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电解电容详解

来源:原创     阅读量:39     发布时间:2021-04-30 08:43:20    

一:基本上界定

1、电容器------由2个导电性极片,正中间置放着具备电极化特点的化学物质所构成的分立元件。

2、电解电容器——

铝电解电容器是有极性的电容器,它的正极片用铝铂,将其浸在锂电池电解液中开展阳极氧化处理解决,铝铂表层上便转化成一层三氧化二铝塑料薄膜,其薄厚一般为0.02 - 0.03μm。这层空气氧化膜就是正、负极板间的绝缘层物质。电容器的负极是由电解质溶液组成的,锂电池电解液一般由硼酸、氢氧化钠、乙二醇等构成。为了更好地以便电容器的生产制造,一般 是把溶液的酸碱性预浸在独特的紙上,再用一条原态铝宿与泡过溶液的酸碱性的纸贴合在一起,那样能够 较为便捷地在原态铝铂携带引出来负极,如图所示 (a) 所显示。将以上的正、负极按在其中轴颈倒丝机,便组成了铝电解电容器的芯子,随后将芯子放进铝外壳封裝,便组成了铝电解电容器。为了更好地维持溶液的酸碱性不泄露、不干枯,在铝外壳的嘴部用橡胶塞开展密封性,如图所示(b) 所显示。

2个极片有阳(正)极和阴(负)极之分,在其中做为阳极氧化的是选用特殊的阀金属材料,并在该金属表层 上籍有助于光电催化方式转化成一特薄且具备单边导电率的空气氧化膜做为物质,而负极一般 是选用能转化成和修补物质空气氧化膜的浆状或固状的电解质溶液,那样一种独特构造和独特加工工艺生产制造的电容器。

为了更好地得到很大的容量且容积又要小,在正级铝铂的一面用化学腐蚀方式产生凹凸不平的表层,使电级的面积扩大,进而使容量提升。铝电解电容器往往有极性,是由于正极片上的三氧化二铝膜具备单边导电率,仅有在电容器的正级插线的正级,负极插线的负极时,三氧化二铝膜才可以具有绝缘层物质的功效。假如将铝电解电容器的极性接错,三氧化二铝膜就变成了电导体,电解电容器不仅不可以充分发挥,还会继续因为有很大的电流量根据,导致超温而毁坏电容器。为了更好地避免 铝电解电容器在应用时出现意外爆炸事件,一般在铝外壳的内孔抑制有向槽体式的机械设备薄弱点,一旦电解电容器內部工作压力过高,薄弱点的管沟便会裂开,开展世压防爆型。

无极性(双极性)电解电容器选用双空气氧化膜结构工程,类似二只有极性电解电容器将2个负极相互连接后组成,其2个电级各自为2个金属材料极片(均粘有空气氧化膜)相接,2组空气氧化膜正中间为电解质溶液。有极性电解电容器一般 在电路或高频、低頻电源电路中起开关电源过滤,退耦(ǒu)、数据信号藕合及稳态值设置、隔直流电等功效。无极性电解电容器一般 用以音箱分频器电源电路、电视S校准电源电路及单相电电机的启动电源电路。

二:电气设备主要参数

铝电解电容器常见允差:容量(C)、耗损角正切值(tgδ)、漏电流(I)、额定值工作标准电压(U)、特性阻抗(Z)

1、容量:就是指在电容器上标出的容量值,是设计方案容积的为名值。

2、耗损角正切值:用以脉动饮料电源电路中的铝电解电容器,事实上要耗费一小部分有功功率的额定功率,这可以用耗损角正切值来定性分析,它是电容器电动能耗损的功率因素与无功负荷之比。针对电解电容器较常选用串连闭合电路,如图所示1-1所显示,则其耗损角正切值tgδ为

3.漏电流:

漏电流:当对电容器增加交流电压时,将观查到电流的转变 :逐渐非常大,随后慢慢随時间而降低,但并不意味着零,只是做到某一终值后,保持稳定情况,这一终值称之为漏电流。

漏电流ILC 是电解电容器五大电主要参数之一,用于定性分析电解电容器的绝缘层品质。与增加工作电压的尺寸、工作温度的高矮和检测時间的长度都是有密切相关,故在要求漏电流值时务必标出其检测時间“t”、增加工作电压“U”和工作温度“T”的尺寸。ILC 与检测時间(即增加工作电压時间)、增加工作电压尺寸和工作温度中间的关联如图所示1-2所显示。

