Електролітичні конденсатори - основи та властивості
Електролітичні конденсатори мають більшу ємність для даного об'єму, ніж інші конденсаторні технології. Правильно вказані електролітичні конденсатори можуть забезпечити термін служби більше 20 років у складних промислових цілях. У цій статті пояснюється будова електролітичного конденсатора та його експлуатаційні характеристики.
Електролітичні конденсатори звичайно включаються до категорії "Пасивні компоненти" класифікується Специфікація конденсаторів загального призначення для споживчого сектору, як правило, порівняно проста. У випадку промислових застосувань, які потребують більш чітко визначеного, довговічного конденсатора, процес вибору є більш складним і слід враховувати різні параметри в заявці.
Основний принцип роботи конденсатора
Конденсатор складається з двох металевих пластин, які розділені діелектриком. Площі поверхні металевих пластин (A), діелектрик і зазор між пластинами (d) визначають характеристики конденсатора: ε0 - діелектрична проникність вільного простору (8,85. 10 -12 F/м) і εr - діелектрична проникність Діелектрик (оксид, папір, електроліт).
Це теорія. На практиці металевими пластинами є алюмінієва фольга, а діелектриком є оксидний шар на аноді. Катодна фольга лежить між просоченими електролітом шарами паперу і служить своєрідною торцевою пластиною. Фольга і папір згортаються і поміщаються в циліндр, щоб мінімізувати обсяг. З'єднувальні наконечники з'єднують обмотку з клемами, встановленими на кришці пластини конденсатора. Більшість електролітичних конденсаторів поляризовані. Але існують також особливі ситуації, коли виявляються неполяризовані електроліти, наприклад, при застосуванні для запуску двигуна.
Виробництво та побудова електролітичних конденсаторів
Для анода і катода використовується алюмінієва фольга. Анодна фольга є важливою частиною електролітичного конденсатора з точки зору продуктивності і зазвичай становить понад 75% від загальної вартості конденсатора. Фольга вимірюється величиною ємності на площу та напругою утворення оксиду. Для збільшення площі поверхні фольга травиться, утворюючи тунелі. Цей процес використовується для визначення товщини плівки.
Базова плівка складається з 99,9% алюмінію і зазвичай має товщину 100 мкм. Протруювання тунелю проводять за допомогою електрохімічного процесу; діаметр тунелю зазвичай становить 1-2 мкм і довжина 50 мкм. Тоді щільність тунелю становить 25 млн на см 2, а поверхня травленої фольги приблизно в 100 разів більша, ніж у гладкої фольги.
Після того, як анодна фольга витравлена, її потім «формують», наносячи безпористий шар оксиду алюмінію на поверхню витравленої фольги. Цей оксидний шар є діелектриком конденсатора. Оксидний шар осідає під напругою, і товщина оксиду пропорційна напруженню пласта. Ємність обернено пропорційна товщині оксиду.
Іншими словами, чим вища напруга пласта, тим менша ємність на площу. Для конденсатора це означає менші напруги при відносно великих значеннях ємності та зменшення ємності зі збільшенням напруги. Оксидна характеристика алюмінію є чутливою до полярності, а тому зворотна полярність зазвичай призводить до катастрофічного руйнування.
Шари паперу відокремлюють анодні та катодні фольги. Папір використовується для утримання електроліту та запобігання падінню напруги разом з ним. Статті також впливають на ШОЕ (ефективна стійкість до серії). Чим вища напруга, тим міцнішими повинні бути папери, і тому ESR збільшується. Отже, параметри ESR вищі для електролітичних конденсаторів з вищою номінальною напругою.
