Электролитический конденсатор - Electrolytic capacitor

Наиболее распространенные стили алюминиевых и танталовых электролитических конденсаторов

Ассортимент электролитических конденсаторов

Эта статья дубликаты объем других статей, конкретно, Алюминиевый электролитический конденсатор. Пожалуйста обсуждать эту проблему на странице обсуждения и отредактируйте ее в соответствии с Руководство по стилю Википедии. (Май 2020 г.)

An электролитический конденсатор поляризованный конденсатор чей анод или положительная пластина изготовлена ​​из металла, который образует изолирующий окись слой через анодирование. Этот оксидный слой действует как диэлектрик конденсатора. Твердое вещество, жидкость или гель электролит покрывает поверхность этого оксидного слоя, служа катод или отрицательная пластина конденсатора. Из-за очень тонкого диэлектрического оксидного слоя и увеличенной поверхности анода электролитические конденсаторы имеют гораздо более высокую емкость -Напряжение (CV) продукта на единицу объема, чем керамические конденсаторы или же пленочные конденсаторы, и поэтому могут иметь большие значения емкости. Есть три семейства электролитических конденсаторов: алюминиевые электролитические конденсаторы, танталовые электролитические конденсаторы, и ниобиевые электролитические конденсаторы.

Большая емкость электролитических конденсаторов делает их особенно подходящими для пропускания или обхода низкочастотных сигналов, а также для хранения большого количества энергии. Они широко используются для развязки или шумоподавления. фильтрация в Источники питания и цепей постоянного тока для частотно-регулируемые приводы, для связи сигналов между усилитель мощности стадиях и хранении энергии, как в фонарик.

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

Родословная электролитических конденсаторов

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.

В зависимости от природы используемого анодного металла и используемого электролита существует широкий выбор электролитических конденсаторов.

Принцип начисления

Как и другие обычные конденсаторы, электролитические конденсаторы сохраняют электроэнергия статически к обвинять разделение в электрическое поле в диэлектрическом оксидном слое между двумя электроды. Нетвердые или твердые электролит в принципе, это катод, который, таким образом, образует второй электрод конденсатора. Это и принцип хранения отличают их от электрохимических конденсаторов или суперконденсаторы, в котором электролитом обычно является ионно-проводящее соединение между двумя электродами, а накопление происходит статически. двухслойная емкость и электрохимический псевдоемкость.

Основные материалы и конструкция

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

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

1. Алюминиевые электролитические конденсаторы используйте травленый алюминий фольга с оксид алюминия как диэлектрик
2. Танталовые электролитические конденсаторы использовать спеченные гранулы («заготовки») высокой чистоты. тантал порошок с пятиокись тантала как диэлектрик
3. Конденсаторы электролитические ниобиевые использовать спеченную «пробку» высокой чистоты ниобий или же оксид ниобия порошок с пятиокись ниобия как диэлектрик.

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. Как жидкая среда, имеющая ион проводимость вызванные движущимися ионами, нетвердые электролиты могут легко соответствовать шероховатым структурам. Твердые электролиты с электронной проводимостью могут соответствовать шероховатым структурам с помощью специальных химических процессов, таких как пиролиз за диоксид марганца или же полимеризация для проведения полимеры.

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

Между двумя токопроводящими пластинами (электродами), каждая площадью А и с разлукой d.

Электролитические конденсаторы основаны на принципе «пластинчатого конденсатора», емкость которого увеличивается с увеличением площади электрода A и большей диэлектрической проницаемости. диэлектрическая проницаемость ε и более тонкий диэлектрик (d).

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

Толщина диэлектрика электролитических конденсаторов очень мала, в пределах нанометры 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 имеют высокую объемная эффективность, так называемый «CV-продукт», определяемый как произведение емкости и напряжения, разделенное на объем.

Основная конструкция нетвердых алюминиевых электролитических конденсаторов

Основная конструкция твердотельных танталовых электролитических конденсаторов

Виды и особенности электролитических конденсаторов

Сравнение типов электролитических конденсаторов

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

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

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 таблицы данных 1976 г.

Стили алюминиевых и танталовых электролитических конденсаторов

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.

История

Ранний небольшой электролитический конденсатор 1914 года. Его емкость составляла около 2 мкФ.

Вид на анод «мокрого» алюминиевого электролитического конденсатора, Bell System Technique 1929 г.

