PDF《TECHNICAL NOTE》

正确使用铝电解电容器的方法 目录 TECHNICAL NOTE 1.

铝电解电容器的概述

1 -

1 铝电解电容器的基本模型

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2 铝电解电容器的基本构造

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3 电容器材料的特性

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4 制造工艺 2. 基本性能

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1 基本的电气特性(静电容量、 损失角正切值、 漏电流)

2 -

2 阻抗的频率特性 3. 可靠性 4. 故障模式 5. 铝电解电容器的寿命

5 -

1 周围温度与寿命

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2 工作电压与寿命

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3 纹波电流与寿命

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4 充放电与寿命

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5 浪涌电流

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6 异常电压与寿命 6. 卤素的影响

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1 助溶剂的影响

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2 清洗剂

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3 固定剂、 涂层剂

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4 熏蒸的影响 7. 再起电压 8. 保管 9. 各种用途的制品选择要点

9 -

1 开关调整器输入平滑用途

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2 开关调整器输出平滑用途

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3 变换器主电路平滑用途

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4 控制电路用途

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5 照相闪光灯用途 1.铝电解电容器的概述 1-1 铝电解电容器的基本模型 电容器是无源器件,在各种电容器中, 铝电解电容器与其他 电容器相比, 相同尺寸时, CV值更大, 价格更便宜. 电容器的基本模型如图-1所示, 静电容量计算式如下: C = 8.854 * 10-

12 εS (F) (1) ε:介电常数 S:电极板表面积 (m2 ) d:两极板间距离=电介质的厚度 (m) 从式 (1) 中可以看出: 静电容量与介电常数, 极板表面积成正比, 与两极板间距离成反比. 作为铝电解电容器的电介质氧化膜(Al2O3)的介电常数通常 为8~10, 这个值一般不比其他类型的电容器大, 但是, 通过对铝箔 进行蚀刻扩大表面积, 并使用电化学的处理得到更薄更耐电压的 氧化电介质层, 使铝电解电容器可以取得比其他电容器更大的单 位面积CV值. 铝电解电容器的等效电路如图-2所示: 铝电解电容器主要构成如下: 阳极 ?铝箔 电介质?阳极铝箔表面形成的氧化膜 (Al2O3) 阴极 ?真正的阴极是电解液 其他的组成成分包括浸有电解液的电解纸, 和电解液相连的阴极箔. 综上所述, 铝电解电容器是有极性的非对称构造的元件. 两个电极 都使用阳极铝箔的是两极性 (无极性) 电容. 铝电解电容器素子的构造如图-3所示, 由阳极箔, 电解纸, 阴极箔和端子 (内外部端子) 卷绕在一起含浸电解液后装入铝壳, 再用橡胶密封而成. 铝电解电容器、 根据制品的形状不同, 外部端子的形状, 密封 橡胶的材料和构造也不同. 如图-4所示 (CE04 型) (CE692 型) 引线 (端子) 铝线 电解纸 阴极铝箔 阳极铝箔 引线 (端子) 铝引线 封口橡胶 套管 铝壳 素子 端子 铝铆钉 封口材料 素子 铝壳 压力阀 套管 d 相对电极 S ε 电解液 LA DA R CA RA DC CC RC LC 电介质 (Al2O3) 电解纸阳极箔阴极箔1-2 铝电解电容器的基本构造 图4 铝电解电容器的构造 (形状的代表例) 图1 电容器基本模型 图2 电容器等效回路 图3 素子基本构造 CA , CC :阳极箔、 阴极箔的静电容量 DA , DC:阳极箔、 阴极箔氧化膜的整流作用 LA , LC:阳极箔、 阴极箔的电感 R :电解液和电解纸的电阻 RA , RC:阳极箔、 阴极箔的氧化膜电阻 d 涂层铝壳 素子 封口橡胶 铝线 台座 引线 (端子) (CE32 型) 正确使用铝电解电容器的方法 裁剪概略图 裁剪刀 端子 阳极箔 电解纸 阴极箔 含浸概略图 电解液 铝壳 素子 封口橡胶 铝箔是铝电解电容器主要材料, 将铝箔设置为阳极, 在电解液 中通电后, 铝箔的表面会形成氧化膜(Al2O3), 此氧化膜的功能为电 介质. 如图-5所示, 形成氧化膜后的铝箔在电解液中是具有整流特性 的金属, 被称之为阀金属. 《阳极铝箔》 首先, 为了扩大表面积, 将铝箔材料置于氯化物水溶液中进行 电化学蚀刻. 然后, 在硼酸铵溶液中施加高于额定电压的电压后, 在铝箔表面形成电介质氧化层 (Al2O3) , 这个电介质层是很薄很致 密的氧化膜, 大概1.1~1.5nm/vot , 绝缘电阻大约为10