针对铝电解电容器,漏电流一般 用上式表明:

        I=KCU M        µA

式中:C——电容器的允差容量(µF);

U——额定值工作标准电压(V);

K,M——参量。

在其中K值,称作漏电流参量。针对不一样种类的电解电容器具备不一样值,如CD11型商品,K=0.03; CD110型商品,K=0.01;低漏电流商品,K=0.001~0.002。

针对M值,除开关键考虑到空气氧化膜自身漏电流外,还应充分考虑电容器表层漏导电性流的危害。M值关键在于产品构造和CU值的尺寸。CU值较小点的,其表层漏导电性流危害很大,M值也相对应额外很大值;CU值很大者,表层漏导电性流危害就较小,M值能够 忽略。因此M值能够 在0~20范畴内赋值。

4.额定值工作标准电压(U)

指在低限类型溫度和额定值溫度中间的任一溫度下,能够 持续增加在电容器的较大交流电压或较大沟通交流电压有效值或单脉冲工作电压的最高值。

5.特性阻抗

三:关键电气设备主要参数剖析

1.特性阻抗、容量、耗损角正切值和等效电路串联电阻的关联

对电解电容器而言,一般 用是容积C、耗损角正切值tgδ和特性阻抗Z或等效电路串联电阻ESR来叙述在脉动饮料电源电路中的电气设备特点。一般电解电容器的电感器量L不很大,不容易超出100nH(纳亨),电解电容器的等效电路图1-3所显示。

因而,电容器的特性阻抗将伴随着耗损角正切值的提升而扩大。这代表着在同一工作电压下,特性阻抗近于允许根据的交流电路要小一些,换句话说,即因为电容器有耗损,因此在电源电路中它的容量相对应地有一定的减少,并不是检测出去的C值,只是合理容量:

显而易见,电容器的特性阻抗值,归纳了各种各样影响因素即能所映电容器自身在电源电路中真真正正功效,又能依据它的溫度频率特点的优劣,从这当中剖析电容器的加工工艺及构造是不是有效,比如,超低温时特性阻抗扩大许多,进而加工工艺上剖析缘故,頻率上升时,特性阻抗值降低缓慢,也如要从加工工艺上找缘故.

由电解电容器串连闭合电路获知:

                   tgδ=ωCr

式中耗损电阻器r 是由三一部分构成的: a、空气氧化膜介电损耗的等效电路串联电阻r介;b、意味着工作中锂电池电解液的等效电路串联电阻r液;c、意味着金属电极、变压器接地线(片)及其回路电阻等构成的r金 。即:

r=r介 r液 r金

r被称作等效电路串联电阻,英文简写为ESR(equivalent series resistance)。故:

2.溫度频率特点

电解电容器的关键电气设备能数C、tgδ和Z与应用工作温度、頻率拥有极其紧密的相互依赖。说白了溫度特点指电容器的C、tgδ和Z随工作温度转变 的周期性,而频率特点则叙述电容器的C、tgδ和Z随頻率转变 的周期性。电容器的溫度頻率性不但体现物质外部经济转变 的本质规律性,并且还与锂电池电解液的特性、电解法纸的种类及其电容器的构造等要素相关。自然从应用视角看来,规定它随溫度頻率的转变 越低越好。

2.1频率特点

2.1.1  C、tgδ~f关联

在低頻段,组成电容器的物质,其偶极子电极化能跟上另加静电场頻率的转变 ,那样物质电极化率就大,其电极化对容积的奉献也就大,且耗损也小;在高频率段,则与以上反过来,伴随着頻率的提升,物质偶极子电极化无法跟上另加静电场的转变 ,C便会降低,tgδ提升,这类转变 关联如图所示1-4所显示。

2.1.2  Z~f关联

因为电解电容器原有电感器的危害,使特性阻抗Z的频率特点曲线图存有 “U”形的特点,如图所示1-5所显示。从公式计算中能够 看得出(复阻抗),在低頻段容抗在特性阻抗中占关键影响力,伴随着頻率的提升,特性阻抗减少,当特性阻抗做到某一最低限时,此頻率为串联谐振。在高频率段,阻抗角危害占关键影响力,电感器是由电流量穿过金属电极、导线和塑料外壳时需产生的。下边例举不一样规格型号的铝电解电容器16V470uF和250 V10uF、47uF、100uF,其特性阻抗频率特点1-6所显示。

