принципов конструкции электролитических конденсаторов, существует три различных типа: алюминиевые, танталовые и ниобиевые конденсаторы. 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.

Принцип начисления [ править ]

Как и другие обычные конденсаторы, электролитические конденсаторы статически накапливают электрическую энергию за счет разделения зарядов 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 ионно-проводящее соединение между двумя электродами, а накопление происходит за счет статической двухслойной емкости и электрохимической псевдоемкости .

Основные материалы и конструкция [ править ]

В электролитических конденсаторах используются химические свойства 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. В алюминиевых электролитических конденсаторах используется травленая алюминиевая фольга высокой чистоты с оксидом алюминия в качестве диэлектрика.
2. Танталовые электролитические конденсаторы используют спеченные гранулы ( «пробковую») высокочистого танталовый порошок с пятиокисью тантала в качестве диэлектрика
3. В ниобиевых электролитических конденсаторах используется спеченная «порция» порошка ниобия или оксида ниобия высокой чистоты с пентоксидом ниобия в качестве диэлектрика.

Чтобы увеличить их емкость на единицу объема, все анодные материалы протравливаются или спекаются 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:

После образования диэлектрического оксида 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, обладающей ионной проводимостью, обусловленной движущимися ионами, нетвердые электролиты легко подходят для грубых структур. Твердые электролиты , которые имеют электронную проводимость могут поместиться грубые структуры с помощью специальных химических процессов , как пиролиз для диоксида марганца или полимеризации для проведения полимеров.

Сравнивая диэлектрические проницаемости различных оксидных материалов, видно, что пятиокись тантала имеет диэлектрическую проницаемость примерно в три раза выше, чем оксид алюминия. Следовательно, 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 при изменении полярности приложенного напряжения.

Емкость и объемный КПД [ править ]

Электролитические конденсаторы основаны на принципе «пластинчатого конденсатора», емкость которого увеличивается с увеличением площади электрода A, более высокой диэлектрической проницаемости ε и более тонкого диэлектрика (d).

${\ Displaystyle C = \ varepsilon \ cdot {\ frac {A} {d}}}$

Диэлектрическая толщина электролитических конденсаторов очень мала, в пределах 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. ^{[5] [6] [7]} 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 обладают высокой объемной эффективностью , так называемым «продуктом CV», определяемым как произведение емкости и напряжения, разделенных на объем.

Основная конструкция нетвердых алюминиевых электролитических конденсаторов [ править ]

• Базовая конструкция нетвердого алюминиевого электролитического конденсатора
• Открытая намотка электронной крышки с несколькими соединенными фольгами

• Крупный план конструкции алюминиевого электролитического конденсатора с изображением анодной фольги конденсатора с оксидным слоем, бумажной прокладки, пропитанной электролитом, и катодной фольги

• Конструкция типичного несимметричного алюминиевого электролитического конденсатора с нетвердым электролитом

Основная конструкция твердотельных танталовых электролитических конденсаторов [ править ]

• Конструкция твердотельного танталового чип-конденсатора с электролитом из диоксида марганца.
• Конденсаторная ячейка танталового электролитического конденсатора состоит из спеченного танталового порошка.

• Схематическое изображение структуры спеченного танталового электролитического конденсатора с твердым электролитом и контактирующими с катодом слоями

• Конструкция типичного танталового электролитического чип-конденсатора SMD с твердым электролитом

Типы и особенности электролитических конденсаторов [ править ]

Сравнение типов электролитических конденсаторов [ править ]

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.

Нетвердые или так называемые «мокрые» алюминиевые электролитические конденсаторы были и остаются самыми дешевыми среди всех других обычных конденсаторов. 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, поскольку ниобий более доступен. Их свойства сопоставимы.

Электрические свойства алюминиевых, танталовых и ниобиевых электролитических конденсаторов были значительно улучшены полимерным электролитом.

Сравнение электрических параметров [ править ]

Чтобы сравнить различные характеристики разных типов электролитических конденсаторов, в следующей таблице сравниваются конденсаторы с одинаковыми размерами и одинаковой емкостью и напряжением. 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.

¹ ) Производитель, название серии, емкость / напряжение

² ) рассчитано для конденсатора 100 мкФ / 10 В,

³ ) из техпаспорта 1976 г.

Стили алюминиевых и танталовых электролитических конденсаторов [ править ]

Алюминиевые электролитические конденсаторы составляют основную часть электролитических конденсаторов, используемых в электронике, из-за большого разнообразия размеров и недорогого производства. 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 осевого типа, герметично закрыты. Конденсаторы с ниобиевыми электролитическими микросхемами - это новая разработка на рынке, предназначенная для замены танталовых конденсаторов с электролитическими микросхемами.

