Elektrolit kondenzátorok - alapok és tulajdonságok
Az elektrolit kondenzátorok nagyobb kapacitást kínálnak egy adott térfogatra, mint más kondenzátor technológiák. A helyesen meghatározott elektrolit kondenzátorok több mint 20 éves élettartamot érhetnek el igényes ipari alkalmazásokban. Ez a cikk elmagyarázza az elektrolit kondenzátor szerkezetét és működési jellemzőit.
Az elektrolit kondenzátorok rutinszerűen szerepelnek a kategóriában "Passzív alkatrészek" osztályozott. Az általános felhasználású kondenzátorok meghatározása a fogyasztói szektor számára általában viszonylag egyszerű. Nagyobb, hosszú élettartamú kondenzátort igénylő ipari alkalmazások esetében a kiválasztási folyamat bonyolultabb, és figyelembe kell venni az alkalmazás különböző paramétereit.
A kondenzátor alapelve
A kondenzátor két fémlemezből áll, amelyeket dielektrikum választ el egymástól. A fémlemezek (A) felülete, a dielektrikum és a lemezek (d) közötti rés meghatározza a kondenzátor jellemzőit: ε0 a szabad tér permittivitása (8,85. 10 -12 F/m) és εr a Dielektromos (oxid, papír, elektrolit).
Ez az elmélet. A gyakorlatban a fémlemezek alumíniumfólia, a dielektrikum pedig egy oxidréteg az anódon. A Katódfólia az elektrolittal átitatott papírrétegek között fekszik, és egyfajta véglemezként szolgál. A fóliákat és a papírokat feltekerjük és hengerbe helyezzük a térfogat minimalizálása érdekében. A csatlakozó fülek összekapcsolják a tekercset a kondenzátor fedőlapjára szerelt sorkapcsokkal. A legtöbb elektrolit kondenzátor polarizált. De vannak olyan speciális helyzetek is, amelyekben nem polarizált elektrolitok találhatók, például a motor indításakor.
Elektrolit kondenzátorok gyártása és gyártása
Az anódhoz és a katódhoz alumínium fóliát használnak. A Anódfólia az elektrolitkondenzátor teljesítményének fontos része, és jellemzően a kondenzátor teljes költségének több mint 75% -át teszi ki. A fóliát a területenkénti kapacitásmennyiség és az oxidképző feszültség alapján mérjük. A felület növelése érdekében a fóliát marják alagutakká. Ezt az eljárást használják a film vastagságának meghatározására.
A Alapfilm 99,9% alumíniumból áll és általában 100 µm vastag. Az alagútmaratás elektrokémiai eljárással történik, az alagút átmérője általában 1-2 µm, hossza 50 µm. Az alagút sűrűsége ekkor 25 millió/cm 2, a maratott fólia felülete pedig kb. 100-szor nagyobb, mint egy sima fóliaé.
Az anódfólia maratása után pórusmentes alumínium-oxid réteget felvittük a maratott fólia felületére. Ez az oxidréteg a kondenzátor dielektrikuma. Az oxidréteget egy alkalmazott feszültség rakja le, és az oxidvastagság arányos a képződési feszültséggel. A kapacitás fordítottan arányos az oxid vastagságával.
Más szavakkal: minél nagyobb a képződési stressz, annál kisebb a területenkénti kapacitás. A kondenzátor számára ez alacsonyabb feszültségeket jelent a viszonylag nagy kapacitási értékeknél és a kapacitás csökkenését a feszültségek növekedésével. Az alumínium oxidjellemzője polaritásra érzékeny, ezért a megfordított polaritás általában katasztrofális kudarcot eredményez.
Papírrétegek választják el az anód és a katód fóliákat. A papírt arra használják, hogy megtartsa az elektrolitot, és megakadályozza a feszültség csökkenését. A tanulmányok hatással vannak az ESR-re is (effektív sorozatellenállás). Minél nagyobb a feszültség, annál robusztusabbaknak kell lenniük a papíroknak, és így az ESR növekszik. Ezért az ESR paraméterek magasabbak a magasabb névleges feszültségű elektrolit kondenzátoroknál.
A tekercset impregnálják az elektrolit. Ennek semleges pH-értéke, magas vezetőképessége van, és magas hőmérsékleten stabil. A kioldópapírok kapcsán az elektrolitnak magas szcintillációs feszültsége van. A szcintilláció az anód és a katódfólia közötti feszültségesés előfutára. Az elektrolit képes oxidot képezni (a szivárgási áram csökkentésére) és égésgátló. A nagyfeszültségű elektrolitok általában viszkózusabbak, mint a kisfeszültségű elektrolitok. Az impregnálási folyamat támogatásához további papírréteget adunk hozzá, amely nagyon nedvszívó és kanócként működik a viszkózus elektrolit számára. Ez a további papírréteg azonban ismét növeli az ESR értéket. Miután a tekercset impregnálta az elektrolit, alumínium dobozba helyezik, és a fedőlapot gumitömítéssel lezárják.
Az Itelcond gyártónál a K + F munka jelentős része az elektrolitok fejlesztésére összpontosul. Az elektrolitnak a papírokkal és az anódfóliával való kölcsönhatása intenzív tanulmányi terület, ezért az Itelcond különféle kutatóegyetemekkel, innovációs csoportokkal és K + F központokkal rendelkezik kapcsolatokkal Olaszországban és Japánban.