Обмотка просочена електролітом. Він має нейтральне значення рН, високу провідність і стабільний при високих температурах. У зв'язку з вивільненням паперу електроліт має високу сцинтиляційну напругу. Сцинтиляція є попередником падіння напруги між анодом і катодною фольгою. Електроліт має здатність утворювати оксид (зменшувати струм витоку) і є антипіреном. Високовольтні електроліти, як правило, більш в’язкі, ніж електроліти низької напруги. Для підтримки процесу просочення додається додатковий шар паперу, який дуже вбирає і виконує роль гніту для в’язкого електроліту. Однак цей додатковий шар паперу знову збільшує значення ESR. Після просочення обмотки електролітом її вставляють в алюмінієву банку, а кришку закривають гумовим ущільнювачем.
У виробника Itelcond значна частина науково-дослідних робіт зосереджена на розробці електролітів. Взаємодія електроліту з папером та анодною фольгою є інтенсивним напрямком вивчення, тому Itelcond має зв’язки з різними дослідницькими університетами, інноваційними групами та науково-дослідними центрами в Італії та Японії.
Процес старіння в електролітичних конденсаторах
Як тільки конденсатор встановлений у своєму корпусі та закрита кришка, конденсатор проходить процес штучного старіння. Старіння відбувається через контрольоване подання напруги, струму та температури і може зайняти від однієї до 20 годин, залежно від розміру конденсатора. Старіння є важливим для того, щоб «зцілити» незначні пошкодження в результаті виготовлення оксидного шару на анодній фользі. Подальші виробничі ефекти можна помітити на зрізаних краях плівки, в місцях з'єднання виступів і на нижній стороні хомутів. Процес старіння приводить струм витоку, також відомий як струм витоку, до певного рівня. В ідеальному світі через конденсатор не протікає струм, але на практиці протікає струм витоку, і процес старіння мінімізує це до певного рівня.
Цей рівень вказує на прийнятний рівень струму витоку для нормальної роботи конденсатора в додатку. Струм витоку продовжує зменшуватися з часом до рівня, який становить лише частку від зазначеного значення. За допомогою великого гвинтового клемного конденсатора скорочення за одне застосування може становити кілька сотень годин роботи. Після старіння кожен конденсатор перевіряють на відповідність технічним вимогам, а потім вкладають у ізоляційний матеріал, як правило, ПВХ або ПЕТ. Зараз конденсатор готовий до відвантаження замовнику.
Розгляд допуску електролітичних конденсаторів
Як і відбитки пальців, не існує двох однакових електролітичних конденсаторів. Це пов’язано з електрохімічною природою електролітичного конденсатора. Завдяки цим варіаціям електролітичні конденсатори мають допуски, як правило, ± 20% або -10%/+ 30%. Але що це означає на практиці? На рисунку 6 показані дві діаграми Гауса типової партії конденсаторів.
Для конденсатора з допуском ± 20% номінальна ємність зазвичай становить від 8% до 10% вище нижньої межі відсотка. Більшість значень ємності в партії конденсаторів знаходяться між нижньою границею відсотка та номінальною ємністю. Це дуже популярний компроміс між фактичною вартістю потужності та ціною, і його можна знайти на багатьох ринках світу.
Для конденсатора з допуском –10%/+ 30% ємність близька до номінального значення ємності. Більшість значень ємності в партії конденсаторів будуть поблизу обох сторін номінального значення. Це надає дизайнеру кращі варіанти, коли певна продуктивність важлива.
Цей розподіл у 40% зумовлений утворенням змін в анодній фользі. Багато років тому допуск ± 50% був стандартним, але прогрес у технології штампування це зменшив, і 30% розповсюдження не рідкість у нестандартних конструкціях. Герметичність подання Гауса залежить від якості анодної фольги. Кращі фольги зазвичай надходять з Європи та Японії. Itelcond використовує лише європейські фільми.
Вплив на потужність
Існує певний вплив на ємність, спричинену частотою, температурою та способом вимірювання ємності. Ємність буде зменшуватися з частотою, як показано формулою C = 1/(2 π. F. Z)). При цій температурі ємність при 50 ° C приблизно на 2% перевищує показник при 20 ° C. Це збільшення стає більшим при менших номінальних напругах та при глибокому травленні фольги. Спосіб вимірювання ємності має найбільший ефект, або ємність змінного струму за допомогою методу моста LCR, або ємність постійного струму, що використовує метод заряду-розряду C = Q/V. Метод заряду-розряду може призвести до вищих значень на 10-30% порівняно з методом мосту LCR.