Источник

Явление, что 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 противоположном направлении, что впервые было обнаружено в 1857 году немецким физиком и химиком. Иоганн Генрих Буфф (1805–1878).^[8] Впервые он был использован в 1875 году французским исследователем и основателем. Эжен Дюкрете,^[9] кто придумал термин «вентильный металл» для таких металлов.

Чарльз Поллак (родился Кароль Поллак ), производитель аккумуляторов, обнаружил, что оксидный слой на алюминиевом аноде оставался стабильным в нейтральном или щелочном электролите даже при выключении питания. В 1896 году он подал патент на «Электрический жидкостный конденсатор с алюминиевыми электродами» (de: Elektrischer Flüssigkeitskondensator mit Aluminiumelektroden) на основе его идеи использования оксидного слоя в поляризованном конденсаторе в сочетании с нейтральным или слабощелочным электролитом.^[10][11]

«Мокрый» алюминиевый конденсатор

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

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

Первое более распространенное применение влажных алюминиевых электролитических конденсаторов было на больших телефонных станциях, чтобы уменьшить реле хеш (шум) от источника питания постоянного тока 48 В. Развитие бытовых радиоприемников с питанием от переменного тока в конце 1920-х годов создало спрос на конденсаторы большой емкости (для того времени) и высоковольтные конденсаторы для ламповый усилитель техника, обычно не менее 4 мкФ и номинальное напряжение около 500 вольт постоянного тока. Вощеная бумага и промасленный шелк пленочные конденсаторы были доступны, но устройства с таким порядком емкости и номинального напряжения были громоздкими и непомерно дорогими.

«Сухой» алюминиевый конденсатор

«Сухой» электролитический конденсатор на 100 мкФ и 150 В

В предок современного электролитического конденсатора был запатентован Сэмюэл Рубен в 1925 г.,^[12][13] кто объединился с Филип Мэллори, основатель компании по производству аккумуляторов, которая сейчас известна как Duracell International. Идея Рубена приняла многослойную конструкцию конденсатор серебряный слюдяной. 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, А. Эккелем из Hydra-Werke (Германия),^[15] началась фактическая разработка электронных крышек.^[14]

Уильям Дубилье, чей первый патент на электролитические конденсаторы был подан в 1928 году,^[16] индустриализировала новые идеи электролитических конденсаторов и начала первое крупное коммерческое производство в 1931 году на заводе Cornell-Dubilier (CD) в Плейнфилде, штат Нью-Джерси.^[14] В то же время в Берлине, Германия, «Гидра-Верке», AEG компания, запустившая производство электронных бейсболок в больших количествах. Другой производитель, Ральф Д. Мершон, успешно обслужила спрос на радиорынке в электролитических конденсаторах.^[17]

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

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

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 намоткой, и танталовая анодная фольга использовалась вместе с танталовой катодной фольгой, разделенной бумажной прокладкой, пропитанной жидким электролитом, в основном серной кислотой, и заключенной в серебряный корпус.

Соответствующая разработка танталовых конденсаторов с твердым электролитом началась через несколько лет после Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Хаузер Браттейн изобрел транзистор в 1947 году. Его изобрел Bell Laboratories в начале 1950-х годов в качестве миниатюрного и более надежного низковольтного поддерживающего конденсатора в дополнение к недавно изобретенному транзистору. Решение, найденное Р. Л. Тейлором и Х. Э. Харингом в Bell Labs в начале 1950 г., было основано на опыте работы с керамикой. Они измельчали ​​тантал до порошка, который прессовали в цилиндрическую форму, а затем спеченный при высокой температуре от 1500 до 2000 ° C в условиях вакуума для получения гранулы («пробки»).^[21][22]

В этих первых спеченных танталовых конденсаторах использовался нетвердый электролит, что не соответствует концепции твердой электроники. В 1952 году Д. А. Маклин и Ф. С. Пауэр целенаправленные поиски твердого электролита в Bell Labs привели 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 созданы исследователями из Sprague Electric Company. Престон Робинсон, Директор по исследованиям Спрага, считается фактическим изобретателем танталовых конденсаторов в 1954 году.^[24][25] Его изобретение поддержал Р. Дж. Миллард, который в 1955 г. ввел этап «реформы».^[26][27] Значительное улучшение, в котором диэлектрик конденсатора ремонтировался после каждого цикла погружения и преобразования MnO₂ напыления, 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

