Алюминиевые электролитические конденсаторы (обычно) являются поляризованными электролитическими конденсаторами , анодный электрод (+) которых изготовлен из чистой алюминиевой фольги с протравленной поверхностью. Алюминий образует очень тонкий изолирующий слой оксида алюминия путем анодирования , который действует как диэлектрик конденсатора. Нетвердый электролит покрывает шероховатую поверхность оксидного слоя, выступая в принципе в качестве второго электрода ( катода ) (-) конденсатора. Вторая алюминиевая фольга, называемая «катодной фольгой», контактирует с электролитом и служит в качестве электрического соединения с отрицательной клеммой конденсатора.
Алюминиевые электролитические конденсаторы делятся на три подсемейства по типу электролита:
Алюминиевые электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом являются наиболее недорогим типом, а также имеют самый широкий диапазон размеров, значений емкости и напряжения. Они изготавливаются со значениями емкости от 0,1 мкФ до 2 700 000 мкФ (2,7 Ф) [1] и номинальным напряжением от 4 В до 630 В. [2] Жидкий электролит обеспечивает кислород для повторного формирования или «самовосстановления» диэлектрического оксидного слоя. Однако он может испаряться в процессе высыхания, зависящем от температуры, что приводит к дрейфу электрических параметров, ограничивая срок службы конденсаторов.
Благодаря относительно высоким значениям емкости алюминиевые электролитические конденсаторы имеют низкие значения импеданса даже на более низких частотах, таких как частота сети . Обычно они используются в источниках питания , импульсных источниках питания и преобразователях постоянного тока для сглаживания и буферизации выпрямленных напряжений постоянного тока во многих электронных устройствах, а также в промышленных источниках питания и преобразователях частоты в качестве конденсаторов звена постоянного тока для приводов , инверторов для фотоэлектрических систем и преобразователей в ветровых электростанциях . Специальные типы используются для хранения энергии, например, в фотовспышках или стробоскопах или для связи сигналов в аудиоприложениях.
Алюминиевые электролитические конденсаторы являются полярными конденсаторами из-за принципа их анодирования. Они могут работать только с постоянным напряжением, приложенным с правильной полярностью. Эксплуатация конденсатора с неправильной полярностью или с переменным напряжением приводит к короткому замыканию , которое может разрушить компонент. Исключением является биполярный или неполярный алюминиевый электролитический конденсатор, который имеет конфигурацию «спина к спине» из двух анодов в одном корпусе и который можно безопасно использовать в приложениях переменного тока.
Электролитические конденсаторы используют химическую особенность некоторых специальных металлов, ранее называемых «вентильными металлами». Приложение положительного напряжения к анодному материалу в электролитической ванне образует изолирующий оксидный слой толщиной, соответствующей приложенному напряжению. Этот оксидный слой действует как диэлектрик в электролитическом конденсаторе. Свойства этого слоя оксида алюминия по сравнению со слоем диэлектрика из пентаоксида тантала приведены в следующей таблице:
После формирования диэлектрического оксида на шероховатых анодных структурах противоэлектрод должен соответствовать шероховатой изолирующей оксидной поверхности. Это обеспечивается электролитом, который действует как катодный электрод электролитического конденсатора. Электролиты могут быть «нетвердыми» (влажными, жидкими) или «твердыми». Нетвердые электролиты, как жидкая среда, имеющая ионную проводимость , вызванную движущимися ионами, относительно нечувствительны к скачкам напряжения или тока. Твердые электролиты имеют электронную проводимость , что делает твердые электролитические конденсаторы чувствительными к скачкам напряжения или тока.
Образующийся на аноде изолирующий оксидный слой разрушается при изменении полярности приложенного напряжения.
Каждый электролитический конденсатор в принципе представляет собой «плоский конденсатор», емкость которого тем больше, чем больше площадь электрода A и диэлектрическая проницаемость ε, и чем меньше толщина (d) диэлектрика.
Емкость пропорциональна произведению площади одной пластины, умноженной на диэлектрическую проницаемость, деленную на толщину диэлектрика.
Электролитические конденсаторы достигают своих больших значений емкости за счет большой площади и малой толщины диэлектрика. Толщина диэлектрика электролитических конденсаторов очень мала, в диапазоне нанометров на вольт, но прочность напряжения этих оксидных слоев довольно высока. Все протравленные или спеченные аноды имеют гораздо большую поверхность по сравнению с гладкой поверхностью той же площади. Это увеличивает значение емкости в 200 раз для алюминиевых электролитических конденсаторов. [6] [7]
Алюминиевый электролитический конденсатор с нетвердым электролитом всегда состоит из двух алюминиевых фольг, разделенных механически прокладкой, в основном бумажной, которая пропитана жидким или гелеобразным электролитом. Одна из алюминиевых фольг, анод, протравлена (придана шероховатость) для увеличения поверхности и окислилась (формована). Вторая алюминиевая фольга, называемая «катодной фольгой», служит для создания электрического контакта с электролитом. Бумажная прокладка механически разделяет фольгу, чтобы избежать прямого металлического контакта. И фольга, и прокладка намотаны, и обмотка пропитана жидким электролитом. Электролит, который служит катодом конденсатора, идеально покрывает протравленную шероховатую структуру оксидного слоя на аноде и делает увеличенную поверхность анода эффективной. После пропитки пропитанная обмотка монтируется в алюминиевый корпус и герметизируется.
По своей конструкции нетвердый алюминиевый электролитический конденсатор имеет вторую алюминиевую фольгу, так называемую катодную фольгу, для контакта с электролитом. Такая структура алюминиевого электролитического конденсатора приводит к характерному результату, поскольку вторая алюминиевая (катодная) фольга также покрыта изолирующим оксидным слоем, естественным образом образованным воздухом. Поэтому конструкция электролитического конденсатора состоит из двух одиночных последовательно соединенных конденсаторов с емкостью анода C A и емкостью катода C K. Общая емкость конденсатора C e-cap таким образом получается из формулы последовательного соединения двух конденсаторов:
Из этого следует, что общая емкость конденсатора C e-cap в основном определяется емкостью анода C A , когда емкость катода C K очень велика по сравнению с емкостью анода C A . Это требование предъявляется, когда емкость катода C K примерно в 10 раз больше емкости анода C A . Этого можно легко достичь, поскольку естественный оксидный слой на поверхности катода имеет электрическую прочность около 1,5 В и поэтому очень тонок.
Хотя в настоящей статье речь идет, по сути, только об алюминиевых электролитических конденсаторах с нетвердым электролитом, здесь дается обзор различных типов алюминиевых электролитических конденсаторов, чтобы подчеркнуть различия. Алюминиевые электролитические конденсаторы делятся на два подтипа в зависимости от того, используют ли они жидкие или твердые электролитные системы. Поскольку различные электролитные системы могут быть изготовлены из различных материалов, они включают дополнительные подтипы.
Описание материалов
В следующей таблице представлен обзор основных характеристик различных типов алюминиевых электролитических конденсаторов.
1) Значения для типичного конденсатора 100 мкФ/10–16 В
Алюминиевые электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом являются наиболее известными и широко используемыми электролитическими конденсаторами. Эти компоненты можно найти практически на всех платах электронного оборудования. Они характеризуются особенно недорогими и простыми в обработке базовыми материалами.
Алюминиевые конденсаторы с жидкими электролитами на основе буры или органических растворителей имеют большой диапазон типов и номиналов. Конденсаторы с электролитами на водной основе часто встречаются в цифровых устройствах для массового производства. Типы с твердым электролитом из диоксида марганца в прошлом служили в качестве «замены тантала». Полимерные алюминиевые электролитические конденсаторы с твердыми проводящими полимерными электролитами становятся все более важными, особенно в устройствах с плоской конструкцией, таких как планшетные ПК и плоские дисплеи. Электролитические конденсаторы с гибридными электролитами являются относительно новыми на рынке. Благодаря своей гибридной электролитной системе они сочетают улучшенную проводимость полимера с преимуществом жидких электролитов для лучших свойств самовосстановления оксидного слоя, так что конденсаторы обладают преимуществами как низкого ESR, так и низкого тока утечки.
