1. Introdução
Capacitores eletrolíticos de alumínio são atualmente uma grande variedade de capacitores, além dos capacitores de cerâmica. Portanto, como engenheiro de hardware, você deve dominar suas características.
Com base em nossa própria experiência, resumimos este documento para as necessidades e dificuldades do projeto de hardware consultando vários materiais. By writing documents, e também espero que, aprenda o novo revisando o passado, e também espero que seja útil para os leitores, para que todos possam aprender e progredir juntos.
2. Visão geral dos capacitores eletrolíticos de alumínio
2.1, o modelo básico
Capacitores são dispositivos passivos. Entre vários capacitores, 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.
A fórmula de cálculo da capacidade eletrostática é a seguinte:
Entre eles, é a constante dielétrica, S é a área de superfície das duas placas polares voltadas uma para a outra, e d é a distância entre as duas placas polares (a espessura do dielétrico).
Pode-se observar pela fórmula que a capacidade eletrostática é proporcional à constante dielétrica, 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 capacitores eletrolíticos de alumínio é geralmente 8 ~ 10, este valor geralmente não é maior do que outros tipos de capacitores, mas gravando a folha de alumínio para aumentar a área de superfície, e usando tratamento eletroquímico para ficar mais fino. A camada dielétrica oxidada mais resistente à voltagem permite que os capacitores eletrolíticos de alumínio alcancem um valor CV maior por unidade de área do que outros capacitores.
Os principais componentes dos capacitores eletrolíticos de alumínio são os seguintes:
e também espero que
Dielétrico — Filme de óxido (Al2O3) formado na superfície da folha de alumínio do ânodo
Cátodo - O cátodo real é eletrólito
Outros componentes incluem papel eletrolítico impregnado com eletrólito, and cathode foil connected to the electrolyte. t estado subdividiu estados, aluminum electrolytic capacitors are components with polar asymmetric structure. Both electrodes use anode aluminum foil is a bipolar (não polar) capacitor.
2.2. Estrutura básica
A estrutura do elemento capacitor eletrolítico de alumínio é mostrada na figura. É feito de folha de ânodo, papel eletrolítico, folha catódica e terminais (terminais internos e externos) feridos juntos, impregnado com eletrólito, e embalado em uma caixa de alumínio, e então selado com borracha.
2.3, as características do material
Folha de alumínio do capacitor é o principal material dos capacitores eletrolíticos de alumínio. A folha de alumínio é definida como o ânodo. Depois que a eletricidade é energizada no eletrólito, um filme de óxido (Al2O3) será formado na superfície da folha de alumínio. Este filme de óxido funciona como um dielétrico.
A folha de alumínio após a formação do filme de óxido é um metal com propriedades retificadoras no eletrólito, como um diodo, que é chamado de metal de válvula.
Primeiro, a fim de expandir a área de superfície, the aluminum foil material is placed in an aqueous chloride solution for electrochemical etching. Então, depois de aplicar uma tensão superior à tensão nominal na solução de borato de amônio, uma camada de óxido dielétrico (Al2O3) é formado na superfície da folha de alumínio. Esta camada dielétrica é um filme de óxido muito fino e denso, cerca de 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.
Como a folha de ânodo, a folha de alumínio do cátodo também tem um processo de corrosão, but there is no oxidation process. Portanto, há apenas uma pequena quantidade de oxidação natural (Al2O3) na superfície da folha de alumínio do cátodo, e a tensão que ele pode suportar é apenas cerca de 0,5 V.
Eletrólito
O eletrólito é um líquido que conduz eletricidade por íons. 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 o colecionador, 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 frequência, vida de serviço, etc.).
Papel eletrolítico
O papel eletrolítico desempenha principalmente um papel no equilíbrio da distribuição de eletrólito e mantendo a lacuna entre a folha do cátodo e a folha do ânodo.
2.4. Processo de produção
Gravura (expandindo a área de superfície)
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.
Formação (formação de camada dielétrica)
Formação é o processo de formação de uma camada dielétrica (Al2O3) on the surface of the anode aluminum foil. Geralmente, a folha de alumínio formada é usada como um ânodo.
Colheita
De acordo com os requisitos de tamanho de diferentes produtos, corte a folha de alumínio (folha de cátodo e folha de ânodo) e papel eletrolítico para o tamanho necessário.