• Различные стили алюминиевых электролитических конденсаторов
• Алюминиевые электролитические микросхемы SMD "V" (вертикальные) микросхемы

• Алюминиевые электролитические конденсаторы осевого типа

• Радиальные или несимметричные алюминиевые электролитические конденсаторы

• Алюминиевый электролитический конденсатор с защелкивающимися выводами.

• Конденсаторы электролитические алюминиевые с винтовыми клеммами

• Различные стили танталовых электролитических конденсаторов
• Типичный танталовый конденсатор SMD

• Танталовые «жемчужные» конденсаторы с лакированным покрытием.

• Танталовые электролитические конденсаторы осевого типа

История [ править ]

Происхождение [ править ]

Явление, когда в электрохимическом процессе алюминий и такие металлы, как тантал , ниобий , марганец , титан , цинк , кадмий и т. Д., Могут образовывать оксидный слой, который блокирует прохождение электрического тока в одном направлении, но позволяет току течь в противоположное направление было впервые обнаружено в 1857 году немецким физиком и химиком Иоганном Генрихом Баффом (1805–1878). ^[8] Это был первый поставленный на использование в 1875 году французским исследователем и основателем Эжен Ducretet , ^[9] , который ввел термин «клапанный металл» для таких металлов.

Чарльз Поллак (урожденный Кароль Поллак ), производитель аккумуляторов, обнаружил, что оксидный слой на алюминиевом аноде оставался стабильным в нейтральном или щелочном электролите, даже когда питание было отключено. 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. ^{[10] [11]}

«Мокрый» алюминиевый конденсатор [ править ]

Первые промышленно реализованные электролитические конденсаторы состояли из металлической коробки, используемой в качестве катода. Он был заполнен борным электролитом, 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 мокрых алюминиевых электролитических конденсаторов было на крупных телефонных станциях для уменьшения хэш- шума (шума) реле в источнике питания постоянного тока на 48 вольт. Развитие бытовых радиоприемников, работающих на переменном токе, в конце 1920-х годов вызвало спрос на конденсаторы большой емкости (для того времени) и высоковольтные конденсаторы для ламповых усилителей , обычно не менее 4 мкФ и рассчитанные на напряжение около 500 вольт постоянного тока. Были доступны вощеная бумага и промасленные шелкопленочные конденсаторы , но устройства с таким порядком емкости и номинального напряжения были громоздкими и непомерно дорогими.

«Сухой» алюминиевый конденсатор [ править ]

Предок современного электролитического конденсатора был запатентован Сэмюэля Рубена в 1925 году ^{[12] [13]} , который объединился с Филиппом Мэллори , основателя батареи компании , которая в настоящее время известный как Duracell International . Идея Рубена приняла многослойную конструкцию конденсатора из 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 поэтому является сухим в том смысле, что имеет очень низкое содержание воды, стал известен как «сухой» тип электролитического конденсатора. ^[14]

С изобретением Рубена, вместе с изобретением раневой фольги, разделенной бумажной прокладкой, 1927 г. А. Эккелем из Hydra-Werke (Германия) ^[15] началась фактическая разработка электронных крышек. ^[14]

Уильям Дубилье , первый патент которого на электролитические конденсаторы был подан в 1928 году, ^[16] индустриализировал новые идеи электролитических конденсаторов и начал первое крупное коммерческое производство в 1931 году на фабрике Cornell-Dubilier (CD) в Плейнфилде, штат Нью-Джерси. ^[14] В то же время в Берлине, Германия, «Hydra-Werke», компания AEG , начала производство электронных крышек в больших количествах. Другой производитель, Ральф Д. Мершон , успешно удовлетворил спрос радиорынка на электролитические конденсаторы. ^[17]

В своем патенте 1896 года 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. ^{[5] [6]} 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 предназначенных для определенных промышленных применений, например, с очень низкими токами утечки или с долговечными характеристиками, или для более высоких температур до 125 ° C. ^{[18] [19]}

Танталовые конденсаторы [ править ]

Один из первых танталовых электролитических конденсаторов был разработан в 1930 году компанией Tansitor Electronic Inc. USA для военных целей. ^[20] Была принята основная конструкция ячейки с обмоткой, 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 качестве дополнения их недавно изобретенный транзистор. Решение, найденное Р.Л. Тейлором и Х.Э. Харингом в Bell Labs в начале 1950 года, 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»). ^[21][22]

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 в Bell Labs твердого электролита, который привел к изобретению диоксида марганца в качестве твердого электролита для спеченного танталового конденсатора. ^[23]

Хотя фундаментальные изобретения были сделаны Bell Labs, изобретения для производства коммерчески жизнеспособных танталовых электролитических конденсаторов были сделаны исследователями из Sprague Electric Company . Престон Робинсон , директор по исследованиям Спрэга, считается настоящим изобретателем танталовых конденсаторов в 1954 году. ^{[24] [25]} Его изобретение было поддержано Р. Дж. Миллардом, который в 1955 году представил этап «реформы», ^{[26] [27 ] ]} значительное улучшение, в котором диэлектрик конденсатора ремонтировался после каждого цикла осаждения MnO _{2 с} преобразованием и падением , что резко снизило 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. ^{[28] [29]} Промышленность вернулась к использованию алюминиевых электролитических конденсаторов.