Використання конденсаторів
Продуктивність, зазначена конденсатором, може змінюватися залежно від галузі. Недорогі конденсатори для споживчих застосувань, як правило, не повинні експлуатуватися на межі продуктивності. Навіть якщо специфікація цих конденсаторів дана як 400 В і 85 ° C, з міркувань вартості вони зазвичай розроблені таким чином, що вони повинні працювати при менших напрузі та температурі.
Конденсатори промислового застосування, які виробляються такими якісними виробниками, як Itelcond, спроектовані таким чином, що ними можна без проблем працювати із зазначеною потужністю, що також помітно в ціні. Іноді дизайнери хочуть експлуатувати конденсатори при знижених значеннях потужності або за власним вибором, або за встановленими вимогами кінцевого ринку, як свого роду захисний буфер. Наприклад, ви можете взяти конденсатор 450 В і використовувати його в додатку 350 В. Яку користь це нам приносить?
З діаграми видно, що подальшої користі від зменшення конденсатора нижче 80% від номінальної напруги немає. Коефіцієнт напруги має сильніший ефект при більш високих температурах конденсатора і є параметром, який враховується при розрахунку терміну служби. Значення 1,4 відповідає збільшенню очікуваного терміну служби на 40%. Тут також електролітичні конденсатори піддаються компромісу; додаткові витрати на вищу напругу можуть бути виправдані для збільшення терміну служби?
Вплив на струм витоку (струм витоку)
Ми говорили про струми витоку та процес старіння під час виробництва. Тут ми можемо ще раз поглянути на струм витоку та вплив температури. Струм витоку - це струм несправності, який продовжує текти після повного заряджання конденсатора. Струм витоку залежить від напруги та температури. Як видно на малюнку 8, струм витоку є низьким, поки не досягне точки, де він швидко зростає. Номінальна напруга визначається в точці, де струм витоку швидко зростає (ця точка є вказаним граничним значенням). Діапазони температур зазвичай описуються як 85 ° C і 105 ° C.
Якщо ці температури перевищені, крива ефективно зміщується вліво, і струм витоку різко збільшується при заданій номінальній напрузі. Однак за особливих умов цю криву можна використовувати і зміщувати вправо; якщо конденсатор охолоджується, номінальна напруга може бути перевищена. Цей фокус можна використовувати у фотоелектричних програмах, де інвертор знаходиться в неопалюваному просторі даху. Напруга сонячної панелі може бути приблизно на 20% вищою, якщо під впливом яскравого сонячного світла холодного зимового ранку, але до подачі електроенергії. Ця 20% вища напруга відображається проміжним ланцюгом інвертора, і електролітичні конденсатори повинні витримувати цю підвищену напругу.
Якщо вони холодні, як правило, 0 ° C, і конденсатори знаходяться в холодному просторі даху, номінальну напругу можна збільшити. Як правило, електролітичний конденсатор 500 В може працювати при 550 В за цих умов. Однак рекомендуємо бути обережними, оскільки ESR дуже високий на морозі, інвертор повинен нагріватися контрольовано, щоб обмежити струм пульсацій. Тут допоможе сонячна панель, оскільки напруга зменшується, як тільки вона виробляє електроенергію.
На малюнку 9 показано криві ESR для типового електролітичного конденсатора. Ви можете бачити, як ШОЕ різко зростає при нижчих температурах. У фотоелектричній програмі розігрівання потрібно в контрольованих умовах, оскільки ШОЕ настільки висока. Занадто багато струму пульсацій, і конденсатор перегрівся. М'який нагрів також підвищує температуру конденсатора, але ESR зменшується, а разом з ним і внутрішній нагрів.