Электропроводность нетвердых и твердых электролитов

Первый твердый электролит из диоксида марганца, разработанный в 1952 году для танталовых конденсаторов, имел проводимость в 10 раз лучше, чем все другие типы нетвердых электролитов. Это также повлияло на разработку алюминиевых электролитических конденсаторов. В 1964 году появились первые алюминиевые электролитические конденсаторы с твердым электролитом. Электролитический конденсатор SAL вышел на рынок, разработан 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 увеличились в части снижения эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) для байпасных и развязывающих конденсаторов.^[33] Электролит типа диоксида марганца должен быть лучше.

Только в 1983 году новый шаг к снижению СОЭ был сделан компанией Саньо с этими "OS-CON «Алюминиевые электролитические конденсаторы. В этих конденсаторах используется твердый органический проводник, соль переноса заряда TTF-TCNQ (тетрацианохинодиметан ), что обеспечило улучшение проводимости в 10 раз по сравнению с электролитом из диоксида марганца.^[34][35][36]

Следующим шагом в снижении СОЭ стала разработка проводящие полимеры к Алан Дж. Хигер, Алан МакДиармид и Хидеки Сиракава в 1975 г.^[37] Электропроводность проводящих полимеров, таких как полипиррол (PPy) ^[38] или же ПЕДОТ^[39] в 100–500 раз лучше, чем у TCNQ, и близок к проводимости металлов.

В 1991 году компания Panasonic вышла на рынок со своей «SP-Cap»,^[40] называется полимерные алюминиевые электролитические конденсаторы. Эти алюминиевые электролитические конденсаторы с полимерными электролитами достигли очень низких значений ESR, напрямую сопоставимых с керамические многослойные конденсаторы (MLCC). Они были по-прежнему дешевле танталовых конденсаторов, а их плоская конструкция позволяла ноутбуки и сотовые телефоны также конкурировали с танталовыми чип-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 используется недавно разработанный органический проводящий полимер PEDT Poly (3,4-этилендиокситиофен), также известный как PEDOT (торговое название Baytron®). ^[42]

Конденсаторы ниобиевые

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

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 Рубикон была 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 паспортах как имеющие «низкий ESR», «низкий импеданс», «сверхнизкий импеданс» или «высокий пульсирующий ток».

Украденный рецепт такого электролита на водной основе, в котором важны стабилизирующие вещества.^[47][48] отсутствовали,^[49] привел в период с 1999 по 2010 год к широко распространенной проблеме "плохих колпачков" (выход из строя электролитических конденсаторов), протеканию или иногда взрывам компьютеров, источников питания и другого электронного оборудования, которая стала известна как "конденсаторная чума ". В этих электронных крышках 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 коттедж ремонтная промышленность.[21]

Электрические характеристики

Последовательно-эквивалентная схема

Последовательно-эквивалентная схема электролитического конденсатора

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

• C, емкость конденсатора
• р_СОЭ, то эквивалентное последовательное сопротивление который суммирует все омические потери конденсатора, обычно сокращенно "ESR"
• L_ESL, то эквивалентная последовательная индуктивность которая представляет собой эффективную самоиндукцию конденсатора, обычно обозначаемую сокращенно «ESL».
• р_утечка, сопротивление, представляющее ток утечки конденсатора

Емкость, стандартные значения и допуски

Типичная зависимость емкости от частоты

Типичная емкость как функция температуры

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

Основной единицей емкости электролитического конденсатора является микрофарад (мкФ). Значение емкости, указанное в технических паспортах производителей, называется номинальной емкостью C_р или номинальная емкость C_N и - значение, 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 напрямую не сопоставимы и отличаются от таковых у электролитических конденсаторов. пленочные конденсаторы или же керамические конденсаторы, емкость которого 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 ОКРУГ КОЛУМБИЯ емкость. 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 Серия E указан 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 фильтрация и в обход, нет необходимости в узких допусках, потому что они в основном не используются для точных частотных приложений, таких как генераторы.

Номинальное и категория напряжения

Соотношение между номинальным и категориальным напряжением и номинальной и категориальной температурой

В соответствии со стандартом IEC / EN 60384-1 допустимое рабочее напряжение для электролитических конденсаторов называется «номинальным напряжением U_р"или" номинальное напряжение U_N". Номинальное напряжение U_р - максимальное напряжение постоянного тока или пиковое импульсное напряжение, которое может непрерывно применяться при любой температуре в пределах номинального диапазона температур T_р.