Твердые электролиты [ править ]

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 , разработанные Philips . ^[30]

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. ^{[31] [32]} Требования к конденсаторам возросли с точки зрения снижения эквивалента. последовательное сопротивление (ESR) байпасных и развязывающих конденсаторов. ^[33] Электролит типа диоксида марганца должен быть лучше.

Он не был до 1983 года , когда новый шаг к снижению СОЭ было принято Sanyo с ее « OS-CON » алюминиевых электролитических конденсаторов. 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. ^{[34] [35] [36]}

Следующим шагом в снижении ЭПР было развитие проводящих полимеров по Alan J. Хигером , Алан Макдиармид и Хидэки Сиракава в 1975 г. ^[37] Электропроводность проводящих полимеров , таких как полипиррола (PPy) ^[38] или ПЭДОТ ^[39] лучше чем у TCNQ в 100-500 раз, и близок к проводимости металлов.

В 1991 году компания Panasonic вышла на рынок со своей «SP-Cap» ^[40], названной 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.

Три года спустя последовали танталовые электролитические конденсаторы с катодом из полимерного электролита PPy. 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". ^{[41] В} этом конденсаторе использован недавно разработанный органический проводящий полимер PEDT Poly (3,4-этилендиокситиофен), также известный как PEDOT (торговое название Baytron®) ^[42]

Конденсаторы ниобиевые [ править ]

Еще один взрыв цен на тантал в 2000/2001 году заставил разработать ниобиевые электролитические конденсаторы с электролитом из диоксида марганца, которые были доступны с 2002 года. ^{[43] [44]}Ниобий является сестринским металлом 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, 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. ^[45]

Электролиты на водной основе [ править ]

С целью снижения ESR для недорогих нетвердых электронных крышек с середины 1980-х годов в Японии были разработаны новые электролиты на водной основе для алюминиевых электролитических конденсаторов. Вода недорогая, эффективный растворитель электролитов и значительно улучшает проводимость электролита. Японский производитель Rubycon был лидером в разработке новых систем электролитов на водной основе с повышенной проводимостью в конце 1990-х годов. ^[46] Новая серия нетвердых электронных крышек с электролитом на водной основе была описана в технических характеристиках как имеющие «низкий ESR», «низкий импеданс», «сверхнизкий импеданс» или «высокую пульсацию». Текущий".

Украденный рецепт такого электролита на водной основе, в котором отсутствовали важные стабилизирующие вещества ^{[47] [48]} , ^[49], привел в период с 1999 по 2010 год к широко распространенной проблеме «плохих крышек» (выход из строя электролитических конденсаторов). ), протекающих или иногда взрывающихся в компьютерах, источниках питания и другом электронном оборудовании, что стало известно как « конденсаторная чума ». В этих электронных колпачках вода довольно агрессивно реагирует с алюминием, что сопровождается выделением сильного тепла и газа в конденсаторе, что приводит к преждевременному выходу оборудования из строя - и развитию индустрии домашнего ремонта. [21]

Электрические характеристики [ править ]

Последовательно-эквивалентная схема [ править ]

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:

• C , емкость конденсатора
• R _ESR , эквивалентное последовательное сопротивление, которое суммирует все омические потери конденсатора, обычно сокращенно «ESR».
• L _ESL , эквивалентная последовательная индуктивность, которая представляет собой эффективную самоиндукцию конденсатора, обычно сокращенно «ESL».
• R _утечка , сопротивление, представляющее ток утечки конденсатора

Емкость, стандартные значения и допуски [ править ]

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.

Основная единица емкости электролитического конденсатора - микрофарада (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.

Стандартные условия измерения для электронных крышек - это 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 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% больше, 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 конденсаторы доступны в различных сериях допусков, значения которых указаны в серии E, указанной в IEC 60063. Для сокращенной маркировки в ограниченном пространстве буквенный код для каждого допуска указан в IEC 60062.

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

Требуемый допуск емкости определяется конкретным применением. Электролитические конденсаторы, которые часто используются для фильтрации и обхода , не требуют узких допусков, потому что они в основном не используются для приложений с точной частотой, таких как генераторы .