У багатьох енергетичних додатках з пульсаційними струмами від 50 до 500 Гц властивість ESR електролітичного конденсатора є важливим. ESR - це опір змінного струму пульсаціям. Як уже зазначалося, ШОЕ залежить від температури та частоти, але також залежить від тривалості використання. Він буде м’яко збільшуватися протягом усього часу роботи. Однак, коли конденсатор досягає кінця свого терміну служби, швидкість збільшення прискорюється. Зазвичай передбачається, що це так, як тільки ESR досягає трикратного початкового значення. Якщо конденсатор працювати далі, ESR також збільшується, поки внутрішнє нагрівання не досягне максимальної температури в сердечнику конденсатора.
Взаємні залежності в електролітичному конденсаторі
Хоча анодна фольга, потужність, напруга та струм витоку тісно переплетені, ШОЕ та електроліт також переплетені. При використанні електролітичного конденсатора струм пульсацій та ESR призводять до нагрівання I 2 R і, таким чином, до газоутворення електроліту. В результаті внутрішній тиск підвищується, і відбувається певна дифузія через ущільнення між кришкою та чашкою. Це змушує конденсатор з часом висихати, що призводить до збільшення ШОЕ. Стабільний електроліт зменшує газоутворення і, отже, швидкість збільшення ШОЕ. Занадто високий струм витоку також може призвести до нагрівання та виведення газів і, таким чином, прискорити збільшення ШОЕ.
Електролітичні конденсатори дотримуються закону Арреніуса: якщо температура навколишнього середовища падає на 10 К, термін служби подвоюється. Електролітичний конденсатор може бути розроблений для використання у складних умовах і чим складніший, тим вища вартість конденсатора. Зазвичай вигідніше використовувати вентилятор/вентилятор, щоб прискорити відведення тепла від електролітичного конденсатора в гарячому середовищі і таким чином обмежити загальне підвищення температури.
Іншими словами, ємність, ESR та струм витоку, температура, напруга та частота. Це йде вгору? Це знижується? Розгублений? У таблиці узагальнено різні аспекти використання електролітичного конденсатора.
Іншими особливостями, які слід врахувати, є початкова конструкція конденсатора. Ми вже бачили, де значення ємності зменшуються зі збільшенням номінальної напруги. ESR буде збільшуватися в міру збільшення номінальної напруги за рахунок більш щільного паперу та електроліту. Для застосувань із високим струмом пульсацій ми маємо можливість використовувати плівку з низьким коефіцієнтом посилення, яка має нижчий коефіцієнт ESR, або стандартну плівку, яка дозволяє більш високій напрузі скористатися перевагами зменшення напруги (зменшення напруги). Кожне рішення має свої переваги та недоліки.
Часто задають питання щодо терміну придатності. Так званий термін придатності або термін зберігання визначається статичним накопичувачем електролітичного конденсатора, або в додатку, або не встановленому окремо. Час і температура впливають на сплячий конденсатор, в якому струм витоку повільно зростає з часом, не подаючи напруги. Зворотний процес старіння відбувається, коли відбувається хімічна зміна. Тому перед використанням знову потрібно старіння.
На типовому складі термін придатності повинен становити щонайменше два роки. Крім того, струм витоку може перевищувати граничні значення. Якщо потрібно дозрівання, це потрібно робити при кімнатній температурі. Для цього підключіть джерело напруги, яке відповідає номінальній напрузі, але сила струму обмежена максимальним значенням струму витоку конденсатора. Залежно від початкового стану, може знадобитися дозрівання від однієї до чотирьох годин.
Підсумовуючи, можна сказати, що електролітичні конденсатори не є простими пасивними компонентами з невеликими параметрами. Електролітичний конденсатор представляє багато компромісів з точки зору продуктивності, ціни та терміну служби. Досвід та технічні ноу-хау у зв'язку з високоякісними матеріалами в кінцевому рахунку гарантують продукт, який відповідає технічним вимогам із очікуваним терміном служби.
* Фалько Ладігес - керівник команди PEMCO в WDI AG.
* Крістофер Спенс - менеджер з продуктів у Itelcond SRL.