Основным материалом анода для алюминиевых электролитических конденсаторов является фольга толщиной ~ 20–100 мкм, изготовленная из алюминия высокой чистоты не менее 99,99%. [7] [11] Она протравливается (придается шероховатость) в электрохимическом процессе для увеличения эффективной поверхности электрода. [12] Протравливая поверхность анода, в зависимости от требуемого номинального напряжения, можно увеличить площадь поверхности примерно в 200 раз по сравнению с гладкой поверхностью. [7]
После травления алюминиевого анода шероховатая поверхность «анодно оксидируется» или «формируется». При этом на поверхности алюминия образуется электроизолирующий оксидный слой Al 2 O 3 при подаче тока правильной полярности, если он вставлен в электролитическую ванну. Этот оксидный слой является диэлектриком конденсатора.
Этот процесс образования оксида осуществляется в два этапа реакции, при этом кислород для этой реакции должен поступать из электролита. [13] Во-первых, сильно экзотермическая реакция превращает металлический алюминий (Al) в гидроксид алюминия , Al(OH) 3 :
Эта реакция ускоряется высоким электрическим полем и высокими температурами и сопровождается повышением давления в корпусе конденсатора, вызванным выделяющимся водородом . Гелеобразный гидроксид алюминия Al(OH) 3 , также называемый тригидратом оксида алюминия (ATH), преобразуется посредством второго этапа реакции (обычно медленно в течение нескольких часов при комнатной температуре, быстрее в течение нескольких минут при более высоких температурах) в оксид алюминия , Al2O3 :
Оксид алюминия служит диэлектриком, а также защищает металлический алюминий от агрессивных химических реакций электролита. Однако преобразованный слой оксида алюминия обычно не является однородным. Он образует сложный многослойный структурированный ламинат аморфного, кристаллического и пористого кристаллического оксида алюминия, в основном покрытый небольшими остаточными частями непреобразованного гидроксида алюминия. По этой причине при формировании анодной фольги оксидная пленка структурируется специальной химической обработкой так, что образуется либо аморфный оксид, либо кристаллический оксид. Аморфный оксид обеспечивает более высокую механическую и физическую стабильность и меньше дефектов, тем самым увеличивая долгосрочную стабильность и снижая ток утечки.
Аморфный оксид имеет диэлектрическую проницаемость ~ 1,4 нм/В. По сравнению с кристаллическим оксидом алюминия, который имеет диэлектрическую проницаемость ~ 1,0 нм/В, аморфная разновидность имеет на 40% меньшую емкость при той же поверхности анода. [3] Недостатком кристаллического оксида является его большая чувствительность к растягивающим напряжениям, что может привести к микротрещинам при воздействии механических (намотка) или термических (пайка) напряжений во время процессов постформинга.
Различные свойства оксидных структур влияют на последующие характеристики электролитических конденсаторов. Анодные фольги с аморфным оксидом в основном используются для электролитических конденсаторов со стабильными характеристиками длительного срока службы, для конденсаторов с низкими значениями тока утечки и для электронных конденсаторов с номинальным напряжением до примерно 100 вольт. Конденсаторы с более высокими напряжениями, например, конденсаторы фотовспышек, обычно содержат анодные фольги с кристаллическим оксидом. [14]
Поскольку толщина эффективного диэлектрика пропорциональна формовочному напряжению, толщину диэлектрика можно подогнать под номинальное напряжение конденсатора. Например, для низковольтных типов электролитический конденсатор на 10 В имеет толщину диэлектрика всего около 0,014 мкм, электролитический конденсатор на 100 В — всего около 0,14 мкм. Таким образом, диэлектрическая прочность также влияет на размер конденсатора. Однако из-за стандартизированных запасов прочности фактическое формовочное напряжение электролитических конденсаторов выше номинального напряжения компонента.
Алюминиевые анодные фольги производятся в виде так называемых «материнских рулонов» шириной около 500 мм. Они предварительно сформированы для желаемого номинального напряжения и с желаемой структурой оксидного слоя. Для производства конденсаторов необходимо отрезать от материнского рулона анодные ширины и длины, требуемые для конденсатора. [15]
Вторая алюминиевая фольга в электролитическом конденсаторе, называемая «катодной фольгой», служит для электрического контакта с электролитом. Эта фольга имеет несколько более низкую степень чистоты, около 99,8%. Она всегда снабжена очень тонким слоем оксида, который возникает при контакте алюминиевой поверхности с воздухом естественным образом. Для того чтобы уменьшить контактное сопротивление электролиту и затруднить образование оксида во время разряда, катодную фольгу легируют такими металлами, как медь , кремний или титан . Катодную фольгу также протравливают для увеличения поверхности.
Однако из-за чрезвычайно тонкого оксидного слоя, соответствующего допустимому напряжению около 1,5 В, их удельная емкость намного выше, чем у анодной фольги. [7] Для обоснования необходимости большой поверхностной емкости катодной фольги см. раздел о стабильности заряда/разряда ниже.
Катодная фольга, как и анодная фольга, изготавливается в виде так называемых «материнских рулонов», от которых отрезаются куски необходимой ширины и длины для изготовления конденсаторов.
Электролитический конденсатор получил свое название от электролита, проводящей жидкости внутри конденсатора. Как жидкость он может быть адаптирован к пористой структуре анода и выращенному оксидному слою с той же формой и видом, что и «сделанный на заказ» катод. Электролит всегда состоит из смеси растворителей и добавок для удовлетворения заданных требований. Основным электрическим свойством электролита является его проводимость, которая физически является ионной проводимостью в жидкостях. Помимо хорошей проводимости рабочих электролитов, существуют и другие требования, среди прочего, химическая стабильность, высокая температура вспышки , химическая совместимость с алюминием, низкая вязкость , минимальное негативное воздействие на окружающую среду и низкая стоимость. Электролит также должен обеспечивать кислород для процессов формирования и самовосстановления, и все это в максимально широком диапазоне температур. Такое разнообразие требований к жидкому электролиту приводит к широкому разнообразию фирменных решений. [16] [17]
Электролитические системы, используемые сегодня, можно условно разделить на три основные группы:
Поскольку количество жидкого электролита во время работы конденсаторов со временем уменьшается из-за самовосстановления и диффузии через уплотнение, электрические параметры конденсаторов могут ухудшиться, что ограничит срок службы или срок службы «мокрых» электролитических конденсаторов, см. раздел о сроке службы ниже.
Анодная и катодная фольги должны быть защищены от прямого контакта друг с другом, поскольку такой контакт, даже при относительно низком напряжении, может привести к короткому замыканию. В случае прямого контакта обеих фольг оксидный слой на поверхности анода не обеспечивает никакой защиты. Прокладка или сепаратор, изготовленный из специальной высокоабсорбирующей бумаги высокой чистоты, защищает две металлические фольги от прямого контакта. Эта конденсаторная бумага также служит резервуаром для электролита, что продлевает срок службы конденсатора.
Толщина прокладки зависит от номинального напряжения электролитического конденсатора. Она составляет до 100 В в диапазоне от 30 до 75 мкм. [21] Для более высоких напряжений используют несколько слоев бумаги (дуплексная бумага) для увеличения прочности на пробой.
Корпус алюминиевых электролитических конденсаторов также изготавливается из алюминия, чтобы избежать гальванических реакций, обычно с алюминиевым корпусом (банка, ванна). Для радиальных электролитических конденсаторов он подключается через электролит с неопределенным сопротивлением к катоду (земле). Однако для аксиальных электролитических конденсаторов корпус специально разработан с прямым контактом с катодом.
В случае неисправности, перегрузки или неправильной полярности внутри корпуса электролитического конденсатора может возникнуть значительное давление газа. Ванны спроектированы так, чтобы открыть клапан сброса давления и выпустить газ под высоким давлением, включая части электролита. Этот клапан защищает от разрыва, взрыва или разлета металлической ванны.
Для корпусов меньшего размера клапан сброса давления вырезается в нижней части или выемке ванны. Более крупные конденсаторы, такие как конденсаторы с винтовыми клеммами, имеют запираемый клапан сброса избыточного давления и должны устанавливаться в вертикальном положении.