Номинальное и категория напряжения [ править ]

В соответствии со стандартом IEC / EN 60384-1 допустимое рабочее напряжение для электролитических конденсаторов называется «номинальное напряжение U _R » или «номинальное напряжение U _N ». Номинальное напряжение U _R максимальное напряжение постоянного тока или пик импульса напряжения , которые могут быть применены непрерывно при любой температуре в пределах номинального диапазона температур Т _R .

Устойчивость к напряжению электролитических конденсаторов снижается с повышением температуры. Для некоторых приложений важно использовать более высокий температурный диапазон. Снижение напряжения, подаваемого при более высокой температуре, сохраняет запас прочности. Поэтому для некоторых типов конденсаторов стандарт МЭК определяет «температурное снижение напряжения» для более высокой температуры, «категорию напряжения U _C ». Напряжения категория максимальное напряжение постоянного тока или пик импульса напряжения , которые могут быть применены непрерывно конденсатора при любой температуре в пределах от температуры Т категории _С . Соотношение между напряжениями и температурами показано на рисунке справа.

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

Применение более низкого напряжения может положительно повлиять на электролитические конденсаторы. Для алюминиевых электролитических конденсаторов более низкое подаваемое напряжение в некоторых случаях может продлить срок службы. ^[5] Для танталовых электролитических конденсаторов снижение приложенного напряжения увеличивает надежность и снижает ожидаемую интенсивность отказов. ^[50] Я

Перенапряжение [ править ]

Пиковое напряжение указывает максимальное пиковое значение напряжения, которое может быть приложено к электролитическим конденсаторам во время их применения в течение ограниченного числа циклов. ^[5] 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 превышать номинальное напряжение, округленное до ближайшего вольта. Скачок напряжения, приложенный к танталовым конденсаторам, может повлиять на интенсивность отказов конденсатора. ^{[51] [52]}

Переходное напряжение [ править ]

Алюминиевые электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом относительно нечувствительны к высоким и кратковременным переходным напряжениям, превышающим импульсное напряжение, если частота и энергосодержание переходных процессов низкие. Эта способность зависит от номинального напряжения и размера компонентов. Переходные напряжения с низкой энергией приводят к ограничению напряжения, аналогичному стабилитрону . ^[53] Однозначное и общее определение допустимых переходных процессов или пиковых напряжений невозможно. В каждом случае возникновения переходных процессов приложение должно быть очень тщательно одобрено.

Электролитические конденсаторы с твердым оксидом марганца или полимерным электролитом, а также алюминиевые, а также танталовые электролитические конденсаторы не выдерживают переходных процессов или пикового напряжения, превышающего импульсное напряжение. Переходные процессы для этого типа электронных крышек могут повредить компоненты. ^{[51] [52]}

Обратное напряжение [ править ]

Стандартные электролитические конденсаторы, а также 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 конденсаторы могут выдерживать кратковременное обратное напряжение в течение ограниченного числа циклов. В частности, алюминиевые электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом могут выдерживать обратное напряжение от примерно 1 В до 1,5 В. Это обратное напряжение никогда не следует использовать для определения максимального обратного напряжения, при котором конденсатор может использоваться постоянно. ^{[54] [55] [56]}

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

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

Эти инструкции применимы для кратковременного отклонения и никогда не должны использоваться для определения максимального обратного напряжения, при котором конденсатор может использоваться постоянно. ^{[57] [58]}

Но ни в коем случае для алюминиевых, а также для танталовых и ниобиевых электролитических конденсаторов нельзя использовать обратное напряжение 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 о маркировке полярности ниже.

Доступны специальные биполярные алюминиевые электролитические конденсаторы, предназначенные для биполярной работы и обычно называемые «неполяризованными» или «биполярными» типами. В них конденсаторы 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 другого. Но эти биполярные электролитические конденсаторы не могут быть адаптированы для основных приложений переменного тока вместо силовых конденсаторов с металлизированной полимерной пленкой или бумажным диэлектриком.

Импеданс [ править ]

В общем, конденсатор рассматривается как компонент хранения электроэнергии. Но это только одна функция конденсатора. Конденсатор также может действовать как резистор переменного тока . В частности, алюминиевые электролитические конденсаторы во многих приложениях используются в качестве развязывающих конденсаторов 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 приложений сопротивление переменному току , импеданс , так же важны, как и значение емкости.

Импеданс Z - это векторная сумма реактивного сопротивления и сопротивления ; он описывает разность фаз и соотношение амплитуд между синусоидально изменяющимся напряжением и синусоидально изменяющимся током на заданной частоте. В этом смысле импеданс является мерой способности конденсатора пропускать переменные токи и может использоваться как закон Ома.