Enrolamento
Insira papel eletrolítico entre a folha de cátodo e a folha de ânodo, e, em seguida, enrole-o em uma forma cilíndrica. No processo de enrolamento, a folha de cátodo e a folha de ânodo são conectadas aos terminais.
Impregnação
Impregnation is the process of immersing the element into the electrolyte. The electrolyte can further repair the dielectric layer.
foca
A vedação é o processo de colocar o elemento no invólucro de alumínio e, em seguida, vedá-lo com um material de vedação (borracha, capa de borracha, etc.).
Envelhecimento (reformado em)
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.
Inspeção completa, embalagem
Depois de envelhecer, all products will be checked for electrical characteristics. And for terminal processing, braiding and so on. Pack it.
3. Características básicas
3.1, capacidade eletrostática
Quanto maior for a área de superfície do eletrodo, quanto maior a capacidade (a capacidade de armazenar carga). The capacitance value of aluminum electrolytic capacitor is the value tested under the condition of 20℃, 120Hz / corrente alternada 0,5 V.
Conforme a temperatura aumenta, a capacidade aumenta; conforme a temperatura diminui, a capacidade diminui.
Quanto maior a frequência, quanto menor a capacidade; quanto menor a frequência, quanto maior a capacidade.
3.2, ângulo de perda
O circuito equivalente do capacitor eletrolítico é mostrado na figura acima (ignorando a resistência de isolamento). Quando a frequência é 120Hz (o ângulo de perda nominal do capacitor geral é medido nesta frequência), a frequência é muito baixa em relação à indutância série equivalente L, então pode ser ignorado L, o modelo do ângulo de perda é o seguinte:
A fórmula do ângulo de perda pode ser obtida:
A relação entre o ângulo de perda e a temperatura é mostrada na figura abaixo. Quanto mais alta a temperatura, quanto menor o ângulo de perda.
Em baixas temperaturas, pode-se ver que o ângulo de perda se torna muito maior. Isto é 0.05 a 20 ° C e 0.09 a -40 ° C. De acordo com a fórmula, o ESR aumentou quase o dobro.
3.3, corrente de fuga
A corrente de fuga é uma das características dos capacitores eletrolíticos de alumínio. Quando uma tensão DC é aplicada, a camada de óxido dielétrico permite que uma pequena corrente passe. This part of the small current is called leakage current. The ideal capacitor will not produce leakage current (ao contrário da corrente de carga, esta corrente continuará a existir mesmo se a tensão for constante).
A corrente de fuga mudará com o tempo, como mostrado na figura, it will reach a stable value after decreasing with time. Portanto, o valor de especificação da corrente de fuga é o valor medido após a aplicação da tensão nominal por um período de tempo a 20 ° C.
Quando a temperatura aumenta, a corrente de fuga aumenta; quando a temperatura diminui, a corrente de fuga diminui, e a tensão aplicada diminui, e o valor da corrente de fuga também diminui.
3.4. Curva de impedância-frequência
De acordo com o modelo, a impedância complexa do capacitor é:
Módulo de impedância: 28
Desenhe a curva de frequência de impedância como mostrado abaixo:
1/ωC é reatância 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, a influência da perda dielétrica dependente da frequência é grande, so the R curve is downward. In the high frequency range, o valor da resistência do eletrólito e do papel eletrolítico domina e não é mais afetado pela frequência, então o valor de R tende a ser estável.
4. Parâmetros do capacitor eletrolítico de alumínio comum
Os fabricantes geralmente têm várias séries de capacitores eletrolíticos, ESR baixo, vida longa, and high temperature. The ordinary products are performance, sim, os parâmetros gerais de temperatura e vida são 85 ℃ / 105 ℃ -1000h / 2000h. Esta seção também é sobre este tipo de capacitores eletrolíticos de alumínio.
5. Capacitores eletrolíticos de alumínio de alta qualidade
Os capacitores eletrolíticos de alumínio de alta qualidade aqui são relativos aos capacitores eletrolíticos de alumínio comuns. Em algumas ocasiões especiais, ordinary aluminum electrolytic capacitors cannot meet our requirements. Na verdade, fabricantes de capacitores eletrolíticos de alumínio geralmente fornecem várias séries de modelos. Os de alta qualidade são divididos principalmente em três categorias: resistência a altas temperaturas, vida longa, e baixa impedância.
e também espero que.