Уплотнительные материалы алюминиевых электролитических конденсаторов зависят от различных стилей. Для более крупных винтовых клемм и защелкивающихся конденсаторов уплотнительная шайба изготавливается из пластикового материала. Аксиальные электролитические конденсаторы обычно имеют уплотнительную шайбу из фенольной смолы, ламинированной слоем резины. Радиальные электролитические конденсаторы используют резиновую пробку с очень плотной структурой. Все уплотнительные материалы должны быть инертными к химическим частям электролита и не должны содержать растворимых соединений, которые могут привести к загрязнению электролита. Чтобы избежать утечки, электролит не должен быть агрессивным к уплотнительному материалу.
Производственный процесс начинается с материнских рулонов. Сначала протравленная, шероховатая и предварительно сформированная анодная фольга на материнском рулоне, а также разделительная бумага и катодная фольга разрезаются до необходимой ширины. [11] [12] Фольга подается на автоматическую намотку, которая изготавливает намотанную секцию в ходе последовательной операции, включающей три последовательных этапа: сварка выводов, намотка и резка по длине. На следующем этапе производства намотанная секция, закрепленная на выводных клеммах, пропитывается электролитом под вакуумной пропиткой. Затем пропитанная обмотка встраивается в алюминиевый корпус, снабженный резиновым уплотнительным диском, и механически герметично герметизируется путем скручивания. После этого конденсатор снабжается изолирующей термоусадочной пленкой. Затем этот оптически готовый конденсатор контактирует при номинальном напряжении в высокотемпературном постформовочном устройстве для устранения всех диэлектрических дефектов, возникших в результате процедуры резки и намотки. После постформовки проводится 100% окончательное измерение емкости, тока утечки и импеданса. Заклеивание завершает процесс производства; конденсаторы готовы к отправке.
Алюминиевые электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом доступны в различных исполнениях, см. рисунки выше слева направо:
В 1875 году французский исследователь Эжен Дюкрете обнаружил, что некоторые «вентильные металлы» (алюминий и другие) могут образовывать оксидную пленку, которая блокирует прохождение электрического тока в одном направлении, но позволяет ему течь в обратном направлении.
Кароль Поллак , производитель аккумуляторов, обнаружил, что оксидный слой на алюминиевом аноде оставался стабильным в нейтральном или щелочном электролите, даже при отключении питания. В 1896 году он получил патент на электрический жидкостный конденсатор с алюминиевыми электродами (de: Elektrischer Flüssigkeitskondensator mit Aluminiumelektroden ), основанный на идее использования оксидного слоя в поляризованном конденсаторе в сочетании с нейтральным или слабощелочным электролитом. [22]
Первые электролитические конденсаторы, реализованные в промышленности, состояли из металлической коробки, используемой в качестве катода, заполненной электролитом буры , растворенным в воде, в которую была вставлена сложенная алюминиевая анодная пластина. Прикладывая постоянное напряжение снаружи, на поверхности анода образовывался оксидный слой. Преимущество этих конденсаторов состояло в том, что они были значительно меньше и дешевле всех других конденсаторов того времени относительно реализованного значения емкости. Эта конструкция с различными стилями конструкции анода, но с корпусом в качестве катода и контейнером в качестве электролита использовалась до 1930-х годов и называлась «мокрым» электролитическим конденсатором, ссылаясь на высокое содержание воды.
Первое распространенное применение электролитических конденсаторов из мокрого алюминия было в больших телефонных станциях, для снижения помех (шума) реле на 48-вольтовом источнике постоянного тока. Развитие бытовых радиоприемников, работающих от переменного тока, в конце 1920-х годов создало спрос на конденсаторы большой емкости (для того времени) и высокого напряжения для техники ламповых усилителей , как правило, не менее 4 микрофарад и рассчитанные на напряжение около 500 вольт постоянного тока. Были доступны вощеные бумажные и промасленные шелковые пленочные конденсаторы , но устройства с таким порядком емкости и номинального напряжения были громоздкими и непомерно дорогими.
Предок современного электролитического конденсатора был запатентован Сэмюэлем Рубеном в 1925 году [23] [24] , который объединился с Филиппом Мэллори , основателем компании по производству аккумуляторов, которая сейчас известна как Duracell International . Идея Рубена приняла штабелированную конструкцию конденсатора из серебряной слюды . Он ввел отдельную вторую фольгу для контакта с электролитом, прилегающим к анодной фольге, вместо того, чтобы использовать заполненный электролитом контейнер в качестве катода конденсатора. Штабелированная вторая фольга получила свой собственный вывод в дополнение к анодному выводу, и контейнер больше не имел электрической функции. Этот тип электролитического конденсатора с одной анодной фольгой, отделенной от катодной фольги 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. [25] Это изобретение, вместе с изобретением в 1927 году А. Эккелем, Hydra-Werke (Германия), намотанной фольги, разделенной бумажной прокладкой, [26] значительно уменьшило размер и цену, что помогло сделать новые радиоприемники доступными для более широкой группы потребителей. [25]
Уильям Дубилье , чей первый патент на электролитические конденсаторы был подан в 1928 году, [27] промышленно внедрил новые идеи для электролитических конденсаторов и начал крупномасштабное коммерческое производство в 1931 году на заводе Cornell-Dubilier (CD) в Плейнфилде, штат Нью-Джерси. [25] В то же время в Берлине, Германия, «Hydra-Werke», компания AEG , начала производство электролитических конденсаторов в больших количествах.
Уже в своей патентной заявке 1886 года Поллак писал, что емкость конденсатора увеличивается, если поверхность анодной фольги становится шероховатой. С тех пор был разработан ряд методов для придания шероховатости поверхности анода, механические методы, такие как пескоструйная обработка или царапание, и химическое травление кислотами и кислыми солями, нагнетаемыми сильными токами. [28] Некоторые из этих методов были разработаны на заводе по производству компакт-дисков между 1931 и 1938 годами. Сегодня (2014 год) электрохимическое травление фольги низкого напряжения может достигать 200-кратного увеличения площади поверхности по сравнению с гладкой поверхностью. [6] [7] Прогресс, связанный с процессом травления, является причиной продолжающегося уменьшения размеров алюминиевых электролитических конденсаторов за последние десятилетия.
Период после Второй мировой войны связан с быстрым развитием радио- и телевизионной техники, а также промышленных приложений, что оказало большое влияние на объемы производства, а также на стили, размеры и диверсификацию серий электролитических конденсаторов. Новые электролиты на основе органических жидкостей снизили токи утечки и ESR, расширили температурные диапазоны и увеличили срок службы. Явлений коррозии, вызванных хлором и водой, можно было избежать за счет более чистых производственных процессов и использования добавок в электролитах.
Разработка танталовых электролитических конденсаторов в начале 1950-х годов [29] [30] с диоксидом марганца в качестве твердого электролита, который имеет в 10 раз лучшую проводимость, чем все другие типы нетвердых электролитов, также повлияла на разработку алюминиевых электролитических конденсаторов. В 1964 году на рынке появились первые алюминиевые электролитические конденсаторы с твердым электролитом ( Solid Aluminum Capacitor (SAL) ), разработанные Philips . [31]
Десятилетия с 1970 по 1990 год были отмечены разработкой различных новых серий профессиональных алюминиевых электролитических конденсаторов, например, с очень низкими токами утечки или с длительным сроком службы или для более высоких температур до 125 °C, которые были специально предназначены для определенных промышленных применений. [32] Большое разнообразие многочисленных серий алюминиевых электролитических конденсаторов с нетвердыми электролитами до настоящего времени (2014 г.) является показателем приспособляемости конденсаторов к различным промышленным требованиям.
В 1983 году компания Sanyo добилась дальнейшего снижения ESR с помощью алюминиевых электролитических конденсаторов " OS-CON ". В этих конденсаторах в качестве твердого органического проводника используется соль переноса заряда TTF-TCNQ ( тетрацианохинодиметан ), которая обеспечивает улучшение проводимости в 10 раз по сравнению с электролитом на основе диоксида марганца.
