Електролитски кондензатори - Основи и својства
Електролитичките кондензатори нудат поголем капацитет за даден волумен отколку другите технологии на кондензатори. Точно специфицираните електролитски кондензатори можат да постигнат век на траење повеќе од 20 години во барајќи индустриски апликации. Оваа статија ја објаснува структурата на електролитичкиот кондензатор и неговите карактеристики на работа.
Електролитичките кондензатори се рутински вклучени во категоријата „Пасивни компоненти“ класифицирани. Спецификацијата на кондензатори за општа намена за потрошувачкиот сектор е обично релативно лесна. За индустриски апликации за кои е потребен повисок специфициран кондензатор со долг век на траење, процесот на избор е посложен и мора да се земат предвид различните параметри во апликацијата.
Основниот принцип на кондензаторот
Кондензатор се состои од две метални плочи кои се одделени со диелектрик. Површинските површини на металните плочи (А), диелектрикот и јазот помеѓу плочите (г) ги одредуваат карактеристиките на кондензаторот: ε0 е дозволеност на слободниот простор (8,85. 10 -12 F/m) и е дозволеноста на Диелектрик (оксид, хартија, електролит).
Тоа е теоријата. Во пракса, металните плочи се алуминиумска фолија, а диелектрикот е оксиден слој на анодата. На Катодна фолија лежи помеѓу хартиените слоеви натопени со електролит и служи како еден вид крајна плоча. Фолиите и хартиите се навиваат и се ставаат во цилиндар за да се минимизира волуменот. Врските за поврзување го поврзуваат ликвидацијата со приклучоците поставени на капакот на кондензаторот. Повеќето електролитски кондензатори се поларизирани. Но, постојат и посебни ситуации во кои се наоѓаат неполаризирани електролити, на пример, во апликациите за стартување на моторот.
Производство и конструкција на електролитски кондензатори
Алуминиумска фолија се користи за анодата и катодата. На Анодна фолија е важен дел од електролитичкиот кондензатор во однос на перформансите и типично зафаќа повеќе од 75% од вкупната цена на кондензаторот. Фолијата се мери според нејзината количина на капацитет по површина и напон на формирање оксид. Со цел да се зголеми површината, фолијата се гравира за да се формираат тунели. Овој процес се користи за да се одреди дебелината на филмот.
На Основен филм се состои од 99,9% алуминиум и е обично 100 µm дебел. Офортувањето на тунелот се врши со употреба на електрохемиски процес; дијаметарот на тунелот е типично од 1 до 2 μm и должина од 50 μm. Густината на тунелот е тогаш 25 милиони на см 2, а површината на гравираната фолија е приближно 100 пати поголема од онаа на мазната фолија.
Откако е издлабена анодната фолија, таа потоа се „обликува“ со нанесување на слој од алуминиум оксид без пори на површината на гравираната фолија. Овој оксиден слој е диелектрик на кондензаторот. Оксидниот слој се депонира со применет напон и дебелината на оксидот е пропорционална на напрегањето на формирањето. Капацитетот е обратно пропорционален на дебелината на оксидот.
Со други зборови, колку е поголем стресот на формирање, толку е помал капацитетот по површина. За кондензаторот, ова значи пониски напони за релативно големи вредности на капацитетот и намалување на капацитетот како што се зголемуваат напоните. Оксидната карактеристика на алуминиумот е чувствителна на поларитет и затоа обратен поларитет обично резултира со катастрофална слабост.
Слоеви на хартија ги одделуваат анодните и катодните фолии. Хартијата се користи за држење на електролитот и спречување на пад на напон со него. Трудовите имаат ефект и врз ESR (ефективна серија отпорност). Колку е поголем напонот, толку поцврсти треба да бидат хартиите и така ESR се зголемува. Затоа, параметрите на ESR се повисоки за електролитски кондензатори со поголем номинален напон.