${\ displaystyle Z = {\ frac {\ hat {u}} {\ hat {\ imath}}} = {\ frac {U _ {\ mathrm {eff}}} {I _ {\ mathrm {eff}}}}. }$

Другими словами, импеданс является частотно-зависимым сопротивлением переменному току и имеет как величину, так и фазу на определенной частоте.

В технических данных 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 10 кГц или 100 кГц в зависимости от емкости и напряжения конденсатора.

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

${\ displaystyle X_ {C} = - {\ frac {1} {\ omega C}}}$

и индуктивным сопротивлением X _L ( индуктивность )

${\ Displaystyle X_ {L} = \ omega L _ {\ mathrm {ESL}}}$.

Тогда Z задается формулой

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

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

ESR и коэффициент рассеяния tan δ [ править ]

• Типичные кривые импеданса и ESR в зависимости от частоты и температуры
• Типичный импеданс и ESR как функция частоты

• Типичный импеданс как функция температуры

Сопротивление эквивалентное последовательное ( СОЭ ) суммирует все резистивные потери конденсатора. Это оконечные сопротивления, контактное сопротивление контакта электрода, линейное сопротивление электродов, сопротивление электролита и диэлектрические потери в диэлектрическом оксидном слое. ^[59]

Для электролитических конденсаторов обычно ESR уменьшается с повышением частоты и температуры. ^[60]

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

Для электролитических конденсаторов по историческим причинам коэффициент рассеяния tan δ иногда указывается в соответствующих технических паспортах вместо ESR . Коэффициент рассеяния определяется тангенсом фазового угла между емкостным реактивным сопротивлением X _C минус индуктивное реактивное сопротивление X _L и ESR . Если индуктивность ESL мала, коэффициент рассеяния можно приблизительно рассчитать как:

${\ displaystyle \ tan \ delta = {\ mbox {ESR}} \ cdot \ omega C}$

Коэффициент рассеяния используется для конденсаторов с очень низкими потерями в схемах, определяющих частоту, где обратная величина коэффициента рассеяния называется добротностью (Q), которая представляет ширину полосы резонатора .

Пульсация тока [ править ]

«Пульсирующий ток» - это среднеквадратичное значение наложенного переменного тока любой частоты и любой формы кривой тока для непрерывной работы в указанном диапазоне температур. Он возникает в основном в источниках питания (включая импульсные источники питания ) после выпрямления переменного напряжения и протекает как ток заряда и разряда через развязывающий или сглаживающий конденсатор.

Пульсации токов генерируют тепло внутри корпуса конденсатора. Эта потеря мощности диссипации Р _л обусловлена СОЭ и является квадратом значения эффективного (RMS) пульсации тока I _R .

${\ displaystyle P_ {L} = I_ {R} ^ {2} \ cdot ESR}$

Это внутренне генерируемое тепло в дополнение к температуре окружающей среды и, возможно, другим внешним источникам тепла, приводит к температуре корпуса конденсатора, имеющей разницу температур Δ T по сравнению с окружающей средой. Это тепло должно распределяться в виде тепловых потерь P _th по поверхности конденсатора A и теплового сопротивления β окружающей среде.

${\ Displaystyle P_ {th} = \ Delta T \ cdot A \ cdot \ beta}$

Тепло, генерируемое внутри, должно распространяться в окружающую среду за счет теплового излучения , конвекции и теплопроводности . Температура конденсатора, которая представляет собой чистый баланс между производимым и распределенным теплом, не должна превышать максимально заданную температуру конденсатора.

Ток пульсаций определяется как эффективное (RMS) значение при 100 или 120 Гц или 10 кГц при температуре более высокой категории. Несинусоидальные пульсирующие токи должны быть проанализированы и разделены на их единичные синусоидальные частоты с помощью анализа Фурье и суммированы путем сложения единичных токов в квадрате. ^[61]

${\displaystyle I_{R}={\sqrt {{i_{1}}^{2}+{i_{2}}^{2}+{i_{3}}^{2}+{i_{n}}^{2}}}}$

В нетвердых электролитических конденсаторах тепло, генерируемое пульсирующим током, вызывает испарение электролитов, сокращая срок службы конденсаторов. ^{[62] [63] [64] [65] [66]} Превышение лимита может привести к взрывному разрушению.

В твердотельных танталовых электролитических конденсаторах с электролитом из диоксида марганца тепло, выделяемое током пульсаций, влияет на надежность конденсаторов. ^{[67] [68] [69] [70]} 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. ^[71] Превышение предела может привести к катастрофическим отказам с короткими компонентами.

Бросок тока, пиковый или импульсный ток [ править ]

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 ограниченной подвижности ионов в жидком электролите, которая замедляет линейное изменение напряжения на диэлектрике, а также ESR конденсатора. Только частота пиков, интегрированная во времени, не должна превышать максимальный указанный ток пульсаций.