Доказательство напряжения 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 в стандарте МЭК указано «пониженное при температуре напряжение» для более высокой температуры, «категория напряжения U»._C". Категория напряжения - это максимальное напряжение постоянного тока или пиковое импульсное напряжение, которое может непрерывно подаваться на конденсатор при любой температуре в пределах диапазона температур категории T._C. 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

Импульсное напряжение

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

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 низкой энергии приводят к ограничению напряжения, аналогичному стабилитрон.^[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

Взорванный алюминиевый электролитический конденсатор на печатной плате

Электролитический конденсатор, который взорвался через вентиляционное отверстие наверху, показывая внутренний диэлектрический материал, который был вытеснен.

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 маркировка 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

Упрощенная последовательно-эквивалентная схема конденсатора для более высоких частот (вверху); векторная диаграмма с электрическими реактивными сопротивлениями Икс_ESL и Икс_C и сопротивление СОЭ и для иллюстрации импеданс Z и коэффициент рассеяния тангенс δ

В общем, конденсатор рассматривается как компонент хранения электроэнергии. Но это только одна функция конденсатора. Конденсатор также может действовать как AC резистор. В частности, алюминиевые электролитические конденсаторы во многих областях используются в качестве развязывающие конденсаторы для фильтрации или обхода нежелательных смещенных частот переменного тока на землю или для емкостная связь звуковых сигналов переменного тока. Тогда диэлектрик используется только для блокировки постоянного тока. Для таких приложений AC сопротивление, то сопротивление, так же важно, как и значение емкости.

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

Импеданс Z это векторная сумма реактивное сопротивление и сопротивление; 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 переменного тока и имеет как величину, так и фаза с определенной частотой.

В технических характеристиках электролитических конденсаторов указывается только величина импеданса. | Z | указывается и просто записывается 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 СОЭ, а индуктивность ESL. В этом случае импеданс на угловой частоте ω дается геометрическим (комплексным) сложением СОЭ, емкостным сопротивлением Икс_C

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

и индуктивным сопротивлением Икс_L (Индуктивность )

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

потом Z дан кем-то

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

В частном случае резонанс, в котором оба реактивных сопротивления Икс_C и Икс_L имеют одинаковое значение (Икс_C= X_L), то импеданс будет определяться только СОЭ. С частотами выше резонанса сопротивление снова увеличивается из-за ESL конденсатора. Конденсатор становится индуктивностью.

СОЭ и коэффициент рассеяния tan δ

• Типичные кривые импеданса и ESR в зависимости от частоты и температуры
• 

  Типичный импеданс и ESR как функция частоты

• 

  Типичный импеданс как функция температуры

В эквивалентное последовательное сопротивление (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 СОЭ уменьшается с увеличением частоты и температуры.^[60]

СОЭ влияет на наложенный AC рябь за сглаживанием и может повлиять на работу схемы. Относительно конденсатора, СОЭ 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 тангенс δ иногда указывается в соответствующих таблицах данных вместо СОЭ. Коэффициент рассеяния определяется тангенсом фазового угла между емкостным реактивным сопротивлением. Икс_C минус индуктивное сопротивление Икс_L и СОЭ. Если индуктивность ESL мала, коэффициент рассеяния можно приблизительно оценить как:

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

Коэффициент рассеяния используется для конденсаторов с очень низкими потерями в схемах определения частоты, где обратное значение коэффициента рассеяния называется фактор качества (Q), которая представляет собой резонаторную пропускная способность.

Пульсация тока

Высокие пульсации тока через сглаживающий конденсатор C1 в источнике питания с полуволновое выпрямление вызывает значительное внутреннее тепловыделение, соответствующее конденсатору СОЭ

«Пульсирующий ток» - это RMS значение наложенного переменного тока любой частоты и любой формы кривой тока для непрерывной работы в указанном диапазоне температур. Возникает в основном в блоках питания (в т.ч. 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. Потеря мощности рассеяния п_L это вызвано СОЭ и - квадрат эффективного (RMS) тока пульсаций. я_р.