Значения ESR конденсаторов TCNQ были значительно снижены благодаря открытию проводящих полимеров Аланом Дж. Хигером , Аланом МакДиармидом и Хидеки Сиракавой . [33] Проводимость проводящих полимеров, таких как полипиррол [14] или PEDOT [34], лучше, чем у TCNQ, в 100–500 раз и близка к проводимости металлов. В 1991 году Panasonic выпустила на рынок свой «SP-Cap», [35] полимерно-алюминиевый электролитический конденсатор. Эти электролитические конденсаторы с полимерными электролитами достигли значений ESR, достаточно низких, чтобы конкурировать с керамическими многослойными конденсаторами (MLCC). Они все еще были дешевле танталовых конденсаторов и вскоре стали использоваться в устройствах с плоской конструкцией, таких как ноутбуки и мобильные телефоны .
Новые электролиты на водной основе разрабатывались в Японии с середины 1980-х годов с целью снижения ESR для недорогих нетвердых электролитических конденсаторов. Вода недорога, является эффективным растворителем для электролитов и значительно улучшает проводимость электролита.
Японский производитель Rubycon был лидером в разработке новых систем электролитов на водной основе с повышенной проводимостью в конце 1990-х годов. [19] Новая серия нетвердых конденсаторов с электролитом на водной основе в технических паспортах называлась сериями «Low-ESR», «Low-Impedance», «Ultra-Low-Impedance» или «High-Ripple Current».
С 2000 по 2005 год украденный рецепт такого электролита на водной основе, в котором отсутствовали важные стабилизирующие вещества [18] [20] [36], привел к проблеме массового взрыва конденсаторов в компьютерах и блоках питания, которая стала известна как « Конденсаторная чума ». В этих конденсаторах вода довольно агрессивно и даже бурно реагирует с алюминием, что сопровождается сильным выделением тепла и газа в конденсаторе и часто приводит к взрыву конденсатора.
Электрические характеристики конденсаторов гармонизированы международной общей спецификацией IEC 60384-1. В этом стандарте электрические характеристики конденсаторов описываются идеализированной последовательно-эквивалентной схемой с электрическими компонентами, которые моделируют все омические потери, емкостные и индуктивные параметры электролитического конденсатора:
Основной единицей емкости электролитических конденсаторов является микрофарад (мкФ или, менее правильно, мкФ).
Значение емкости, указанное в технических характеристиках производителей, называется номинальной емкостью C R или номинальной емкостью C N и является значением, на которое рассчитан конденсатор. Стандартизированные условия измерения для электролитических конденсаторов — это измерение переменного тока напряжением 0,5 В [ необходимо уточнение ] при частоте 100/120 Гц и температуре 20 °C. [ необходима цитата ]
Значение емкости электролитического конденсатора зависит от частоты измерения и температуры. Значение на частоте измерения 1 кГц примерно на 10% меньше значения 100/120 Гц. Поэтому значения емкости электролитических конденсаторов напрямую не сопоставимы и отличаются от значений пленочных конденсаторов или керамических конденсаторов , емкость которых измеряется на частоте 1 кГц или выше.
Измеренное методом измерения переменного тока с частотой 100/120 Гц измеренное значение емкости является наиболее близким значением к электрическому заряду, хранящемуся в конденсаторе. Сохраненный заряд измеряется специальным методом разряда и называется емкостью постоянного тока . Емкость постоянного тока примерно на 10% выше, 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 выпускаются в различных сериях допусков, значения которых указаны в серии E, указанной в IEC 60063. Для сокращенной маркировки в узких местах буквенный код для каждого допуска указан в IEC 60062.
Требуемый допуск емкости определяется конкретным применением. Электролитические конденсаторы, которые часто используются для фильтрации и шунтирования , не нуждаются в узких допусках, поскольку они не используются для точных частотных приложений, таких как генераторы .
В IEC 60384-1 допустимое рабочее напряжение называется «номинальным напряжением» U R или «номинальным напряжением» U N. Номинальное напряжение — это максимальное постоянное напряжение или пиковое импульсное напряжение, которое может подаваться непрерывно при любой температуре в пределах номинального температурного диапазона.
Напряжение, выдерживаемое электролитически конденсаторами, которое прямо пропорционально толщине диэлектрического слоя, [6] уменьшается с ростом температуры. Для некоторых применений важно использовать диапазон высоких температур. Снижение напряжения, прикладываемого при более высокой температуре, сохраняет запасы безопасности. Поэтому для некоторых типов конденсаторов стандарт IEC определяет второе «температурное пониженное напряжение» для более высокого температурного диапазона, «категориальное напряжение» U C . Категориальное напряжение — это максимальное постоянное напряжение, пиковое импульсное напряжение или наложенное переменное напряжение, которое может непрерывно подаваться на конденсатор при любой температуре в пределах температурного диапазона категории.
Алюминиевые электролитические конденсаторы могут кратковременно подвергаться воздействию перенапряжения, также называемого импульсным напряжением. Импульсное напряжение указывает максимальное значение напряжения в диапазоне температур, которое может быть приложено в течение срока службы с частотой 1000 циклов (с выдержкой 30 секунд и паузой 5 минут и 30 секунд в каждом случае) без видимого повреждения конденсатора или изменения емкости более чем на 15%.
Обычно для конденсаторов с номинальным напряжением ≤ 315 вольт импульсное напряжение в 1,15 раза превышает номинальное напряжение, а для конденсаторов с номинальным напряжением, превышающим 315 вольт, импульсное напряжение в 1,10 раза превышает номинальное 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 компонента. Низкие энергетические переходные напряжения приводят к ограничению напряжения, аналогичному стабилитрону .
Электрохимические процессы формирования оксида происходят при подаче напряжения в правильной полярности и генерируют дополнительный оксид при возникновении переходных процессов. Это образование сопровождается выделением тепла и водорода. Это допустимо, если энергосодержание переходного процесса низкое. Однако, когда пиковое напряжение переходного процесса вызывает слишком высокую для диэлектрика напряженность электрического поля, это может напрямую вызвать короткое замыкание. Однозначная и общая спецификация допустимых переходных процессов или пиковых напряжений невозможна. В каждом случае возникновения переходных процессов приложение должно быть тщательно одобрено.
Электролитические конденсаторы с твердым электролитом не выдерживают переходных процессов или пиковых напряжений, превышающих импульсное напряжение. Переходные процессы для этого типа электролитических конденсаторов могут разрушить компонент.
Электролитические конденсаторы являются поляризованными конденсаторами и обычно требуют, чтобы напряжение анодного электрода было положительным относительно напряжения катода. Однако катодная фольга алюминиевых электролитических конденсаторов снабжена очень тонким слоем оксида естественного происхождения из воздуха. Этот слой оксида имеет прочность на напряжение приблизительно от 1 до 1,5 В. [37] Поэтому алюминиевые электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом могут непрерывно выдерживать очень небольшое обратное напряжение [38] и, например, могут быть измерены с помощью переменного напряжения около 0,5 В, как указано в соответствующих стандартах. [ необходима цитата ]
При обратном напряжении ниже -1,5 В [38] при комнатной температуре катодная алюминиевая фольга начинает наращивать оксидный слой, соответствующий приложенному напряжению. Это согласуется с генерацией газообразного водорода при повышении давления. В то же время оксидный слой на анодной фольге начинает растворять оксид, что ослабляет защиту от напряжения. Теперь вопрос внешней цепи заключается в том, приведет ли возрастающее давление газа от окисления к разрыву корпуса, или ослабленный анодный оксид приведет к пробою с коротким замыканием . Если внешняя цепь высокоомная, конденсатор выходит из строя, и вентиляционное отверстие открывается из-за высокого давления газа. Если внешняя цепь низкоомная, внутреннее короткое замыкание более вероятно. В каждом случае обратное напряжение ниже -1,5 В при комнатной температуре может привести к катастрофическому отказу компонента из-за пробоя диэлектрика или избыточного давления, что приводит к взрыву конденсатора, часто в впечатляющей драматической манере. Современные электролитические конденсаторы имеют предохранительное отверстие, которое обычно представляет собой либо надрезанную часть корпуса, либо специально разработанное торцевое уплотнение для выпуска горячего газа/жидкости, однако разрывы все равно могут быть серьезными.
Чтобы свести к минимуму вероятность неправильной установки поляризованного электролита в цепь, полярность четко указана на корпусе, см. раздел «Маркировка полярности».