2.2溫度特点

2.2.1 C、tgδ~T关联

  因为锂电池电解液是正离子导电性,正离子导电能力都一点也不除外地伴随着溫度的提升而提升。在超低温时锂电池电解液趋向“冷冻”,其正离子的转移健身运动遭受的摩擦阻力将大大增加,并伴随着溫度的趋低而增大,最后造成 r液→∞,则

tgδ将伴随着r液 的扩大而增大。同样,在高溫时,r液 缩小,tgδ随着减少,而Cr→C 。

  铝电解电容器tgδ溫度特点关键在于工作中锂电池电解液,尤其是它的超低温电阻尺寸,它的一般规律性是:

A.应用超低温特点好的工作中锂电池电解液要比应用差的其tgδ溫度特点好,

B.巨额工作电压的tgδ溫度特点比底压的好些一些,

C.容量小的一般要比容量大的tgδ溫度特点好,

D.应用浸蚀指数小的铝铂要比指数大的tgδ溫度特点好。

铝电解电容的tgδ要从三个层面考虑到:

 A.电解法纸的tgδ

 B.锂电池电解液的导电率

C.正级箔的tgδ

2.2.2 Z~T关联

从公式计算(特性阻抗应变速率)看得出,伴随着溫度的提升,tgδ降低,C 也有一些提升,但因 tgδ 极速降低,故特性阻抗Z 将伴随着工作温度的上升有较迅速率降低,见图1-6所显示。

2.3相关主要参数的危害

 从闭合电路看来,倒丝机型箔式电容器危害C和tgδ的基本参数是γ解和C纸及其阳极氧化箔的表层情况等,预浸纸电阻器(γ解)的测算,γ解就是指以易侵润的垫片纸或别的多孔结构纺织材料浸湿了工作中锂电池电解液后的电阻器,也是称之为垫片物电阻器:

由此可见,∮值越大,说明垫片物渗入能力较差,试验说明,当常用工作中锂电池电解液在某一超低温下如产生纳米微晶进行析出状况,将堵塞垫片物的构造间隙,进而使∮值明显提升,因此∮值以与锂电池电解液的成份和应用溫度相关,在超低温大并并不是一个参量,乃至会提升好几倍。

含浸率的危害:

因为阳极氧化箔浸蚀主要参数高,铝铂表层的空气氧化膜是微孔板构造,且锂电池电解液是有一定黏性,较难彻底渗入微孔板当中,造成 阳极氧化箔具体的合理面积比基础理论面积小,因此具体容量就稍低,且含浸率伴随着阳极氧化箔比容的扩大和锂电池电解液黏度的提升而降低。

3.危害剖析

3.1工作中锂电池电解液的危害

工作中锂电池电解液的电阻尺寸,对γ解起关键性功效,从

能够 获知;并且它或是一个自变量,这才给电容器的C 和 tgδ的温频特点产生重要的危害。

据华尔顿基本定律,水溶液的黏度和导电率的积为—参量,当超低温时,黏度升高,正离子电子密度减少,因此电阻提升,乃至在更低溫度,锂电池电解液还能够结晶体。那麼ρ值将扩大到无法容忍的水平,因而用黏度大一些的锂电池电解液预浸垫片物,其γ解 将比黏度较小的锂电池电解液大很多,那样得知,黏度较小的工作中锂电池电解液的电容器,是有相对性最佳的C 和 tgδ的溫度特点。

       大家期待锂电池电解液的电阻和溫度的关联较为平整,即期待超低温(-55℃)时,电解质溶液的ρ的值不超常温下时的10-20倍,

           即ρ -55 /    ρ 20≤10-20

数最多不超50倍。

3.2额定电流的危害

当允差容量是一定时,如U额高,则必产生偏厚的空气氧化膜。这般,在巨额工作电压下比低额工作电压规定有很大的阳极氧化箔面积。除开用浸蚀方式扩大箔的合理总面积外,另一方法便是立即扩大箔的几何图形规格。但如从阳极氧化箔的必须面积扩大看来,由于空气氧化膜薄厚与产生工作电压正相关,如维持C不会改变,当U提升n倍时,阳极氧化箔面积也将扩大n倍(假设产生工作电压与额定电流的比率同样)。假如额定值锂电池电解液的ρ液随U额高矮不一样起着的危害并不是这般明显,底压电容器的γ解比同C的髙压电容器大很多,因此前面一种的C 、 tgδ溫度和频率特点要差一些。

