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

1 -

2 铝电解电容器的基本构造

1 -

3 电容器材料的特性

1 -

4 制造工艺 2. 基本性能

2 -

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

5 -

2 工作电压与寿命

5 -

3 纹波电流与寿命

5 -

4 充放电与寿命

5 -

5 浪涌电流

5 -

6 异常电压与寿命 6. 卤素的影响

6 -

1 助溶剂的影响

6 -

2 清洗剂

6 -

3 固定剂、 涂层剂

6 -

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

9 -

2 开关调整器输出平滑用途

9 -

3 变换器主电路平滑用途

9 -

4 控制电路用途

9 -

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. 端子部连接不良 电解液减少 电解液蒸发上升 阳极箔容量减少 阴极箔容量减少 氧化膜劣化 腐蚀 内压上升 压力阀动作 漏液 封口不完全 Tab. 端子部断线 电极间绝缘破坏 电极间短路 切割毛刺.金属微粒子 异常的热外力 随着时间的劣化 施加过大电压 施加逆电压 过大纹波电流 超过容许的充放电 机械外力 连接不充分 紧固不良 CI 的侵入 氧化膜绝缘破坏 开路 漏电流增加 静电容量减少 tanδ (ESR) 增加 - 电化学反应1111212223344333.可靠性 图17:浴桶曲线 时间 故障率abcabc电解........