Твердотанталовые электролитические конденсаторы с электролитом из диоксида марганца или полимерным электролитом повреждаются пиковыми или импульсными токами. ^{[51] [52]} Твердотельные танталовые конденсаторы, которые подвергаются 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 [ править ]

общие характеристики утечки электролитических конденсаторов: ток утечки как функция времени в зависимости от типа электролита${\displaystyle I_{leak}}$${\displaystyle t}$

  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 _{утечкой} резистора R параллельно конденсатору в схеме последовательного замещения электролитических конденсаторов.

Причины утечки тока 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.^[72]

Подача положительного напряжения на «мокрый» конденсатор вызывает процесс восстановления (самовосстановления), который восстанавливает все ослабленные диэлектрические слои, а ток утечки остается на низком уровне. ^[73]

Хотя ток утечки нетвердых электролитических конденсаторов выше, чем ток утечки через сопротивление изоляции керамических или пленочных конденсаторов, саморазряд современных нетвердых электролитических конденсаторов с органическими электролитами занимает несколько недель.

Основные причины DCL для твердотельных танталовых конденсаторов включают электрический пробой диэлектрика, токопроводящие дорожки из-за примесей или плохого анодирования, обход диэлектрика из-за избытка диоксида марганца, пути влаги или катодные проводники (углерод, серебро). ^[74] Этот «нормальный» ток утечки в конденсаторах с твердым электролитом не может быть уменьшен «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 дополнительным значением, измеренным после времени измерения 2 или 5 минут, например:

${\displaystyle I_{\mathrm {Leak} }=0{,}01\,\mathrm {{A} \over {V\cdot F}} \cdot U_{\mathrm {R} }\cdot C_{\mathrm {R} }+3\,\mathrm {\mu A} }$

Значение тока утечки зависит от приложенного напряжения, температуры конденсатора и времени измерения. Ток утечки в твердотельных электролитических конденсаторах из MnO _2, как правило, падает намного быстрее, чем в нетвердых электролитических конденсаторах, но остается на достигнутом уровне.

Диэлектрическое поглощение (пропитывание) [ править ]

Диэлектрическое поглощение происходит, когда конденсатор, который оставался заряженным в течение долгого времени, разряжается только частично при кратковременном разряде. Хотя идеальный конденсатор достигнет нуля вольт после разряда, реальные конденсаторы вырабатывают небольшое напряжение из-за дипольного разряда с задержкой по времени, явление, которое также называется диэлектрической релаксацией , «выдержкой» или «действием батареи».

Диэлектрическое поглощение может быть проблемой в схемах, в которых в работе электронных схем используются очень малые токи, таких как интеграторы с длительной постоянной времени или схемы выборки и хранения . ^[78] В большинстве применений электролитических конденсаторов, поддерживающих линии электропитания, диэлектрическое поглощение не является проблемой.

Но особенно для электролитических конденсаторов с высоким номинальным напряжением напряжение на выводах, создаваемое диэлектрической абсорбцией, может представлять угрозу безопасности персонала или цепей. Для предотвращения ударов большинство очень больших конденсаторов поставляются с закорачивающими проводами, которые необходимо удалить перед использованием конденсаторов. ^[79]

Эксплуатационные характеристики [ править ]

Надежность (частота отказов) [ править ]

Надежность компонента является свойство , которое указывает на то, насколько надежно этот компонент выполняет свою функцию в интервале времени. Он подвержен стохастическому процессу и может быть описан качественно и количественно; его нельзя измерить напрямую. Надежность электролитических конденсаторов определяется эмпирически путем определения интенсивности отказов при производстве, сопровождающих испытания на долговечность , см. Инженерия надежности .

Надежность обычно отображается в виде кривой ванны и делится на три области: ранние отказы или отказы младенческой смертности, постоянные случайные отказы и отказы из-за износа. Отказы, суммируемые в интенсивности отказов, включают короткое замыкание, обрыв цепи и отказы из-за ухудшения характеристик (превышение электрических параметров).

Надежность предсказания , как правило , выражается в интенсивность отказов X, сокращенно ПРИГОНКА ( Р ailures я п Т IME]. Это число отказов , которые можно ожидать в один миллиард (10 ⁹ ) компонента-часов работы (например, 1000 компонентов на 1 миллион часов или 1 миллион компонентов на 1000 часов, что составляет 1 ppm / 1000 часов) при фиксированных рабочих условиях в течение периода постоянных случайных отказов. Эта модель интенсивности отказов неявно предполагает идею «случайного отказа». Отдельные компоненты выходят из строя при случайное время, но с предсказуемой скоростью.