Специальные биполярные конденсаторы, предназначенные для работы на переменном токе, обычно называемые «биполярными», «неполяризованными» или «NP» типами, доступны. В них конденсаторы имеют две анодные фольги противоположной полярности, соединенные последовательно. На каждой из чередующихся половин цикла переменного тока один анод действует как блокирующий диэлектрик, предотвращая повреждение противоположного анода обратным напряжением. Номинальное напряжение не обязательно должно быть симметричным; «полуполярные» конденсаторы могут быть изготовлены с различной толщиной оксидных покрытий, поэтому они могут выдерживать различные напряжения в каждом направлении, [38] но эти биполярные электролитические конденсаторы не подходят для основных применений переменного тока вместо силовых конденсаторов с металлизированной полимерной пленкой или бумажным диэлектриком. [ необходимо разъяснение ]
В общем, конденсатор рассматривается как компонент для хранения электроэнергии. Но это только одна функция конденсатора. Конденсатор также может действовать как резистор переменного тока . Особенно алюминиевые электролитические конденсаторы используются во многих приложениях в качестве развязывающих конденсаторов для фильтрации или обхода нежелательных смещенных частот переменного тока на землю или для емкостной связи аудиосигналов переменного тока. Тогда диэлектрик используется только для блокировки постоянного тока. Для таких приложений сопротивление переменного тока , импеданс так же важен, как и значение емкости.
Импеданс — это векторная сумма реактивного сопротивления и сопротивления ; он описывает разность фаз и отношение амплитуд между синусоидально изменяющимся напряжением и синусоидально изменяющимся током на заданной частоте в цепи переменного тока. В этом смысле импеданс можно использовать подобно закону Ома
Другими словами, импеданс — это частотно-зависимое сопротивление переменному току, обладающее как величиной, так и фазой на определенной частоте.
В технических характеристиках конденсаторов указывается только величина импеданса |Z|, которая просто записывается как «Z». В этом смысле импеданс является мерой способности конденсатора пропускать переменные токи.
Импеданс можно рассчитать, используя идеализированные компоненты последовательной эквивалентной цепи конденсатора, включая идеальный конденсатор , резистор и индуктивность . В этом случае импеданс на угловой частоте, таким образом, задается геометрическим (комплексным) сложением ESR, емкостным реактивным сопротивлением ( Емкость )
и индуктивным сопротивлением ( индуктивностью )
Тогда дается выражением
В частном случае резонанса , когда оба реактивных сопротивления и имеют одинаковое значение ( ), то импеданс определяется только .
Сопротивление, указанное в технических характеристиках различных конденсаторов, часто показывает типичные кривые для различных значений емкости. Сопротивление на резонансной частоте определяет наилучшую рабочую точку для цепей связи или развязки. Чем выше емкость, тем ниже рабочий диапазон частот. Благодаря своим большим значениям емкости алюминиевые электролитические конденсаторы обладают относительно хорошими свойствами развязки в нижнем диапазоне частот до примерно 1 МГц или немного больше. Это, а также относительно низкая цена часто являются причиной использования электролитических конденсаторов в стандартных или импульсных источниках питания 50/60 Гц .
Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) суммирует все резистивные потери конденсатора. Это терминальные сопротивления, контактное сопротивление электродного контакта, линейное сопротивление электродов, сопротивление электролита и диэлектрические потери в диэлектрическом оксидном слое. [39]
ESR зависит от температуры и частоты. Для алюминиевых электролитических конденсаторов с нетвердым электролитом ESR обычно уменьшается с ростом частоты и температуры. [40] ESR влияет на оставшуюся наложенную пульсацию переменного тока после сглаживания и может влиять на функциональность схемы. В отношении конденсатора ESR отвечает за внутреннюю генерацию тепла, если пульсирующий ток протекает через конденсатор. Это внутреннее тепло сокращает срок службы конденсатора.
Согласно стандарту IEC/EN 60384-1, значения импеданса электролитических конденсаторов измеряются на частоте 10 кГц или 100 кГц в зависимости от емкости и напряжения конденсатора.
Для алюминиевых электролитических конденсаторов по историческим причинам в соответствующих технических паспортах иногда указывается коэффициент рассеяния tan δ вместо . Коэффициент рассеяния определяется тангенсом угла фаз между емкостным сопротивлением за вычетом индуктивного сопротивления и . Если индуктивность мала, коэффициент рассеяния для заданной частоты можно приблизительно вычислить как:
Пульсирующий ток — это среднеквадратичное значение наложенного переменного тока любой частоты и любой формы кривой тока для непрерывной работы. Он возникает, например, в источниках питания (включая импульсные источники питания ) после выпрямления переменного напряжения и протекает как смещенный зарядный и разрядный ток через развязывающий или сглаживающий конденсатор .
Из-за ESR конденсатора пульсирующий ток I R вызывает потери электроэнергии P V el.
что приводит к выделению тепла внутри сердечника обмотки конденсатора.
Это внутренне генерируемое тепло вместе с температурой окружающей среды и, возможно, другими внешними источниками тепла приводит к температуре сердечника конденсатора, самая горячая область которого находится в обмотке, имея разницу температур Δ T по сравнению с температурой окружающей среды. Это тепло должно быть распределено в виде тепловых потерь P V th по поверхности конденсатора A и теплового сопротивления β окружающей среде.
Тепловое сопротивление β зависит от размера корпуса соответствующего конденсатора и, если применимо, от дополнительных условий охлаждения.
Если внутренние потери мощности P V el , рассеиваемые за счет теплового излучения , конвекции и теплопроводности в окружающую среду, соответствуют тепловым потерям P V th , то задается температурный баланс между температурой конденсатора и температурой окружающей среды. [41]
Обычно указанное в технических характеристиках производителей номинальное значение максимального пульсирующего тока рассчитывается для нагрева сердечника конденсатора (ячейки) на 10 °C для серии 85 °C, на 5 °C для серии 105 °C и на 3 °C для серии 125 °C.
Номинальный ток пульсации алюминиевых электролитических конденсаторов с нетвердым электролитом соответствует указанному сроку службы серии конденсаторов. Этот ток может постоянно протекать через конденсатор до максимальной температуры в течение указанного или расчетного времени. Ток пульсации ниже указанного или принудительное охлаждение [41] продлевают срок службы конденсатора.
Срок службы электролитических конденсаторов с нетвердым электролитом зависит от скорости испарения и, следовательно, от температуры ядра конденсатора. Принудительное охлаждение или специальное расположение конденсатора на печатной плате может положительно повлиять на срок службы. [41]
Пульсирующий ток определяется как эффективное (RMS) значение при 100 или 120 Гц или при 10 кГц при температуре верхней категории. Несинусоидальные пульсирующие токи должны быть проанализированы и разделены на их отдельные синусоидальные частоты с помощью анализа Фурье и суммированы путем квадратичного сложения отдельных токов. [42]
Периодически возникающие сильные импульсы тока, которые могут быть значительно выше номинального пульсирующего тока, должны быть проанализированы в том же объеме.
Поскольку ESR уменьшается с ростом частоты, значение пульсирующего тока, указанное в паспорте, при 100/120 Гц, может быть выше на более высоких частотах. В таких случаях производители указывают поправочные коэффициенты для значений пульсирующего тока на более высоких частотах. Например, пульсирующий ток при 10 кГц обычно можно приблизительно принять на 30–40 % выше значения 100/120.
Если пульсирующий ток превышает номинальное значение, соответствующее тепловыделение превышает температурный предел конденсатора и может разрушить внутреннюю структуру (устойчивость к напряжению, точку кипения) конденсаторов. Тогда компоненты склонны к короткому замыканию, открытию вентиляционных отверстий или взрыву. Пульсирующие токи выше номинальных значений возможны только при принудительном охлаждении. [41] [43]
Алюминиевые электролитические конденсаторы с нетвердыми электролитами всегда содержат, помимо анодной фольги, катодную фольгу, которая служит электрическим контактом с электролитом. Эта катодная фольга снабжена очень тонким естественным оксидным слоем воздушного происхождения, который также действует как диэлектрик. Таким образом, конструкция конденсатора образует последовательную цепь из двух конденсаторов, емкость анодной фольги C A и катодной фольги C K . Как описано выше, емкость конденсатора C e-cap в основном определяется емкостью анода C A , когда емкость катода C K примерно в 10 раз больше емкости анода C A .