4.漏电流及抑止漏电流回暖的防范措施

4.1漏电流造成的根本原因

铝电解电容器的物质膜是由光电催化方式产生的Al2O3膜,因薄厚特薄,易受原料纯净度、生产制造加工工艺等要素的危害,故在物质膜表层一直多多少少存有细微间隙、残渣和缺陷,另外在分子结构上易产生晶格常数缺点。那样,铝电解电容器在增加工作电压后,就在以上这种安全隐患处产生电子器件电流量和正离子电流量,在其中以电子器件电流量为主导。除此之外,应考虑到电容器表层漏导电性流的危害,它与元器件表层情况(如表层的表面粗糙度、洁净度)及自然环境的温度湿度均相关。因而,漏电流是电解电容器极其重要的电气设备主要参数之一,是考量电解电容器质量好坏、生产制造加工工艺是不是恰当和加工工艺环境卫生文明行为生产制造的一个立即标示。

4.2 漏电流的关系式

铝电解电容器的漏电流从闭合电路得知,它是空气氧化膜物质的容积漏导电性流IV和根据表层的漏导电性流IS之和,如图所示1-7所显示,其关系式为:

ILC=IV IS

4.2.2表层漏导电性流IS:

IS尺寸与常用密封材料物理性能和表层情况如洁净度等相关,无法用某一公式计算定量分析来叙述。因而,清理对减少IS 有至关重要功效。

总的来说,在工程项目上漏电流通用性关系式为:

                         ILC=IV IS=KCU+M

一般地说,当电容器的CU值比较大,IS≤IV时,M=0。当CU值比较小时,IS对IV影响比较大,不可忽略,M可取0~20

4.3 影响漏电流大小因素的分析

4.3.1原材料纯度的影响

电解电容器原材料中特别是构成芯子的材料对漏电流影响极大,它包括铝箔和引线的纯度以及电解液中用的各种化学试剂、去离子水和电解纸中的杂质含量,这些都对漏电流造成极大影响。

铝电解电容器的阳极铝箔,当其纯度从99.20%提高到99.99%时,在相同的条件下其漏电流有明显下降,特别是在较高工作温度时,影响更显著。从图1-8看出,提高铝箔纯度是延长电解电容器工作寿命以及降低漏电流的有效途

径。正极引线的纯度也有同样影响。另外,其他原材料如化学试剂、电解纸、

橡皮塞、纯水等所含氯离子、硫酸根离子含量要求也严格。在工作电解液中即使含有极微量氯化物,也会对产品发生有害的影响,因为氯化物的存在不仅能使氧化膜损坏,而且会导致阳极箔、引线被腐蚀。(因为CL-的离子半径极小,穿透力极强,破坏性强)

4.3.2工作电解液的影响

工作电解液不但起到电解电容器阴极作用,而且还要能随时提供O2-不断地供给阳极以修补损伤的氧化膜,倘若电解液修补氧化膜和防止氧化膜恶化的能力差,则势必使产品漏电流变大和漏电流回升。

此外,电解液中的水会使氧化膜形成水合氧化膜Al2O3•nH2O(n=1~3),使介质膜绝缘性能下降,这同样会使漏电流增大。

水合作用在阳极和阴极都有可能发生,特别在阴极更易发生,水合作用会造成C下降tgδ增大,严重者使产品鼓胀或开阀,所以说,水合作用是影响阴极性能的主要原因。

电解液中水的影响:

优点:水是优质溶剂,能电离出很多离了,有利于降低电解液的电阻率;

缺点:

① 使电解液的沸点降低,高温时蒸气压大,对密封有影响;