Потребовались бы миллиарды проверенных конденсаторных единиц-часов, чтобы установить интенсивность 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. ^[80] Проверенные коэффициенты отказов часто дополняются цифрами, полученными в результате обратной связи с местами от крупных пользователей относительно отказавших компонентов (частота отказов на местах), что в большинстве случаев приводит к более низкому уровню отказов, чем протестированные.

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

Стандартные рабочие условия для FIT интенсивность отказов составляет 40 ° С и 0,5 Ед _R . Для других условий приложенного напряжения, токовой нагрузки, температуры, значения емкости, сопротивления цепи (для танталовых конденсаторов), механических воздействий и влажности значение FIT может быть пересчитано с коэффициентами ускорения, стандартизованными для промышленного ^[81] или военного ^[82] 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, он-лайн статистический калькулятор для приемочной выборки и контроля качества, предоставляет онлайн-инструмент для краткой проверки для расчета заданных значений интенсивности отказов для заданных условий применения. ^[83]

Некоторые производители могут иметь свои собственные таблицы расчета FIT для танталовых конденсаторов. ^{[84] [85]} или для алюминиевых конденсаторов ^[86]

Для танталовых конденсаторов интенсивность отказов часто указывается 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 ⁵ часов, или в FIT десятиитысячное значение за 10 ⁹ часов.

Танталовые конденсаторы сейчас очень надежные компоненты. Непрерывное совершенствование танталового порошка и конденсаторных технологий привело к значительному снижению количества примесей, которые ранее вызывали большинство сбоев в полевой кристаллизации. Коммерчески доступные промышленно производимые танталовые конденсаторы теперь достигли в качестве стандартных продуктов высокого стандарта MIL «C» уровень, который составляет 0,01% / 1000 ч при 85 ° С и U _R или 1 неудачу на 10 ⁷ часов при 85 ° С и U _R . ^[87] Пересчитанный в FIT с коэффициентами ускорения, полученными из MIL HDKB 217F при 40 ° C и 0,5, U _R - частота 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 спецификацию в "% на 1000 ч при 85 ° C и U _R ". Они используют спецификацию FIT при 40 ° C и 0,5 U _{R в} качестве стандартных. 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 ^[88], а для типов высокого напряжения (> 160… 550 В) значения FIT - в диапазоне от 20 до 200 FIT. ^[86] Частота отказов алюминиевых электронных колпачков находится в диапазоне от 0,5 до 20 FIT. ^{[86] [88] [89]}

Опубликованные цифры показывают, что оба типа конденсаторов, танталовые и алюминиевые, являются надежными компонентами, сравнимыми с другими электронными компонентами и обеспечивающими безопасную работу в течение десятилетий в 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 [ править ]

Срок службы , срок службы, срок службы нагрузки или срок службы электролитических конденсаторов - это особая характеристика нетвердых алюминиевых электролитических конденсаторов, 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 конденсаторами «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 постепенным испарением в сочетании с ухудшением параметров.

Срок службы нетвердых алюминиевых электролитических конденсаторов указывается в «часах на температуру», например, «2000 ч / 105 ° C». С этой спецификацией срок службы в рабочих условиях можно оценить с помощью специальных формул или графиков, указанных в данных. листы серьезных производителей. Они используют разные способы спецификации, некоторые дают специальные формулы, ^{[90] [91]} другие указывают расчет срока службы электронных колпачков с графиками, которые учитывают влияние приложенного напряжения. ^{[88] [92] [93] [94]} Основным принципом расчета времени в рабочих условиях является так называемое «правило 10 градусов». ^{[95] [96] [97]}

Это правило также известно как правило Аррениуса . Он 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 удваивается. Если срок службы электролитического конденсатора составляет, например, 2000 ч / 105 ° C, срок службы конденсатора при 45 ° C можно «рассчитать» как 128000 часов, то есть примерно 15 лет, с помощью 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 уменьшается со временем, что соответствует структуре типа гранулированного металла, в которой старение происходит из-за усадки зерен проводящего полимера. ^[98] Срок службы полимерных электролитических конденсаторов указан в терминах, аналогичных срокам эксплуатации нетвердых электронных конденсаторов, но расчет срока службы осуществляется по другим правилам, что приводит к гораздо более длительному сроку эксплуатации. ^{[99] [100] [101]}

Танталовые электролитические конденсаторы с твердым электролитом из диоксида марганца не имеют отказов из-за износа, поэтому у них нет спецификации 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 приложения [ править ]

Множество различных типов 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.

Производительность после хранения [ править ]

Все электролитические конденсаторы подвергаются «старению» в процессе производства путем приложения номинального напряжения при высокой температуре в течение достаточного времени для устранения всех трещин и слабых мест, 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. ^[73] Их можно без проблем хранить до 10 лет ^[61]

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, могут иметь механические повреждения. ^[94]

Электролитические конденсаторы с твердым электролитом не имеют предварительных требований.