Намотката е импрегнирана со електролит. Ова има неутрална pH вредност, висока спроводливост и е стабилно на високи температури. Во врска со хартиите за ослободување, електролитот има висок напон на сцинтилација. Сцинтилацијата е претходник на падот на напонот помеѓу анодата и катодната фолија. Електролитот има способност да формира оксид (да ја намали струјата на истекување) и го задржува пламенот. Високонапонските електролити обично се повеќе слатки од нисконапонските електролити. За поддршка на процесот на импрегнација, се додава дополнителен слој хартија, кој е многу абсорбентен и делува како фитил за слаткиот електролит. Сепак, овој дополнителен слој хартија повторно ја зголемува вредноста на ESR. Откако ликвидацијата е импрегнирана со електролит, таа се вметнува во алуминиумска конзерва и плочката за покривање е запечатена со гумена заптивка.
Кај производителот Itelcond, голем дел од работата за истражување и развој е насочен кон развој на електролити. Интеракцијата на електролитот со трудовите и анодната фолија е интензивна област на студии, така што Ителконд има врски со разни истражувачки универзитети, иновативни групи и центри за истражување и развој во Италија и Јапонија.
Процес на стареење во електролитски кондензатори
Веднаш штом кондензаторот е монтиран во неговото куќиште и ќе се запечати плочката за покривање, кондензаторот поминува низ процес на вештачко стареење. Стареењето се случува преку контролирана примена на напон, струја и температура и може да трае од еден до 20 часа, во зависност од големината на кондензаторот. Стареењето е важно за да се „залечи“ малата штета како резултат на производството во оксидниот слој на анодната фолија. Понатамошните ефекти на производството може да се видат на исечените рабови на филмот, на точките за поврзување на јазичињата и на долната страна на стегите. Процесот на стареење ја носи струјата на истекување, исто така наречена струја на истекување, на одредено ниво. Во идеален свет, ниедна струја не би течела низ кондензатор, но во пракса тече струја на истекување и процесот на стареење го минимизира ова на одредено ниво.
Ова ниво укажува на прифатливо ниво на струја на истекување за кондензаторот да работи правилно во апликацијата. Струјата на истекување продолжува да се намалува со текот на времето на ниво што е само дел од наведената вредност. Со голем кондензатор со завртка, намалувањето на една апликација може да биде неколку стотици часа работа. По стареењето, секој кондензатор се тестира за усогласеност со спецификациите и потоа се вметнува во изолационен материјал, обично ПВЦ или ПЕТ. Кондензаторот сега е подготвен да биде испратен до потрошувачот.
Разгледување на толеранцијата на електролитски кондензатори
Како и отпечатоците од прсти, нема два електролитски кондензатори идентични. Ова се должи на електрохемиската природа на електролитски кондензатор. Поради оваа варијација, електролитичките кондензатори се специфицирани со толеранции од типично ± 20% или -10%/+ 30%. Но, што значи тоа во пракса? На слика 6 се прикажани два гаусовски дијаграми на типична група кондензатори.
За кондензатор со толеранција од ± 20%, номиналниот капацитет е типично 8% до 10% над долната граница на процент. Поголемиот дел од вредностите на капацитивноста во група кондензатори се помеѓу долната граница на процентот и номиналниот капацитет. Ова е многу популарен компромис помеѓу реалната вредност на капацитетот и цената и може да се најде на многу пазари низ целиот свет.
Со кондензатор со толеранција од –10%/+ 30%, капацитетот е близу до номиналната вредност на капацитетот. Поголемиот дел од вредностите на капацитетот во група кондензатори ќе бидат во близина на обете страни на номиналната вредност. Ова им дава на дизајнерот подобри опции кога одредена изведба е важна.
Оваа 40% дистрибуција се должи на формирање на варијации во анодната фолија. Пред многу години, толеранцијата од ± 50% беше стандардна, но напредокот во формирањето метал го намали ова и 30% ширење не е невообичаено во обичајните дизајни. Затегнатоста на Гаусовата претстава зависи од квалитетот на анодната фолија. Подобрите фолии обично доаѓаат од Европа и Јапонија. Ителконд користи само европски филмови.