Алюминиевые электролитические конденсаторы с нетвердыми электролитами обычно можно заряжать до номинального напряжения без каких-либо ограничений по току. Это свойство является результатом ограниченной подвижности ионов в жидком электролите, что замедляет рост напряжения на диэлектрике, и ESR конденсатора.
Во время разряда внутренняя конструкция конденсатора меняет внутреннюю полярность. Катод (-) становится анодом (+) и меняет направление тока. На этих электродах возникают два напряжения. В принципе распределение напряжения на обоих электродах ведет себя как обратное произведение CV каждого электрода.
Правило проектирования высокой емкости катода гарантирует, что напряжение, возникающее на катоде во время разряда, не превышает примерно 1,5 В, что является его естественной защитой от напряжения, возникающего на воздухе. Дальнейшего постформирования катодной фольги, которое может привести к деградации емкости, не происходит. [21] [44] Тогда конденсаторы защищены от разряда.
Небольшие (диаметр <25 мм) алюминиевые электролитические конденсаторы с нетвердыми электролитами обычно можно заряжать до номинального напряжения без каких-либо скачков тока, пиков или ограничений импульсов до пикового значения тока около 50 А. Это свойство является результатом ограниченной подвижности ионов в жидком электролите, что замедляет нарастание напряжения на диэлектрике, и ESR конденсатора. Только частота пиков, интегрированная по времени, не должна превышать максимальный заданный ток пульсации.
Характерным свойством электролитических конденсаторов является «ток утечки». Этот постоянный ток представлен резистором R leak , включенным параллельно конденсатору в последовательной эквивалентной цепи электролитических конденсаторов, и протекает при подаче напряжения.
Ток утечки включает в себя все слабые дефекты диэлектрика, вызванные нежелательными химическими процессами и механическими повреждениями, и является постоянным током, который может проходить через диэлектрик после подачи напряжения в правильной полярности. Он зависит от значения емкости, приложенного напряжения и температуры конденсатора, времени измерения, типа электролита и предварительных условий, таких как предыдущее время хранения без подачи напряжения или термическое напряжение от пайки. (Все нетвердые электролитические конденсаторы требуют времени восстановления в несколько часов после пайки перед измерением тока утечки. Нетвердые чип-конденсаторы требуют времени восстановления после пайки оплавлением около 24 часов.) Ток утечки уменьшается путем подачи рабочего напряжения с помощью процессов самовосстановления.
Ток утечки падает в первые минуты после подачи постоянного напряжения. За это время диэлектрический оксидный слой может исправить все слабые места, создавая новые слои в процессе самовосстановления. Время, необходимое для падения тока утечки, как правило, зависит от типа электролита. Ток утечки твердых электролитов падает гораздо быстрее, чем в случае нетвердых типов, но остается на несколько более высоком уровне. Влажные электролитические конденсаторы с электролитами с высоким содержанием воды в первые минуты, как правило, имеют более высокий ток утечки, чем конденсаторы с органическим электролитом, но через несколько минут они достигают того же уровня. Хотя ток утечки электролитических конденсаторов выше по сравнению с током, протекающим через сопротивление изоляции у керамических или пленочных конденсаторов, саморазряд современных нетвердых электролитических конденсаторов может занять несколько недель.
Спецификация тока утечки I leak в технических паспортах производителей относится к значению емкости конденсатора C R , номинальному напряжению U R , коэффициенту корреляции и минимальному значению тока. Например,
После измерения в течение 2 или 5 минут, в зависимости от спецификации паспорта, измеренное значение тока утечки должно быть ниже расчетного значения. Обычно ток утечки всегда ниже, чем дольше подается напряжение на конденсатор. Ток утечки во время работы после, например, одного часа является рабочим током утечки. Это значение сильно зависит от серийных характеристик производителя. Оно может быть ниже 1/100 указанного значения.
Ток утечки зависит от приложенного напряжения и температуры окружающей среды. Значение при непрерывной работе при 85 °C примерно в четыре раза выше, чем при 20 °C. В противном случае значение составляет примерно половину, что снижает приложенное напряжение до 70% от номинального напряжения. [42]
Нетвердые алюминиевые электролитические конденсаторы, которые дают утечку тока после времени работы, например, один час, остаются на более высоком уровне, чем указано. В основном они были механически повреждены внутри из-за высокой механической нагрузки во время монтажа.
Диэлектрическая абсорбция происходит, когда конденсатор, который оставался заряженным в течение длительного времени, разряжается только не полностью при кратковременной разрядке. Хотя идеальный конденсатор достиг бы нуля вольт после разрядки, реальные конденсаторы вырабатывают небольшое напряжение из-за задержанной во времени дипольной разрядки, явления, которое также называется диэлектрической релаксацией , «пропитыванием» или «действием батареи».
Диэлектрическая абсорбция может быть проблемой в схемах, использующих очень малые токи в электронных схемах, таких как интеграторы с большой постоянной времени или схемы выборки и хранения . [47] Диэлектрическая абсорбция не является проблемой в большинстве применений электролитических конденсаторов, поддерживающих линии электропитания.
Но особенно для электролитических конденсаторов с высоким номинальным напряжением напряжение на клеммах, генерируемое диэлектрической абсорбцией, может быть риском безопасности для персонала или цепей. Для предотвращения ударов током большинство очень больших конденсаторов поставляются с закорачивающими проводами, которые необходимо удалить перед использованием. [48]
Прогноз надежности алюминиевых электролитических конденсаторов обычно выражается как частота отказов λ, сокращенно FIT (Failures In Time). Это мера количества отказов в единицу времени в течение времени постоянных случайных отказов в кривой ванны . Плоская часть кривой ванны соответствует расчетному сроку службы или сроку службы нетвердотельных электролитических конденсаторов. Частота отказов используется для расчета вероятности выживания для желаемого срока службы электронной схемы в сочетании с другими участвующими компонентами.
FIT — это количество отказов, которые можно ожидать за один миллиард (10 9 ) часов работы компонента при фиксированных рабочих условиях (например, 1000 компонентов в течение 1 миллиона часов или 1 миллион компонентов в течение 1000 часов) (1 ppm /1000 часов) каждый в течение периода постоянных случайных отказов. Эта модель интенсивности отказов неявно предполагает идею «случайного отказа». Отдельные компоненты выходят из строя в случайные моменты времени, но с предсказуемой скоростью. Отказы — это короткие замыкания, обрывы цепей и отказы из-за деградации (превышение заданных пределов электрических параметров).
Обратной величиной FIT является MTBF ( среднее время наработки на отказ) .
Стандартные рабочие условия для интенсивности отказов FIT составляют 40 °C и 0,5 U R . 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, стандартизированными для промышленных [49] или военных [50] контекстов. Чем выше температура и приложенное напряжение, тем выше интенсивность отказов.
Полезно знать, что для конденсаторов с твердыми электролитами интенсивность отказов часто выражается как процент отказавших компонентов за тысячу часов (n %/1000 ч) и указывается при стандартных условиях 85 °C и номинальном напряжении U R . То есть, "n" количество отказавших компонентов за 10 5 часов, или в FIT десятитысячекратное значение за 10 9 часов, но для других стандартных условий. Для этих других условий показатель "%I1000 ч" можно пересчитать с коэффициентами ускорения, стандартизированными для промышленных [49] или военных [50] контекстов.
Большинство современных алюминиевых электролитических конденсаторов с нетвердыми электролитами в настоящее время являются очень надежными компонентами с очень низкими показателями отказов, с прогнозируемым сроком службы в десятилетия при нормальных условиях. Лучшей практикой является прохождение электролитических конденсаторов через этап постформовочного процесса после производства, аналогичного «обжигу» , чтобы исключить ранние отказы в процессе производства. Значения FIT, указанные в технических паспортах, рассчитываются на основе многолетнего опыта производителя на основе результатов испытаний на срок службы. Типичные контрольные значения показателей отказов для алюминиевых электролитических конденсаторов с нетвердыми электролитами составляют для типов с низким напряжением (6,3–160 В) показатели FIT в диапазоне от 1 до 20 FIT [51] и для типов с высоким напряжением (>160–550 В) показатели FIT в диапазоне от 20 до 200 FIT. [52] Показатели отказов в полевых условиях для алюминиевых конденсаторов находятся в диапазоне от 0,5 до 20 FIT. [52]
Данные для спецификации «частоты отказов» основаны на результатах испытаний на весь срок службы (испытания на выносливость). Кроме того, иногда указывается «частота отказов в полевых условиях». Эти цифры получены от крупных клиентов, которые заметили отказы в полевых условиях вне своего приложения. Частота отказов в полевых условиях может иметь гораздо более низкие значения. Для алюминиевых электролитических конденсаторов они находятся в диапазоне от 0,5 до 20 FIT. Значения частоты отказов в полевых условиях соответствуют обычным порядкам величин для электронных компонентов.