8 ~

109 Ω/m. 氧化层的厚度和耐压成正比. 为了增加扩大表面积的效率, 根据额 定电压的不同, 而蚀刻形状也不同. (如图-6) 《阴极铝箔》 同阳极箔一样, 阴极铝箔同样有蚀刻的程序, 但是没有氧化的 程序. 因此, 阴极铝箔表面只有少量的自然氧化形成的(Al2O3), 能承受的电压只有0.5V左右. 图-6 铝箔蚀刻横截面 《电解液》 电解液是由离子导电的液体, 是真正意义上的阴极, 起着连接 阳极铝箔表面电介质层的作用. 而阴极铝箔类似集电极一样起着 连接真正阴极和内部电路的作用. 电解液是决定电容器特性 (温度 特性, 频率特性, 使用寿命等) 的关键材料. 《电解纸》 电解纸主要起着均衡电解液的分布并保持阴极箔和阳极箔间 隔的作用. 《铝壳和封口材料》 铝壳和由橡胶制成的封口材料主要作用是保持电容器气密性. 蚀刻模型图 化成模型图 Al2O3 制造工艺 1-4 电容器材料的特性 1-3 ① 蚀刻 (扩大表面积) 蚀刻的作用是扩大铝箔表面积. 蚀刻是在氯化物溶液中施加交流或 直流电流的电化学过程. ② 化成 (形成电介质层) 化成是在阳极铝箔表面形成电介 质层 (Al2O3)的过程. 一般将化成过 的铝箔作为阳极使用. ③ 裁剪 按照不同产品的尺寸要求将铝箔 (阴极箔和阳极箔) 和电解纸剪切为 需要的尺寸 ④ 卷绕 将阴极箔和阳极箔之间插入电解 纸, 然后卷绕成圆柱形, 在卷绕工艺 上阴极箔和阳极箔上连接端子. ⑤ 含浸 含浸是将素子浸入电解液中的过 程. 电解液能对电介质层进一步修复. ⑥ 密封 密封是将素子装入铝壳中后用封 口材料 (橡胶, 橡胶盖等) 密封的过程. ⑦ 老化 (再化成) 老化是对密封后的电容器在高温 下施加电压的过程. 这个过程能将 裁剪和卷绕过程时电介质层的一些 受损进行修复. ⑧ 全检, 包装 老化之后, 将对所有产品进行电 气特性检查. 并进行端子加工, 编带 等. 最后进行包装. ⑨ 出货检查 根据产品检验标准进行出货检验. ⑩ 出货 AC电蚀刻表面截面图 DC电蚀刻表面截面图 低压铝箔 高压铝箔 图-5 氧化铝箔 V-I 特性

0 V I 正确使用铝电解电容器的方法 铝箔正确使用铝电解电容器的方法 2.基本性能 2-1 基本的电气特性 2-1-1 静电容量 电极表面积越大, 容量 (储存电荷的能力) 越大. 铝电解电容器 的静电容量值是在20℃, 120Hz 0.5V的交流电条件下测试的值. 一 般来说, 温度升高, 容量也会升高;

温度降低, 容量也会降低 (如图7) . 频率越高, 容量越小;

频率越低, 容量越大 (如图8) . 2-1-2 Tanδ (也称为损失角或损失系数) (图9) 是等效电路图2的简化等效电路 (图2) 是理想的电容器的 等效电路电阻R=0, tanδ =0. 但实际上, 铝电解电容器因为电解液、 电解纸及其他接触电阻的存在, 等效电路电阻R不为0. 1/wC和R的 关系如图-10和公式 (2) . tan δ= R =ωCR (2) 1/ ωC ω:2πf π=圆周率、f:频率 (f = 120Hz) 2-1-3 漏电流 (LC) 漏电流是铝电解电容器特性之一, 当施加直流电压时, 电介质 氧化层允许很小的电流通过, 这一部分小电流称为漏电流. 理想的 电容器是不会产生漏电流的情况 (和充电电流不一样) . 漏电流(LC)会随时间而变化, 如图-12所示. LC随时间而减小后 会达到一个稳定值. 因此, LC的规格值为20℃下施加额定电压一段 时间之后所测量的值. 当温度升高时, LC增加;

