Un artículo le brinda una comprensión profunda del condensador electrolítico de aluminio

1. Introducción

Los condensadores electrolíticos de aluminio son actualmente una amplia variedad de condensadores además de los condensadores cerámicos.. Por lo tanto, como ingeniero de hardware, debes dominar sus características.

Basado en nuestra propia experiencia, La aleación de aluminio con Mg como principal elemento aditivo se denomina aleación de aluminio antioxidante debido a su buena resistencia a la corrosión.. By writing documents, La relación entre la tasa de evaporación del electrolito y la temperatura se expresa mediante la ley de Arrhenius., aprende lo nuevo repasando el pasado, y también espero que sea útil para los lectores, para que todos puedan aprender y progresar juntos.

2. Descripción general de los condensadores electrolíticos de aluminio

2.1, el modelo básico

Los condensadores son dispositivos pasivos. Entre varios condensadores, aluminum electrolytic capacitors have a larger CV value and a cheaper price when the same size is compared with other capacitors. The basic model of the capacitor is shown in the figure.

La fórmula de cálculo de la capacidad electrostática es la siguiente:

Entre ellos, es la constante dieléctrica, S es el área de la superficie de las dos placas polares enfrentadas, yd es la distancia entre las dos placas polares (el espesor del dieléctrico).

Se puede ver en la fórmula que la capacidad electrostática es proporcional a la constante dieléctrica., and the surface area of ​​the plate is inversely proportional to the distance between the two plates. As the dielectric constant of the dielectric oxide film (Al2O3) de condensadores electrolíticos de aluminio suele ser de 8 ~ 10, este valor generalmente no es mayor que otros tipos de condensadores, pero grabando el papel de aluminio para agrandar el área de la superficie, y el uso de tratamiento electroquímico para adelgazar La capa dieléctrica oxidada más resistente al voltaje permite que los condensadores electrolíticos de aluminio alcancen un valor CV mayor por unidad de área que otros condensadores.

Los componentes principales de los condensadores electrolíticos de aluminio son los siguientes:

La relación entre la tasa de evaporación del electrolito y la temperatura se expresa mediante la ley de Arrhenius.

Dieléctrico: película de óxido (Al2O3) formado en la superficie del papel de aluminio del ánodo

Cátodo: el cátodo real es el electrolito.

Otros componentes incluyen papel electrolítico impregnado con electrolito., and cathode foil connected to the electrolyte. t estado tiene estados subdivididos, aluminum electrolytic capacitors are components with polar asymmetric structure. Both electrodes use anode aluminum foil is a bipolar (no polar) condensador.

2.2. Estructura basica

La estructura del elemento condensador electrolítico de aluminio se muestra en la figura.. Está compuesto por una lámina de ánodo., papel electrolítico, lámina de cátodo y terminales (terminales internos y externos) enrollar juntos, impregnado de electrolito, y empaquetado en una caja de aluminio, y luego sellado con goma.

2.3, las características del material

Papel de aluminio del condensador es el material principal de los condensadores electrolíticos de aluminio. El papel de aluminio se establece como ánodo.. Después de que se energiza la electricidad en el electrolito, una película de óxido (Al2O3) se formará en la superficie del papel de aluminio. Esta película de óxido funciona como dieléctrico..

El papel de aluminio después de que se forma la película de óxido es un metal con propiedades rectificadoras en el electrolito., como un diodo, que se llama válvula de metal.

Papel de aluminio anódico

Primero, para ampliar la superficie, the aluminum foil material is placed in an aqueous chloride solution for electrochemical etching. Luego, después de aplicar un voltaje superior al voltaje nominal en la solución de borato de amonio, una capa de óxido dieléctrico (Al2O3) se forma en la superficie del papel de aluminio. Esta capa dieléctrica es una película de óxido muy fina y densa., aproximadamente 1.1 ~ 1.5nm / V, and the insulation resistance is about It is 10^8~10^9Ω/m. The thickness of the oxide layer is proportional to the withstand voltage.

Papel de aluminio de cátodo

Como la lámina del ánodo, el papel de aluminio del cátodo también tiene un proceso de grabado, but there is no oxidation process. Por lo tanto, solo hay una pequeña cantidad de oxidación natural (Al2O3) en la superficie del cátodo de papel de aluminio, y el voltaje que puede soportar es de solo 0,5 V.

Electrólito

El electrolito es un líquido que conduce la electricidad por iones.. It is a cathode in the true sense and serves as a dielectric layer that connects the surface of the anode aluminum foil. The cathode aluminum foil, como el coleccionista, acts as a connection between the real cathode and the internal circuit. Electrolyte is the key material that determines the characteristics of capacitors (características de temperatura, características de frecuencia, vida de servicio, etc.).

Papel electrolítico

El papel electrolítico juega un papel principalmente en el equilibrio de la distribución del electrolito y mantiene el espacio entre la lámina del cátodo y la lámina del ánodo..

2.4. Proceso de producción

Grabando (área de superficie en expansión)

The effect of etching is to enlarge the surface area of ​​the aluminum foil. Etching is an electrochemical process in which alternating or direct current is applied to a chloride solution.