Алюминиевые электролитические конденсаторы с нетвердыми электролитами занимают исключительное положение среди электронных компонентов, поскольку они работают с электролитом в качестве жидкого ингредиента. Жидкий электролит определяет поведение электролитических конденсаторов, зависящее от времени. Они стареют со временем по мере испарения электролита. Это также означает, что происходит резкое снижение срока службы с ростом температуры. Как правило, каждые 10 градусов повышения сокращают срок службы вдвое. Это очень медленное высыхание электролита зависит от конструкции серии, температуры окружающей среды, напряжения и пульсирующей токовой нагрузки. Снижение уровня электролита с течением времени влияет на емкость, импеданс и ESR конденсаторов. Емкость уменьшается, а импеданс и ESR увеличиваются с уменьшением количества электролита. Ток утечки уменьшается, поскольку все слабые места залечиваются после длительного времени формирования. В отличие от электролитических конденсаторов с твердыми электролитами, «мокрые» электролитические конденсаторы имеют «конец срока службы», когда компоненты достигают указанных максимальных изменений емкости, импеданса или ESR. Период времени до «конца срока службы» называется «сроком службы», «сроком полезного использования», «сроком службы под нагрузкой» или «сроком службы». Он представляет собой время постоянной интенсивности отказов на кривой интенсивности отказов.
При нормальных условиях окружающей среды электролитические конденсаторы могут иметь срок службы более 15 лет, но он может быть ограничен в зависимости от поведения резиновой пробки к деградации (которая обычно не стареет во время испытаний на срок службы). Этот рейтинг проверяется с помощью ускоренного испытания на старение, называемого «испытанием на выносливость» в соответствии с IEC 60384-4-1 с номинальным напряжением при температуре верхней категории. [53] Одной из проблем этого испытания на старение является время, необходимое для получения каких-либо значимых результатов. В ответ на требования к длительному сроку службы, высокотемпературным характеристикам со стороны автомобильных и экологически чистых энергетических приложений (солнечные микровинверторы, светодиоды, ветряные турбины и т. д.), некоторые конденсаторы требуют более года испытаний (10000 часов), прежде чем они могут быть квалифицированы. Из-за этого ограничения растет интерес к методологиям [54], позволяющим ускорить испытание таким образом, чтобы по-прежнему получать значимые результаты.
График справа показывает поведение электрических параметров алюминиевых электролитических конденсаторов с нетвердыми электролитами вследствие испарения электролита в ходе испытания на выносливость в течение 2000 ч при температуре 105 °C. Процесс высыхания также можно обнаружить по потере веса.
После этого испытания на выносливость заданные пределы параметров для прохождения испытания: с одной стороны, отсутствие полных отказов (короткое замыкание, обрыв цепи), а с другой стороны, не достижение деградационного отказа, снижение емкости более чем на 30% и увеличение ESR, импеданса или коэффициента потерь более чем в 3 раза по сравнению с исходным значением. Параметры испытываемого компонента, выходящие за эти пределы, могут считаться доказательством деградационного отказа.
Время и температура тестирования зависят от тестируемой серии. Это является причиной множества различных спецификаций срока службы в технических паспортах производителей, которые приводятся в виде указания времени/температуры, например: 2000 ч/85 °C, 2000 ч/105 °C, 5000 ч/105 °C, 2000 ч/125 °C. Эти цифры указывают минимальный срок службы конденсаторов серии при воздействии максимальной температуры с приложенным номинальным напряжением.
Что касается испытания на выносливость, то эта спецификация не включает в себя загрузку конденсаторов номинальным значением пульсирующего тока. Но дополнительное внутреннее тепло от 3 до 10 К, в зависимости от серии, которое генерируется пульсирующим током, обычно учитывается производителем из соображений безопасности при интерпретации результатов его испытаний на выносливость. Испытание с фактическим приложенным пульсирующим током доступно любому производителю.
Срок службы конденсатора для различных условий эксплуатации можно оценить с помощью специальных формул или графиков, указанных в технических паспортах серьезных производителей. Они используют разные способы достижения спецификации; некоторые предоставляют специальные формулы, [55] [56] [57] другие указывают свой расчет срока службы конденсатора с помощью графиков, которые учитывают влияние приложенного напряжения. [41] [58] [59] Основной принцип расчета времени в условиях эксплуатации - так называемое "правило 10 градусов". [60] [61] [62]
Это правило также известно как правило Аррениуса . Оно характеризует изменение скорости термической реакции. При понижении температуры на каждые 10 °C испарение уменьшается вдвое. Это означает, что при понижении температуры на каждые 10 °C срок службы конденсаторов удваивается.
Если спецификация срока службы электролитического конденсатора составляет, например, 2000 ч/105 °C, срок службы конденсатора при 45 °C может быть «вычислен» как 128 000 часов — примерно 15 лет — с использованием правила 10 градусов. Хотя результат более длительного срока службы при более низких температурах получается из математического расчета, результат всегда является оценкой ожидаемого поведения группы аналогичных компонентов.
Срок службы электролитических конденсаторов с нетвердыми электролитами зависит от скорости испарения и, следовательно, от температуры сердечника конденсатора. Эта температура сердечника, с другой стороны, зависит от нагрузки пульсирующего тока. Использование правила 10 градусов с температурой корпуса конденсатора дает хороший подход к условиям эксплуатации. В случае более высоких пульсирующих токов срок службы может быть положительно изменен с помощью принудительного охлаждения.
Ближе к концу срока службы конденсатора начинают проявляться отказы, связанные с деградацией. В то же время диапазон постоянной интенсивности отказов заканчивается. Но даже после превышения указанного срока службы конденсатора электронная схема не находится в непосредственной опасности; снижается только функциональность конденсатора. При сегодняшних высоких уровнях чистоты при производстве электролитических конденсаторов не следует ожидать, что короткие замыкания произойдут после точки окончания срока службы с прогрессирующим испарением в сочетании с ухудшением параметров.
Алюминиевые электролитические конденсаторы с нетвердыми электролитами имеют относительно негативный общественный имидж с точки зрения качества. Это противоречит промышленному опыту, где электролитические конденсаторы считаются надежными компонентами, если используются в соответствии с их указанными характеристиками в течение расчетного срока службы. Негативный общественный имидж может быть, среди прочего, потому, что неисправные электролитические конденсаторы в устройствах легко и сразу видны. [63] Это исключение и не относится к другим электронным компонентам.
Как и для любого промышленного продукта, для алюминиевых электролитических конденсаторов с нетвердыми электролитами известны конкретные причины отказов. Их можно дифференцировать по причинам отказов по разработке и производству конденсаторов, по производству устройств, по применению конденсаторов или по внешним воздействиям во время использования. [64]
Отрасли по производству конденсаторов могут влиять только на первый режим отказа. Большинство производителей десятилетиями имели хорошо структурированные отделы контроля качества, контролирующие все этапы разработки и производства. Схемы режимов отказов демонстрируют это. [55] [65] [66] [67] [68] [69] Однако типичный физически или химически вызванный режим основного отказа во время применения, такой как «полевая кристаллизация» для танталовых конденсаторов, не известен для нетвердых алюминиевых электролитических конденсаторов.
Во многих кругах электролитические конденсаторы считаются очень ненадежными компонентами по сравнению с другими пассивными компонентами. Это отчасти связано с историей этих компонентов. Конденсаторы, произведенные во время и до Второй мировой войны, иногда страдали от загрязнения во время ручного производства, и в частности соли хлора часто были причиной коррозионных процессов, приводящих к высоким токам утечки. Хлор действует на алюминий как катализатор для образования нестабильного оксида, не становясь химически связанным сам.