② 高温下水和铝及氧化膜作用生成氧化物,增加了表膜的厚度,减少C级(∵=εS/d),并且它破环了氧化膜,导致AI2O3的绝缘性能恶化,电容器的ILC增加,tgδ增加,C变化也大。高温下由于水不断产生H2↑,造成内压上升,有爆炸的危险,在高温贮存时较明显。

③ 过多的水分,使电解液电阻率下降,同时溶剂的冰点也下降,一方面改善低温特性,但一方面在高温时, 水能使电解液活化,除了与电极起水合作用外,还会因杂质的存在易产生化学腐蚀;

④ 含水量多的电解液其闪火电压较低。

4.3.3制造工艺条件的影响

①老练工艺条件

套管后的产品,按极性加上规定的直流电压,通过芯包内工作电解液的电化学反应,对在生产中受到损伤的介质氧化膜加以修复,使恢复其固有的良好电性能的过程,称为老练。在老练过程施加老练电压即是在氧化膜的表面施加—电场,破环水合氧化膜,(水合氧化膜易被破坏,其结构不如介质氧化膜致密,ILC可以从水合氧化膜通过,而不能从介质氧化膜通过。)使其恢复介质氧化膜的性能,同时在电场的作用下,工作电解液不断供氧原子,使生产过程中遭破环的氧化膜得以修补。

老练工艺的真正目的是:(1)恢复固有的电性能,使电容器具备使用条件;(2)剔除质量不合格的产品。此外,氧化膜形成时的电流密度也比电容老练时的电流密度大得多。由此可见,老练不同于形成,老练是在较低的电压和较小的电流情况下进行的,一般是在非水溶液中进行的,对氧化膜仅仅是缓慢的修补过程,而形成则是在高压、大电流状态下进行的,形成液是水溶液。老练过程的实质是:将浸渍过电解液的电容器芯子经封装后的半成品进一步动态(加直流电压)熟化的过程,通过加压使电容器恢复其固有的电性能,使电容器具备在动态电子线路中使用的条件。因此,电容器的电能数在老练前后必然有变化。由此可见,电容器的电容量CR、损耗角正切tgδ、漏电流LL经老练后下降了,即恢复了其固有的电性能。值等注意的是:CR、tgδ在老练1h后即趋于稳定,只有漏电流还有时间的延长而下降。因此老练工艺中时间和温度的确定主要取决于漏电流,如何把握这个“度”是确定老练工艺的关键。

注:20℃120HZ下测试电容量和损耗,400v10s后测漏电流值。

老练完毕所测的漏电流、损耗角正切无论多小,都不能完全保证耐久性试验中寿命长,更不能保证可能靠性高,即可靠性高、寿命长与漏电流小、损耗角正切值低既有关系而又没有简单的必然联系。因为电容器的可靠性和寿命是由原材料(铝箔、电解质纸)、密封材料、电解液和整个工艺过程决定的,而电解液是决定长寿命和高可靠的关键。可以说,当电容器芯子浸过电解液经封装后(老练前),电容器的可靠性已基本决定了。

从以上意义来讲,老练工艺依据的漏电流值以国标为参考即可,如GB9609-88中规定漏电流:

﹛IL﹜uA≤0.03﹛CR﹜uF•﹛VR﹜v          (1)

式中:CR为标称电容量;VR为额定电压。老练工艺中时间的确定依据以漏电流的规定值的三分之一即可。即电容器的高温加压老练2h后就可以使电容器恢复固有的电性能,达到老练的目的。

②高温老练温度和时间的探讨

老练温度的确定也应从有利于可靠性和长寿命的角度出发。具体的依据应从两方面考虑:第一,电容器的额定工作温度。第二,老练的目的---剔除质量不合格的产品。这样电容器的高温老练温度以额定工作温度正偏5℃为宜。

统计400v/100 uF   ¢22mm×35mm老练电流下降情况(见表2)可得结论,电容器在高温老练过程中,总电流的变化经历上升→最大→下降→最小→恒定等几个阶段,最佳的高温老练时间确定在到达最小电流之时(额定温度到达后2h)即可,再长的老练时间是浪费。从剔除不合格品的角度来看,电容器爆炸、鼓底发生的时间一般在电流的上升阶段,即最大电流到达之前(额定温度到达前后)。

5.电容器在脉动电路中的发热:

电容器接入脉动电路后,除了完成其功能外,还要消耗一部电能,并转变成热耗,一方面电容器本身发热;另一方面也通过电容器外表向周围附近环境散热,所消耗的电能常用有功功率损耗P有来表示,对电容来讲,由两部份组成; (1)由于较大的漏电流所引起的发热损耗,这种情况一般是指高温情况下。

(2)由于存在tgδ所引起的发热损耗,严格地讲它包括三个部份,介质损耗、电解质损耗、导电及接触电阻损耗;

另外注意,并联电路所所推导出的公式,适用于正弦电压,如果电压波形为非正弦曲线,即除频率为f1的正弦基波外,还会有高次谐波,则P有可能显著增加,在此情况下,电容的总功率损耗是每个单独频率下损耗之和。

铝电解电容的最高容许温度决定于工作电解液,不得超过使电解液性能恶化,发生不可逆的温度。

6.使用中提高电解电容器寿命措施

无论电容器在电子技术哪个领域中使用,都希望所用元件满足性能要求,不会轻易受损,达到延长使用寿命的目的。在电路设计时,应对电解电容器的性能有更深入的了解,做到心中有数,不要使电容器一直处于工作顶峰状态。具体从以下几个方面来考虑。

6.1降低所处环境温度

降低所处环境温度,使电容器不在上限类别温度下工作,另外还要考虑电容器本身发热影响,这一点对液体电解质类型产品尤为重要。如果产生高温,会使漏电流剧增,气体增多,使外壳处于内压急增状态;另外高温能使电解液加速干涸,相对缩短产品寿命。因此对长寿命要求的产品来说,工作温度应控制在50℃以下,这样相应的寿命约可提高1~2个数量级。例如在45℃以可工作20年的计算机电容器,在85℃下则只能工作1~2年。如需要应用在上限类别温度(85℃),则电容器芯子中心温度应不超过95℃,而且还得视所选择工作电解液的性质而定。这种高温影响对固体钽电容器来说,不如铝电解电容器那么严重,但肯定也是有害的。

6.2降低额定电压的使用上限

降低额定电压的使用上限,也就是降低介质氧化膜的工作场强,对铝电容器将适用。降负荷一半后,电容器的寿命能提高2个数量级之多。

实际上铝氧化膜如出现损伤和被腐蚀,修补氧化膜拜出只能在最高的工作电压下进行,局部难于恢复到原始形成电压值下的氧化膜厚度,所以过分降低工作电压,对铝电解电容器也并不是最合适的措施。

比较以上两个因素的影响,对铝电容器来说,以降低工作温度为最关键。

6.3控制工作中的纹波电流值

电解电容器用在脉动电路中,造成功率消耗而发热升温的主要因素是纹波电流(对较小容量的电容器则是纹波电压)的大小,一般提供的失效率与温度关系曲线大都是在无纹波的直流电压下测出的只考虑了漏电流,比此时芯子内部中心温度几乎与环境温度相差不多。可是在实际应用中,由于纹波电流所导致的发热能使芯子中心温升,最高时可达到几十摄氏度。(芯子温升取决于电容器所处环境温度和对纹波电流的控制)。所以,高纹波电流易造成芯子的电解液干涸,电容器早期失效。同时,长时间纹波电流超过规定值,也是导致电容器防爆阀打开的因素之一。

6.4避免频繁的浪涌电压施加到电容器上

电路的开或关,都会产生一过渡状态的瞬间电压,一般其值要大于工作电压,而且相应地产生一冲击电流,如果电源和负载的电阻均较小,这样瞬时电流值相当大,容易引起电解电容器氧化膜的损伤,因为电容器在大冲击电流下 ,容易在膜的薄弱区域发热促使晶化提早产生,并降低耐压能力,所以为提高使用寿命,应避免发生频繁的浪涌电压施加到电容器上,当工作电压接近额定电压时,更是如此。

6.5选择漏电流值较小的电容器

作为长寿命使用的电解电容器,除了以上4点外加因素的考虑外,在选用中还要选择在同类型中漏电流特别小的电容器。这表明它具有较高质量的氧化膜和合适的工作电解质。一旦环境温度较高,相应的漏电流增加就较慢。否则在互为影响的情况下,当漏电流剧增,内部温度将上升,反过来使漏电流再上升,一直恶化直至失去热平衡而破坏为止。                            

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