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

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 против окружающей среды. Это тепло должно распределяться в виде тепловых потерь. п_th по поверхности конденсатора А и термическое сопротивление β к окружающему.

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

Вырабатываемое внутри тепло должно передаваться в окружающую среду посредством тепловое излучение, конвекция, и теплопроводность. 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 одиночные синусоидальные частоты с помощью Анализ Фурье и суммируются путем сложения в квадрате единичных токов.^[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 предела может привести к взрывному отказу.

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 коротких компонентов.

Бросок тока, пиковый или импульсный ток

Алюминиевые электролитические конденсаторы с нетвердыми электролитами обычно можно заряжать до номинального напряжения без каких-либо скачков тока, пикового или импульсного ограничения. Это свойство является результатом 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

общие характеристики утечки электролитических конденсаторов: ток утечки ${ Displaystyle I_ {утечка}}$ как функция времени ${ displaystyle t}$ в зависимости от вида электролита

  нетвердый, с высоким содержанием воды

  нетвердый, органический

  твердый, полимерный

Для электролитических конденсаторов, Постоянный ток утечки (DCL) - это особая характеристика, которой нет у других обычных конденсаторов. Этот ток представлен резистором R_утечка параллельно с конденсатором в последовательно-эквивалентной схеме 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 нельзя уменьшить «заживлением», потому что в нормальных условиях твердые электролиты не могут обеспечить кислород для процессов образования. Это утверждение не следует путать с процессом самовосстановления во время полевой кристаллизации, см. Ниже «Надежность (частота отказов)».

Спецификация тока утечки в технических паспортах часто дается путем умножения номинального значения емкости. C_р со значением номинального напряжения U_р вместе с дополнительным значением, измеренным после 2 или 5 минут измерения, 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 твердом MnO₂ танталовые электролитические конденсаторы обычно выходят из строя намного быстрее, чем нетвердые электролитические конденсаторы, но остаются на достигнутом уровне.

Диэлектрическое поглощение (пропитывание)

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 разряда диполя с задержкой по времени, явление, которое также называют диэлектрическая релаксация, «замачивание» или «действие батареи».

Диэлектрическое поглощение может быть проблемой в цепях, в которых в работе электронных цепей используются очень малые токи, например, в цепях с длительным током.постоянная времени интеграторы или же выборка и хранение схемы.^[78] В большинстве применений электролитических конденсаторов, поддерживающих линии питания, диэлектрическое поглощение не является проблемой.

Но особенно для электролитических конденсаторов с высоким номинальным напряжением напряжение на выводах, создаваемое 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

Надежность (частота отказов)

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

В надежность компонента - это свойство, показывающее, насколько надежно этот компонент выполняет свою функцию во временном интервале. Это подлежит случайный процесс и может быть описан качественно и количественно; его нельзя измерить напрямую. Надежность электролитических конденсаторов определяется эмпирическим путем путем выявления интенсивность отказов в производстве сопровождающих испытания на выносливость, видеть Техника надежности.

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

В надежность предсказание обычно выражается в интенсивность отказов λ, сокращенно ПОМЕСТИТЬСЯ (Fнедомогание яп Тime]. Это количество отказов, которое можно ожидать в один миллиард (10⁹) компонент-часы 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 случайно, но с предсказуемой скоростью.

Миллиарды испытанных конденсаторных единиц-часов потребуется для определения интенсивности отказов в диапазоне очень низких уровней, которые требуются сегодня для обеспечения производства большого количества компонентов без отказов. 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 от крупных пользователей о неисправных компонентах (частота отказов на месте), что в большинстве случаев приводит к более низкому уровню отказов, чем протестировано.

Обратное значение FIT равно Среднее время наработки на отказ (Среднее время безотказной работы).

Стандартные рабочие условия для интенсивности отказов FIT: 40 ° C и 0,5 U_р. Для других условий приложенного напряжения, токовой нагрузки, температуры, значения емкости, сопротивления цепи (для танталовых конденсаторов), механических воздействий и влажности значение FIT можно пересчитать с коэффициентами ускорения, стандартизованными для промышленных предприятий.^[81] или военные^[82] контексты. 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_р в качестве стандартных условий и выражается в процентах отказавших компонентов на тысячу часов (n% / 1000 ч). То есть «n» количества отказавших компонентов на 10⁵ часов, или в FIT десятиитысячное значение на 10⁹ часы.