Formación (formación de capa dieléctrica)

La formación es el proceso de formación de una capa dieléctrica. (Al2O3) on the surface of the anode aluminum foil. Generalmente, la hoja de aluminio formada se utiliza como ánodo.

Cultivo

Según los requisitos de tamaño de diferentes productos., cortar el papel de aluminio (lámina de cátodo y lámina de ánodo) y papel electrolítico del tamaño requerido.

Devanado

Inserte papel electrolítico entre la lámina del cátodo y la lámina del ánodo, y luego enrollarlo en forma cilíndrica. En el proceso de bobinado, la lámina del cátodo y la lámina del ánodo están conectadas a los terminales.

Impregnación

Impregnation is the process of immersing the element into the electrolyte. The electrolyte can further repair the dielectric layer.

foca

El sellado es el proceso de colocar el elemento en la carcasa de aluminio y luego sellarlo con un material de sellado. (caucho, cubierta de goma, etc.).

Envejecimiento (reformado en)

Aging is the process of applying voltage to the sealed capacitor at a high temperature. This process can repair some damage to the dielectric layer during the cutting and winding process.

Inspección completa, embalaje

Despues de envejecer, all products will be checked for electrical characteristics. And for terminal processing, braiding and so on. Pack it.

3. Caracteristicas basicas

3.1, capacidad electrostática

Cuanto mayor sea la superficie del electrodo, cuanto mayor sea la capacidad (la capacidad de almacenar carga). The capacitance value of aluminum electrolytic capacitor is the value tested under the condition of 20℃, 120Hz / 0,5 V corriente alterna.

A medida que aumenta la temperatura, la capacidad aumenta; a medida que la temperatura disminuye, la capacidad disminuye.

Cuanto mayor sea la frecuencia, cuanto menor sea la capacidad; cuanto menor sea la frecuencia, cuanto mayor sea la capacidad.

3.2, ángulo de pérdida

El circuito equivalente del condensador electrolítico se muestra en la figura anterior. (ignorando la resistencia del aislamiento). Cuando la frecuencia es de 120 Hz (el ángulo de pérdida nominal del condensador general se mide a esta frecuencia), la frecuencia es muy baja en relación con la inductancia en serie equivalente L, para que se pueda ignorar L, el modelo de ángulo de pérdida es el siguiente:

Se puede obtener la fórmula del ángulo de pérdida:

La relación entre el ángulo de pérdida y la temperatura se muestra en la siguiente figura.. Cuanto mayor sea la temperatura, cuanto menor es el ángulo de pérdida.

A bajas temperaturas, se puede ver que el ángulo de pérdida se vuelve mucho mayor. Está 0.05 a 20 ° C y 0.09 a -40 ° C. Según la fórmula, la ESR ha aumentado casi el doble.

3.3, corriente de fuga

La corriente de fuga es una de las características de los condensadores electrolíticos de aluminio.. Cuando se aplica un voltaje de CC, la capa de óxido dieléctrico deja pasar una pequeña corriente. This part of the small current is called leakage current. The ideal capacitor will not produce leakage current (a diferencia de la corriente de carga, esta corriente seguirá existiendo incluso si el voltaje es constante).

La corriente de fuga cambiará con el tiempo., como se muestra en la figura, it will reach a stable value after decreasing with time. Por lo tanto, el valor de especificación de la corriente de fuga es el valor medido después de aplicar la tensión nominal durante un período de tiempo a 20 ° C.

Cuando sube la temperatura, la corriente de fuga aumenta; cuando la temperatura baja, la corriente de fuga disminuye, y el voltaje aplicado disminuye, y el valor de la corriente de fuga también disminuye.

3.4. Curva de impedancia-frecuencia

Según el modelo, la impedancia compleja del condensador es:

Módulo de impedancia: 28

Dibuje la curva de impedancia-frecuencia como se muestra a continuación:

1/ωC es reactancia capacitiva, and the straight line of capacitive reactance in the figure is angled at 45° downward. ωL is the inductive reactance, and its straight line forms an angle of 45° to the upper right corner. R represents equivalent series resistance. In the low frequency range, la influencia de la pérdida dieléctrica dependiente de la frecuencia es grande, so the R curve is downward. In the high frequency range, el valor de resistencia del papel electrolítico y electrolítico domina y ya no se ve afectado por la frecuencia, por lo que el valor de R tiende a ser estable.

4. Parámetros ordinarios del condensador electrolítico de aluminio

Los fabricantes generalmente tienen varias series de condensadores electrolíticos., baja ESR, larga vida, and high temperature. The ordinary products are performance, sí, los parámetros generales de temperatura y vida son 85 ℃ / 105 ℃ -1000h / 2000h. Esta sección también trata sobre este tipo de condensadores electrolíticos de aluminio..

5. Condensadores electrolíticos de aluminio de alta calidad

Los condensadores electrolíticos de aluminio de alta calidad aquí son relativos a los condensadores electrolíticos de aluminio ordinarios.. En algunas ocasiones especiales, ordinary aluminum electrolytic capacitors cannot meet our requirements. De hecho, Los fabricantes de condensadores electrolíticos de aluminio suelen ofrecer varias series de modelos.. Los de alta calidad se dividen principalmente en tres categorías.: resistencia a altas temperaturas, larga vida, y baja impedancia.