A longa vida pode chegar a 5000h, e a alta temperatura pode chegar a 125 ℃.
6. Tensão anormal
A aplicação de tensão anormal fará com que o calor e o gás dentro do capacitor aumentem a pressão interna, e o aumento da pressão fará com que a válvula se abra ou o capacitor seja danificado.
6.1, tensão excessiva
Aplicar uma tensão maior do que a tensão nominal causará uma reação química da folha do ânodo (formação de um dielétrico), resultando em um rápido aumento na corrente de fuga, que irá gerar calor e gás, e a pressão interna também aumentará.
Esta reação química irá acelerar com o aumento da voltagem, atual, 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, o ângulo de perda e a corrente de fuga para aumentar, o que pode causar um curto-circuito no capacitor.
6.2 Voltagem inversa
e também espero que. Como aplicar uma tensão excessiva, fará com que a corrente de fuga aumente rapidamente, e calor e gás serão gerados dentro do capacitor, o que fará com que a pressão interna aumente.
Esta reação química irá acelerar com o aumento da voltagem, atual, and ambient temperature. Ao mesmo tempo, a capacidade eletrostática diminui, o ângulo de perda aumenta, e a corrente de fuga aumenta.
Aplicar uma tensão reversa de cerca de 1V causará uma diminuição na capacidade; aplicar uma tensão reversa de 2V-3V causará uma diminuição na capacidade, 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, a válvula abrirá ou o capacitor será danificado.
7. Tensão de reinicialização
Carregue o capacitor eletrolítico de alumínio, curto-circuite seus terminais, e, em seguida, abra a linha de curto-circuito e deixe-a por um período de tempo, the voltage between the two terminals will rise again. The voltage at this time is called the restart voltage.
Depois que uma tensão é aplicada ao dielétrico, uma mudança elétrica ocorre dentro do dielétrico, and the surface of the dielectric carries the applied voltage and positive and negative reverse charges. (Polarização) Porque a velocidade de polarização é rápida ou lenta, depois de aplicar uma voltagem, defina a tensão entre os terminais para 0V, abrir a linha, e coloque-o. O potencial de reação de polarização lenta gera uma tensão entre os terminais.
A mudança de tempo da tensão de reinicialização é mostrada na figura. O valor de pico é alcançado após cerca de 10-20 dias após os dois terminais serem abertos, and then gradually decreases. Além disso, o valor do poder de ressurgimento de grandes produtos (tipo terminal de parafuso, tipo de placa autoportante) tende a aumentar.
Depois que a re-voltagem ocorrer, se os dois terminais entrarem em curto-circuito acidentalmente, a ignição trará uma sensação de terror aos trabalhadores da linha de produção, and the low-voltage driving elements such as the circuit's CPU and memory may also be damaged. As a preventive measure, por favor, descarregue a carga acumulada com uma resistência de cerca de 100 a 1K ohms antes de usar.
8. Vida útil dos capacitores eletrolíticos de alumínio
8.1. O princípio de cálculo da vida
A vida útil dos capacitores eletrolíticos de alumínio é geralmente afetada pelo fenômeno de que o eletrólito evapora para fora através da vedação, que se manifesta como uma diminuição na capacidade eletrostática e um aumento no valor da tangente de perda.
e também espero que:
k é: velocidade de reação química
UMA: Fator de freqüência
E: Energia de ativação
R: Constante de gás
T: temperatura
Esta fórmula ilustra a relação logarítmica entre a taxa de reação química (a taxa de perda de eletrólito) and temperature. The temperature is determined by the ambient temperature of the aluminum electrolytic capacitor and the ripple current. Portanto, a temperatura ambiente e a ondulação da corrente determinam a vida útil do capacitor eletrolítico de alumínio.
A fórmula de vida útil real dos capacitores eletrolíticos de alumínio é a seguinte (diferentes capacitores têm algumas diferenças, Somente para referência):
Lx é a vida útil.
Lo é o valor vitalício garantido (o tempo de vida declarado na especificação).
To é a temperatura de trabalho (o limite superior da temperatura na especificação).
Tx é a temperatura ambiente real, a temperatura ambiente real do capacitor eletrolítico de alumínio.
É fácil conseguir isso: cada vez que a temperatura de operação do capacitor aumenta em 10 ° C, a vida do capacitor é duplicada