После Второй мировой войны эта проблема была известна, но измерительное оборудование не было достаточно точным для обнаружения хлора в очень низкой концентрации ppm. Ситуация улучшилась в течение следующих 20 лет, и конденсаторы стали достаточно хорошими для более длительного срока службы. Это, в свою очередь, приводит к ранее незамеченной коррозии под воздействием воды, которая ослабляет стабильный диэлектрический оксидный слой во время хранения или неиспользования. Это приводит к высоким токам утечки после хранения. Большинство электролитов в то время содержали воду, и многие конденсаторы достигают конца своего срока службы, высыхая. [21] Коррозия под воздействием воды была причиной рекомендуемых предварительных инструкций.
Первым решением в 1970-х годах стала разработка безводных электролитных систем на основе органических растворителей. Их преимуществами, среди прочего, были более низкие токи утечки и почти неограниченный срок хранения, [70] но это привело к другой проблеме: растущее массовое производство с автоматическими вставными машинами требует промывки печатных плат после пайки; эти чистящие растворы содержали хлоралкановые ( CFC ) агенты. Такие галогенные растворы иногда проникают через уплотнение конденсатора и вызывают хлорную коррозию. Опять же, возникла проблема тока утечки.
Использование ХФУ в качестве растворителей для химической чистки было постепенно прекращено, например, директивой IPPC по парниковым газам в 1994 году и директивой ЕС по летучим органическим соединениям (ЛОС) в 1997 году. В то же время были разработаны электролитические системы с добавками для ингибирования реакции между анодным оксидом алюминия и водой, которые решают большинство проблем с высоким током утечки после хранения. [71]
Способность нетвердых алюминиевых электролитических конденсаторов иметь стабильное поведение в течение длительного времени хранения может быть проверена с помощью ускоренного испытания хранения конденсатора при температуре его верхней категории в течение определенного периода, обычно 1000 часов, без приложения напряжения. Этот «тест на срок годности» является хорошим индикатором инертного химического поведения электролитической системы по отношению к диэлектрическому слою оксида алюминия, поскольку все химические реакции ускоряются при высоких температурах. Почти все сегодняшние серии конденсаторов выдерживают испытание на срок годности 1000 часов, что эквивалентно минимум пяти годам хранения при комнатной температуре. Современные электролитические конденсаторы не нуждаются в предварительной подготовке после такого хранения. Однако многие серии конденсаторов указаны только для двухлетнего срока хранения, но предел установлен окислением клемм и возникающими в результате проблемами с паяемостью.
Для восстановления старинного радиооборудования с использованием старых электролитических конденсаторов, изготовленных в 1970-х годах или ранее, часто рекомендуется «предварительная подготовка». Для этой цели номинальное напряжение подается на конденсатор через последовательное сопротивление приблизительно 1 кОм в течение одного часа. Подача напряжения через предохранительный резистор восстанавливает оксидный слой путем самовосстановления, но медленно, сводя к минимуму внутренний нагрев. Если конденсаторы по-прежнему не соответствуют требованиям тока утечки после предварительной подготовки, это может быть признаком постоянного повреждения.
Алюминиевые электролитические конденсаторы меньшего или низкого напряжения могут быть соединены параллельно без каких-либо корректирующих действий по безопасности. Конденсаторы больших размеров, особенно больших размеров и высокого напряжения, должны быть индивидуально защищены от внезапного заряда энергии всей батареи конденсаторов из-за неисправного образца.
Некоторые приложения, такие как преобразователи переменного тока в переменный с DC-link для управления частотой в трехфазных сетях, требуют более высоких напряжений, чем обычно предлагают электролитические конденсаторы. Для таких приложений электролитические конденсаторы могут быть соединены последовательно для повышения способности выдерживать напряжение. Во время зарядки напряжение на каждом из конденсаторов, соединенных последовательно, пропорционально обратной величине тока утечки отдельного конденсатора. Поскольку каждый конденсатор несколько отличается по индивидуальному току утечки, конденсаторы с более высоким током утечки получат меньшее напряжение. Баланс напряжения на последовательно соединенных конденсаторах не симметричен. Пассивный или активный баланс напряжения должен быть обеспечен для стабилизации напряжения на каждом отдельном конденсаторе. [42] [59]
Электролитические конденсаторы, как и большинство других электронных компонентов, имеют отпечатанную маркировку, указывающую производителя, тип, электрические и тепловые характеристики, а также дату изготовления. В идеальном случае, если они достаточно большие, конденсатор должен быть промаркирован следующим образом:
Для меньших конденсаторов используется сокращенная запись для отображения всей необходимой информации в ограниченном доступном пространстве. Наиболее часто используемый формат: XYZ K/M VOLTS V, где XYZ представляет емкость в мкФ, буквы K или M указывают допуск (±10% и ±20% соответственно), а VOLTS V представляет номинальное напряжение. Пример:
Емкость, допуск и дату изготовления также можно идентифицировать с помощью сокращенного кода в соответствии с IEC 60062. Примеры сокращенной маркировки номинальной емкости (микрофарад):
Дата изготовления часто печатается в соответствии с международными стандартами в сокращенном виде.
Код 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, "F" = 2015 и т. д. Код месяца: "1" - "9" = янв. - сентябрь, "O" = октябрь, "N" = ноябрь, "D" = декабрь "C5" тогда будет "2012, май"
Электролитические конденсаторы SMD -типа с нетвердым электролитом (вертикальные чипы, V-чипы) имеют цветной заполненный полукруг или отрицательную черту на верхней стороне корпуса, видимую для обозначения стороны отрицательного вывода. Кроме того, изолирующая пластина под корпусом конденсатора использует два скошенных края для обозначения того, что отрицательный вывод находится в позиции дополнения.
Радиальные или однотактные электролитические конденсаторы имеют полосу поперек боковой поверхности конденсатора, указывающую на отрицательный вывод. Вывод отрицательного вывода может быть короче вывода положительного вывода (аналогично светодиодам ). Кроме того, отрицательный вывод может иметь рифленую поверхность, отштампованную на верхней части соединительного выступа.
Аксиальные электролитические конденсаторы имеют полосу поперек или вокруг корпуса, указывающую на отрицательный вывод, чтобы обозначить отрицательный вывод. Положительный вывод конденсатора находится на стороне уплотнения. Отрицательный вывод короче положительного вывода.
На печатной плате принято указывать правильную ориентацию, используя квадратную сквозную площадку для положительного вывода и круглую площадку для отрицательного.
Стандартизация всех электрических , электронных компонентов и связанных с ними технологий следует правилам, установленным Международной электротехнической комиссией (МЭК), [72] некоммерческой , неправительственной международной организацией по стандартизации . [73] [74]
Определение характеристик и порядок проведения методов испытаний конденсаторов для использования в электронном оборудовании изложены в Общих технических условиях:
Испытания и требования, которым должны соответствовать алюминиевые электролитические конденсаторы для использования в электронном оборудовании с целью утверждения в качестве стандартизированных типов, изложены в следующих разделах технических условий:
Типичные области применения алюминиевых электролитических конденсаторов с нетвердым электролитом:
Преимущества:
Недостатки:
Рынок алюминиевых электролитических конденсаторов в 2010 году составил около 3,9 млрд долларов США (примерно 2,9 млрд евро), около 22% от стоимости всего рынка конденсаторов, составлявшего около 18 млрд долларов США (2008). По количеству штук эти конденсаторы занимают около 6% от общего рынка конденсаторов, составляющего около 70–80 млрд штук. [75]
Благодаря этой пленке катодная фольга, как говорят, будет иметь выдерживаемое напряжение около 1-1,5 В при комнатной температуре. Поскольку эта пленка не является однородной, а нестабильной и демонстрирует дисперсию частично или для каждой партии, не дается никакой гарантии на выдерживаемое напряжение катода.
Хотя конденсаторы могут выдерживать постоянное приложение обратного напряжения 1,5 В, превышение этого значения может привести к повреждению конденсатора из-за перегрева, избыточного давления и пробоя диэлектрика.