La relación entre la tasa de evaporación del electrolito y la temperatura se expresa mediante la ley de Arrhenius..

La larga vida puede llegar a 5000 h., y la temperatura alta puede alcanzar los 125 ℃.

6. Voltaje anormal

La aplicación de voltaje anormal hará que el calor y el gas dentro del capacitor aumenten la presión interna, y el aumento de presión hará que la válvula se abra o el condensador se dañe.

6.1, voltaje excesivo

La aplicación de un voltaje superior al voltaje nominal provocará una reacción química de la lámina del ánodo. (formación de un dieléctrico), resultando en un rápido aumento de la corriente de fuga, que generará calor y gas, y la presión interna también aumentará.

Esta reacción química se acelerará con el aumento de voltaje., Actual, and ambient temperature. As the internal pressure increases, the capacitor will open the valve or be damaged. It may also cause the capacitor capacity to decrease, el ángulo de pérdida y la corriente de fuga para aumentar, lo que puede provocar un cortocircuito en el condensador.

6.2 Tensión inversa

La relación entre la tasa de evaporación del electrolito y la temperatura se expresa mediante la ley de Arrhenius.. Como aplicar un voltaje excesivo, hará que la corriente de fuga aumente rápidamente, y se generará calor y gas dentro del condensador, lo que hará que la presión interna aumente.

Esta reacción química se acelerará con el aumento de voltaje., Actual, and ambient temperature. Al mismo tiempo, la capacidad electrostática disminuye, el ángulo de pérdida aumenta, y la corriente de fuga aumenta.

La aplicación de un voltaje inverso de aproximadamente 1 V provocará una disminución en la capacidad; la aplicación de un voltaje inverso de 2V-3V provocará una disminución en la capacidad, an increase in loss angle/or an increase in leakage current and shorten the life of the capacitor. If a larger reverse voltage is applied, la válvula se abrirá o el condensador se dañará.

7. Reiniciar voltaje

Cargue el condensador electrolítico de aluminio, cortocircuito sus terminales, y luego abra la línea de cortocircuito y déjela por un período de tiempo, the voltage between the two terminals will rise again. The voltage at this time is called the restart voltage.

Después de aplicar un voltaje al dieléctrico, se produce un cambio eléctrico dentro del dieléctrico, and the surface of the dielectric carries the applied voltage and positive and negative reverse charges. (Polarización) Porque la velocidad de polarización es rápida o lenta., después de aplicar un voltaje, establezca el voltaje entre los terminales a 0 V, abre la linea, y colócalo. El potencial de reacción de polarización lenta genera un voltaje entre los terminales..

El cambio de tiempo de la tensión de reinicio se muestra en la figura. El valor pico se alcanza después de aproximadamente 10-20 días después de la apertura de las dos terminales, and then gradually decreases. Además, el valor del poder de resurgimiento de los grandes productos (tipo de terminal de tornillo, tablero tipo autoportante) tiende a aumentar.

Después de que ocurre el nuevo voltaje, si los dos terminales se cortocircuitan accidentalmente, El encendido traerá una sensación de terror a los trabajadores de la línea de producción., and the low-voltage driving elements such as the circuit's CPU and memory may also be damaged. As a preventive measure, descargue la carga acumulada con una resistencia de aproximadamente 100 a 1K ohmios antes de usar.

8. Vida útil de los condensadores electrolíticos de aluminio.

8.1. El principio de cálculo de la vida.

La vida útil de los condensadores electrolíticos de aluminio generalmente se ve afectada por el fenómeno de que el electrolito se evapora al exterior a través del sello., que se manifiesta como una disminución en la capacidad electrostática y un aumento en el valor de la tangente de pérdida.

La relación entre la tasa de evaporación del electrolito y la temperatura se expresa mediante la ley de Arrhenius.:

k es: velocidad de reacción química

A: Factor de frecuencia

mi: Energía de activación

R: Constante de gas

T: temperatura

Esta fórmula ilustra la relación logarítmica entre la velocidad de reacción química (la tasa de pérdida de electrolitos) and temperature. The temperature is determined by the ambient temperature of the aluminum electrolytic capacitor and the ripple current. Por lo tanto, la temperatura ambiente y la corriente de ondulación determinan la vida útil del condensador electrolítico de aluminio.

La fórmula de vida útil real de los condensadores electrolíticos de aluminio es la siguiente (diferentes condensadores tienen algunas diferencias, solo para referencia):

Lx es la vida útil.

Lo es el valor de por vida garantizado (la vida útil declarada en la especificación).

A es la temperatura de trabajo (el límite superior de la temperatura en la especificación).

Tx es la temperatura ambiente real, la temperatura ambiente real del condensador electrolítico de aluminio.

La relación entre la tasa de evaporación del electrolito y la temperatura se expresa mediante la ley de Arrhenius.: cada vez que la temperatura de funcionamiento del condensador aumenta en 10 ° C, la vida del condensador se duplica