Дополнительная информация [ править ]

Символы конденсаторов [ править ]

Обозначения электролитических конденсаторов

• Электролитический конденсатор

• Электролитический конденсатор

• Электролитический конденсатор

• Биполярный электролитический конденсатор

Параллельное соединение [ править ]

Электролитические конденсаторы меньшего или низкого напряжения могут быть подключены 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 [ править ]

Для некоторых приложений, таких как преобразователи переменного тока в переменный ток с промежуточным звеном для регулирования частоты в трехфазных сетях, требуются алюминиевые электролитические конденсаторы с более высоким напряжением. Для таких применений 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. Поскольку каждый конденсатор немного отличается по отдельному току утечки, конденсаторы с более высоким током утечки будут иметь меньшее напряжение. Баланс напряжений на последовательно соединенных конденсаторах не симметричен. Для стабилизации напряжения на каждом отдельном конденсаторе необходимо обеспечить пассивный или активный баланс напряжения.^{[61] [94]}

Маркировка полярности [ править ]

• Маркировка полярности для нетвердых и твердых алюминиевых электролитических конденсаторов
• Электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом имеют маркировку полярности на катодной ( минусовой ) стороне.

• Электролитические конденсаторы с твердым электролитом имеют маркировку полярности на анодной ( плюсовой ) стороне, за исключением полимерных конденсаторов с цилиндрическими выводами (несимметричные) и SMD (V-chip) ^[105]

Маркировка полярности полимерных электролитических конденсаторов

Отпечатанные отметки [ править ]

На электролитических конденсаторах, как и на большинстве других электронных компонентов, при наличии достаточного места, нанесена маркировка с указанием производителя, типа, электрических и тепловых характеристик и даты изготовления. Если они достаточно большие, конденсатор помечается значком

• название производителя или товарный знак;
• обозначение типа изготовителя;
• полярность выводов (для поляризованных конденсаторов)
• номинальная емкость;
• допуск на номинальную емкость
• номинальное напряжение и характер питания (переменный или постоянный ток)
• климатическая категория или номинальная температура;
• год и месяц (или неделя) выпуска;
• сертификационные знаки стандартов безопасности (для предохранительных конденсаторов EMI / RFI)

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

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

Примеры:

• 105K 330V подразумевает емкость 10 × 10 ⁵ пФ = 1 мкФ (K = ± 10%) при номинальном напряжении 330 В.
• 476M 100V подразумевает емкость 47 × 10 ⁶ пФ = 47 мкФ (M = ± 20%) при номинальном напряжении 100 В.

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

Дата изготовления часто печатается в соответствии с международными стандартами.

• Версия 1: кодирование числовым кодом года / недели, «1208» означает «2012, неделя номер 8».
• Версия 2: кодирование с 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. «Х5» значит «2009, май».

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

Стандартизация [ править ]

Стандартизация всех электрических , электронных компонентов и связанных технологий соответствует правилам, установленным Международной электротехнической комиссией (МЭК) ^[106] , некоммерческой неправительственной организацией по международным стандартам . ^{[107] [108]}

Определение характеристик и процедура методов испытаний 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, которым должны соответствовать алюминиевые и танталовые электролитические конденсаторы для использования в электронном оборудовании для утверждения в качестве стандартизованных типов, изложены в следующих отдельных спецификациях :

• 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.
• IEC / EN 60384-15 - Танталовые конденсаторы постоянной емкости с нетвердым и твердым электролитом.
• IEC / EN 60384-18 - Фиксированные алюминиевые электролитические конденсаторы поверхностного монтажа с твердым (MnO ₂ ) и нетвердым электролитом.
• IEC / EN 60384-24 - Фиксированные танталовые электролитические конденсаторы для поверхностного монтажа с проводящим полимерным твердым электролитом.
• IEC / EN 60384-25 - Фиксированные алюминиевые электролитические конденсаторы для поверхностного монтажа с проводящим полимерным твердым электролитом.
• IEC / EN 60384-26 - Фиксированные алюминиевые электролитические конденсаторы с проводящим полимерным твердым электролитом.

Рынок [ править ]

Рынок электролитических конденсаторов в 2008 году составлял примерно 30% от общего объема рынка в стоимостном выражении.

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

В количестве штук эти конденсаторы покрывают около 10% всего рынка конденсаторов, или от 100 до 120 миллиардов штук. ^[109]

Производители и продукты [ править ]

Дата таблицы: март 2015 г.

См. Также [ править ]

• E-серия предпочтительных номеров
• Типы конденсатора

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Электролитический конденсатор ; 1-е изд; Александр Георгиев; Книги Мюррея Хилла; 191 страница; 1945г. (Архив)

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме электролитических конденсаторов .