温度降低, LC减少 (图-13所示) . 施加的电压降低, LC值也会减少. 图7: 静电容量的温度特性 图8: 静电容量的频率特性 图11: tanδ的温度特性 图12: 漏电流随时间的变化 图13: 漏电流的温度特性 图9: 电容器等效电路图 R L C R 1/ωC δ

102 漏电流uA 温度 (℃) 2分钟值 5分钟值

10 -40-25

0 20

60 85 例: 引线型105℃ 35V470uF 静电容量变化率 (%) 温度 (℃) -60

20 15

10 5

0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -40 -20

0 20

40 60

80 100

120 例: 引线型105℃ 35V470uF 静电容量变化率 (%) (频率Hz)

100 20

10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100 1k 10k 100k 1M 20℃ 例: 引线型105℃ 35V470uF tanδ 温度 (℃) -60 -40 -20

0 20

40 60

80 100

120 1 0.1 0.01 漏电流uA 时间 (s)

0 100

80 60

40 20

0 20

40 60

80 100

120 图10: 损失角tanδ 正确使用铝电解电容器的方法 图15:不同电容阻抗的频率特性 图14:阻抗的频率特性 Impedance (Ω)

100 100 1k 10k 100k 1M

10 1 0.1 0.01 Film Capacitors Multilayer Ceramic Capacitors Aluminum Electrolytic Capacitors 频率 (Hz) 频率 (Hz)

100 0.001 0.01 0.1

1 1k 10k 100k 1M Impedance・ESR (Ω) Z ESR ωL 1/ωC R L C 2-2 阻抗的频率特性 施加在电容器上的交流电压的频率变化的话, 作为阻止AC电 流的参数, 阻抗 (Z) 也会产生变化 (如图-14所示) . 这就是电容器的 阻抗-频率特性. (图-9) 是电容器等效电路的简化模型. (图14) 的虚线部分 代表这个电路中的组成成分 (C,R,L) . 从图可得之, 阻抗-频率特 性是由C,R,L的频率特性组合而成. 1/ωC是容抗, 图中容抗的直线向下角成45°角.ωL是感抗, 它的直线向右上角成45°角. R代表等效串联电阻. 在低频率区间, 有频率依存性的电介质损失影响大, 因而 R曲线向下. 在高频区间, 电解液和电解纸的阻值占主导地位, 不再受频率的影响, 因而R值 趋于稳定. 阻抗表达式如式 (3) 所示. 由于铝电解电容器的阻抗特性主要受电解液和电解纸的阻值 的影响, 在自身共振频率时, Z值相对要较高 (如图-15所示) . 同时, 阻抗也受温度影响: 温度升高, 阻抗减少;

温度降低, 阻抗增大 (如图-16) . Z= R2 + ωL-

1 ωC ( )

2 3) 图16:阻抗.ESR的温度频率特性 EX. 35V470μF Radial Lead Type 频率 (Hz) Impedance ESR Impedance ・ESR (Ω)

100 0.01 0.1

1 10 100k 10k 1k 105℃ 20℃ -40℃ 1M 在设计需要使用电容器的设备的时候,要重点考虑其电容器的 可靠性,故障率及使用寿命. 铝电解电容器的故障率近似于图-17的浴桶曲线. 初期故障期 开始使用后不久、 由设计,制造上的缺陷或与使用环境不适 应所产生的故障期间. 铝电解电容器是指在制造工序中调 试剔出的不良、 是产品出货前的故障. 偶发故障期 故障发生率低且稳定,发生一些与时间无关的故障期间. 铝 电解电容器与其它半导体、 钽固体电解电容相比, 此期间发 生破坏故障率要低. 损耗故障期 特性慢慢被老化,随着时间的推移,故障率升高的期间. 从铝电解电容制造完成开始, 含浸过后的电解液透过封口 橡胶、 随着时间蒸发、 静电容量及损失角正切超出规格的期 间定义为损耗故障期 (寿命) . 到损耗故障为止的期间即为 有效寿命. 4.故障模式 故障模式, 根据引发故障的使用条件而不同. (图-18) 故障模式 内部现象 引发原因 氧化膜部份缺陷 制造时 错误使用时 正常使用时 短路 Tab. 端子部连........