Влијанија врз капацитетот
Има одредено влијание врз капацитетот предизвикано од фреквенцијата, температурата и начинот на мерење на капацитетот. Капацитетот ќе се намали со фреквенцијата како што е прикажано со формулата C = 1/(2 π. F. Z)). На оваа температура, капацитетот на 50 ° C е околу 2% поголем отколку на 20 ° C. Ова зголемување е поголемо при пониски номинални напони и со длабоки врежани фолии. Начинот на кој се мери капацитетот има најголем ефект, или AC капацитетот со користење на методот LCR мост или DC капацитетот со користење на методот на полнење на полнење C = Q/V. Методот на полнење на полнење може да доведе до 10% до 30% повисоки вредности во споредба со методот LCR мост.
Употреба на кондензатори
Перформансите наведени од кондензаторот може да варираат во зависност од индустријата. Ефтините кондензатори за потрошувачки апликации генерално не треба да работат на ограничување на перформансите. Дури и ако спецификацијата на овие кондензатори е дадена како 400 V и 85 ° C, од причини на трошок тие обично се дизајнирани така што тие треба да работат на понизок напон и температура.
Кондензатори за индустриска примена, произведени од квалитетни производители како што е Itelcond, се дизајнирани на таков начин што со нив може да се работи со наведената моќност без никакви проблеми, што се рефлектира и во цената. Понекогаш дизајнерите сакаат да работат со кондензатори со намалени вредности на моќност, или по личен избор или според пропишаните барања на крајниот пазар, како еден вид безбедносен тампон. На пример, може да земете кондензатор од 450V и да го користите во апликација од 350V. Каква корист ни носи тоа?
Од дијаграмот може да се види дека нема дополнителна корист од намалувањето на кондензаторот под 80% од номиналниот напон. Факторот на напон има посилен ефект при повисоки температури на кондензаторот и е параметар кој е вклучен во пресметката на работниот век. Вредноста од 1,4 одговара на зголемување на очекуваниот век на траење од 40%. И тука електролитските кондензатори се предмет на компромис; дополнителните трошоци за повисок напон можат да бидат оправдани за подолг век на траење?
Влијанија врз струјата на истекување (струја на истекување)
Зборувавме за струјата на истекување и процесот на стареење за време на производството. Овде можеме да погледнеме уште еднаш на струјата на истекување и влијанието на температурата. Струјата на истекување е струја на дефект што продолжува да тече по целосно полнење на кондензаторот. Струјата на истекување е зависна од напон и температура. Како што може да се види на слика 8, струјата на истекување е мала додека не достигне точка каде што брзо се зголемува. Номиналниот напон е наведен во точката каде што струјата на истекување рапидно се зголемува (оваа точка е наведената гранична вредност). Температурните опсези обично се опишуваат како 85 ° C и 105 ° C.
Ако се надминат овие температури, кривата ефективно се префрла налево и струјата на истекување драстично се зголемува на наведениот номинален напон. Сепак, под посебни услови оваа крива може да се користи и да се префрли надесно; ако кондензаторот е ладен, напонот може да се надмине. Овој трик може да се користи во фотоволтаични апликации каде што инверторот се наоѓа во незагреаниот простор на покривот. Напонот на сончевиот панел може да биде околу 20% поголем ако е изложен на силна сончева светлина ладно зимско утро, но пред да се напојува напојувањето. Овој 20% повисок напон е означен со средното коло на инверторот и електролитските кондензатори мора да можат да го издржат овој зголемен напон.
Ако се ладни, обично 0 ° C, а кондензаторите се наоѓаат на ладен покрив, номиналниот напон може да се зголеми. Типично, 500 V електролитски кондензатор може да работи на 550 V под овие услови. Сепак, се препорачува претпазливост, бидејќи ESR е многу висок на студ, инверторот мора да се загрева на контролиран начин со цел да се ограничи струјата на бранот. Соларниот панел ќе помогне тука, бидејќи напонот се намалува веднаш штом ќе произведе електрична енергија.
На слика 9 се прикажани кривините на ESR за типичен електролитски кондензатор. Можете да видите како ESR драстично се зголемува на пониски температури. Во фотоволтаична апликација, потребно е загревање под контролирани услови, бидејќи ESR е толку висок. Премногу бран струја и кондензаторот се прегрее. Нежното греење исто така ја зголемува температурата на кондензаторот, но ESR е намален, а со тоа и внатрешното греење.