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 в качестве стандартных продуктов достигли высокого уровня стандарта MIL «C», который составляет 0,01% / 1000 ч при 85 ° C и U_р или 1 сбой на 10⁷ часов при 85 ° C и U_р.^[87] Пересчитано в FIT с коэффициентами ускорения, полученными из MIL HDKB 217F при 40 ° C и 0,5, U_р 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 спецификации в "% на 1000 ч при 85 ° C и U_р". Они используют спецификацию FIT для 40 ° C и 0,5 U_р в качестве эталонных условий. Алюминиевые электролитические конденсаторы - очень надежные компоненты. Опубликованные цифры показывают для типов низкого напряжения (6,3… 160 В) значения FIT в диапазоне от 1 до 20 FIT.^[88] и для высоковольтных типов (> 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 отказы изнашивания. 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 продолжительность жизни или же срок службы «мокрых» алюминиевых электролитических конденсаторов.

Продолжительность жизни

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

В продолжительность жизни, 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». В соответствии 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 помощью графиков, учитывающих 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 снижается как функция времени, что согласуется со структурой типа гранулированного металла, в которой старение происходит из-за усадки зерен проводящего полимера.^[98] Срок службы полимерных электролитических конденсаторов определяется аналогично нетвердым электронным конденсаторам, но расчет срока службы выполняется 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 применения

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

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 с использованием органических растворителей, таких как ГБЛ поскольку электролит не имеет 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

Символы конденсаторов

Обозначения электролитических конденсаторов

• 

  Электролитический конденсатор

• 

  Электролитический конденсатор

• 

  Электролитический конденсатор

• 

  Биполярный электролитический конденсатор

Параллельное соединение

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

Последовательное соединение

Некоторые приложения, такие как Преобразователи AC / AC с промежуточным звеном для регулирования частоты в трехфазные сети требуется более высокое напряжение, которое обычно предлагают алюминиевые электролитические конденсаторы. 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

Маркировка полярности полимерных электролитических конденсаторов

Прямоугольные полимерные конденсаторы, тантал, а также алюминий, иметь маркировку полярности на аноде (плюс) сторона	Цилиндрические полимерные конденсаторы иметь маркировку полярности на катоде (минус) сторона

Отпечатанные маркировки

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 Дж / K / M «V», где XYZ представляет собой емкость (рассчитывается как XY × 10^Z pF) буквы K или M обозначают допуск (± 10% и ± 20% соответственно), а «V» обозначает рабочее напряжение.

Примеры:

• 105K 330V подразумевает емкость 10 × 10⁵ pF = 1 мкФ (K = ± 10%) при номинальном напряжении 330 В.
• 476M 100V подразумевает емкость 47 × 10⁶ pF = 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

Стандартизация для всех электрические, электронный компоненты и связанные технологии следуют правилам, установленным Международная электротехническая комиссия (IEC),^[106] а некоммерческий, неправительственная международная организация стандартов.^[107][108]

Определение характеристик и методика испытаний для конденсаторы для использования в электронном оборудовании изложены в Общая спецификация:

• 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 стандартизированных типов, изложены ниже. секционные спецификации:

• IEC / EN 60384-3—Фиксированные танталовые электролитические конденсаторы поверхностного монтажа с твердым электролитом из диоксида марганца
• IEC / EN 60384-4—Конденсаторы электролитические алюминиевые с твердым (MnO₂) и нетвердый электролит
• IEC / EN 60384-15—Фиксированные танталовые конденсаторы с нетвердым и твердым электролитом
• IEC / EN 60384-18—Фиксированные алюминиевые электролитические конденсаторы поверхностного монтажа с твердотельными (MnO₂) и нетвердый электролит
• IEC / EN 60384-24—Фиксированные танталовые электролитические конденсаторы поверхностного монтажа с проводящим полимерным твердым электролитом
• IEC / EN 60384-25—Фиксированные алюминиевые электролитические конденсаторы поверхностного монтажа с проводящим полимерным твердым электролитом
• IEC / EN 60384-26—Фиксированные алюминиевые электролитические конденсаторы с проводящим полимерным твердым электролитом

Рынок

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 продукция

Дата таблицы: март 2015 г.

Смотрите также

• E-серия предпочтительных номеров
• Типы конденсатора

Рекомендации

дальнейшее чтение

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