Во многу апликации за напојување со бранови струи помеѓу 50 и 500 Hz, својството ESR на електролитски кондензатор е важно. ESR е отпорност на бранување на наизменична струја. Како што веќе споменавме, ESR зависи од температурата и фреквенцијата, но исто така зависи и од времетраењето на употребата. Нежно ќе се зголеми во текот на целото време на работа. Меѓутоа, кога кондензаторот ќе го достигне крајот на својот век, стапката на зголемување се забрзува. Типично се претпоставува дека ова е случај веднаш штом ESR достигне три пати поголема од почетната вредност. Ако кондензаторот потоа работи понатаму, ESR исто така се зголемува додека внатрешното греење не ја достигне максималната температура на јадрото на кондензаторот.
Меѓусебни зависности во електролитски кондензатор
Додека анодната фолија, капацитетот, напонот и струјата на истекување се тесно испреплетени, ESR и електролитот исто така се испреплетени. Кога се користи електролитски кондензатор, струјата на бранувањата и ESR доведуваат до загревање на I 2 R, а со тоа и до излегување на струја на електролитот. Како резултат, внатрешниот притисок се зголемува и има одредена дифузија низ заптивката помеѓу капакот на плочата и чашата. Ова предизвикува кондензаторот да се исуши со текот на времето, што доведува до зголемување на ESR. Стабилен електролит го намалува излегувањето однадвор, а со тоа и стапката на зголемување на ESR. Премногу висока струја на истекување исто така може да доведе до загревање и излегување однадвор и со тоа да се забрза зголемувањето на ESR.
Електролитичките кондензатори го следат законот на Арениус: ако температурата на околината падне за 10 K, работниот век е двојно зголемен. Електролитички кондензатор може да биде дизајниран за употреба во апликација што бара и колку е пософистициран, толку е поголема цената на кондензаторот. Обично е поевтино да се користи вентилатор/вентилатор за да се забрза дисипацијата на топлина од електролитски кондензатор во топла средина и со тоа да се ограничи вкупниот пораст на температурата.
Со други зборови, капацитет, ESR и струја на истекување, температура, напон и фреквенција. Дали се крева нагоре? Дали оди надолу? Збунет? Табелата ги сумира различните аспекти при користење на електролитски кондензатор.
Други карактеристики што треба да се разгледаат се првичниот дизајн на кондензаторот. Веќе видовме каде вредностите на капацитетот се намалуваат со зголемување на номиналниот напон. ESR ќе се зголеми како што се зголемува номиналниот напон поради подебелата хартија и електролит. За апликации со голема струја на бранување, имаме можност да користиме филм со мала засилување што има помал ESR или стандарден филм кој овозможува поголем напон да ги искористи придобивките од намалувањето на напонот (намалувањето). Секое решение има свои предности и недостатоци.
Често се поставуваат прашања во врска со рокот на траење. Таканаречениот рок на траење или рокот на траење се определува со статичко складирање на електролитскиот кондензатор, или во рамките на апликацијата или не е инсталиран одделно. Времето и температурата имаат ефект врз заспан кондензатор во кој струјата на истекување се зголемува полека со текот на времето без да се примени напон. Пресврт во процесот на стареење се јавува кога се случува хемиска промена. Затоа, повторно е потребно стареење пред употреба.
Во еден типичен магацин, рокот на траење треба да биде најмалку две години. Покрај тоа, струјата на истекување може да ги надмине граничните вредности. Ако е потребно позреење, ова мора да се направи на собна температура. За да го направите ова, поврзете напонско напојување што одговара на номиналниот напон, но струјата е ограничена на максималната вредност на струјата на истекување на кондензаторот. Во зависност од почетната состојба, може да биде потребно пост-стареење од еден до четири часа.
Сумирајќи, може да се каже дека електролитските кондензатори не се едноставни пасивни компоненти со малку параметри. Електролитички кондензатор претставува многу компромиси во однос на перформансите, цената и работниот век. Искуството и техничкото знаење во врска со висококвалитетни материјали на крајот гарантираат производ кој ги исполнува техничките барања со очекуваниот век на траење.
* Фалко Ладигес е водач на тимот PEMCO во WDI AG.
* Кристофер Спенс е менаџер на производи во Itelcond SRL.