Az öregedési folyamat elektrolit kondenzátorokban
Amint a kondenzátort a házába szerelik és a fedőlapot lezárják, a kondenzátor mesterséges öregedési folyamaton megy keresztül. Az öregedés a feszültség, áram és hőmérséklet szabályozott alkalmazásával történik, és a kondenzátor méretétől függően egy és 20 óra közötti időt vehet igénybe. Az öregedés fontos az anódfólia oxidrétegében történő gyártás következtében bekövetkező kisebb károk „gyógyításához”. További produkciós hatások láthatók a film vágott szélein, a fülek csatlakozási pontjain és a bilincsek alsó oldalán. Az öregedési folyamat a szivárgási áramot, más néven szivárgási áramot, egy bizonyos szintre hozza. Ideális világban áram nem áramlik a kondenzátoron, de a gyakorlatban szivárgó áram folyik, és az öregedési folyamat ezt egy bizonyos szintre minimalizálja.
Ez a szint a szivárgási áram elfogadható szintjét jelzi, hogy a kondenzátor megfelelően működjön egy alkalmazásban. A szivárgási áram az idő múlásával tovább csökken, olyan szintre, amely csak a töredéke a megadott értéknek. Nagyméretű csavaros kapcsos kondenzátor esetén az alkalmazás csökkentése több száz üzemóra lehet. Az öregedés után minden kondenzátort megvizsgálják, hogy megfelelnek-e a specifikációknak, majd szigetelőanyagba, általában PVC-be vagy PET-be burkolják. A kondenzátor készen áll az ügyfél számára történő szállításra.
Az elektrolit kondenzátorok toleranciájának figyelembevétele
Az ujjlenyomatokhoz hasonlóan nincs két egyforma elektrolit-kondenzátor. Ennek oka az elektrolit kondenzátor elektrokémiai jellege. Ennek a variációnak köszönhetően az elektrolit kondenzátorok jellemzően ± 20% vagy -10%/+ 30% tűréshatárokkal vannak megadva. De mit jelent ez a gyakorlatban? A 6. ábra két tipikus kondenzátor-tétel Gauss-diagramját mutatja.
± 20% tűrésű kondenzátor esetében a névleges kapacitás általában 8% és 10% között van az alsó százalékhatár felett. A kondenzátorok sorozatában a kapacitásértékek többsége az alsó százalékos határ és a névleges kapacitás között van. Ez egy nagyon népszerű kompromisszum a tényleges kapacitásérték és az ár között, és a világ számos piacán megtalálható.
–10%/+ 30% tűrésű kondenzátorral a kapacitás közel van a névleges kapacitás értékéhez. A kondenzátorok sorozatában a kapacitásértékek többsége a névleges érték mindkét oldala közelében lesz. Ez jobb tervezői lehetőségeket kínál a tervezőnek, ha egy adott teljesítmény fontos.
Ez a 40% -os eloszlás az anódfólia variációinak kialakulásának tudható be. Sok évvel ezelőtt a ± 50% -os tűrés volt a szokásos, de a fémmegmunkálás fejlődése ezt csökkentette, és a 30% -os elterjedés nem ritka az egyedi kivitelekben. A Gauss-ábrázolás feszessége az anódfólia minőségétől függ. A jobb fóliák általában Európából és Japánból származnak. Az Itelcond csak európai filmeket használ.
Befolyásolják a kapacitást
Van némi befolyás a kapacitásra, amelyet a frekvencia, a hőmérséklet és a kapacitás mérésének módja okoz. A kapacitás a frekvenciával csökken, amint azt a C = 1/(2 π. F. Z) képlet mutatja). Ezen a hőmérsékleten a kapacitás 50 ° C-on körülbelül 2% -kal magasabb, mint 20 ° C-on. Ez a növekedés nagyobb alacsonyabb névleges feszültségeknél és mélyen maratott fóliáknál. A kapacitásmérés módjának van a legnagyobb hatása, vagy a váltakozó áramú kapacitás az LCR híd módszerrel, vagy az egyenáram kapacitása a töltés-kisütés módszerével C = Q/V. A töltéskisüléses módszer 10-30% -kal magasabb értékeket eredményezhet az LCR híd módszerhez képest.
Kondenzátorok használata
A kondenzátor által meghatározott teljesítmény az iparágtól függően változhat. A fogyasztói alkalmazásokhoz használt olcsó kondenzátorokat általában nem szabad a teljesítménykorláton működtetni. Még akkor is, ha ezen kondenzátorok specifikációja 400 V és 85 ° C, költség-okokból általában úgy vannak megtervezve, hogy alacsonyabb feszültségen és hőmérsékleten kell működni.
Az ipari alkalmazásokhoz használt kondenzátorokat, amelyeket olyan minőségi gyártók gyártanak, mint az Itelcond, úgy tervezték, hogy problémamentesen működjenek a megadott teljesítménnyel, ami tükröződik az árban is. Előfordul, hogy a tervezők egyfajta biztonsági pufferként csökkentett teljesítményértékeken akarják működtetni a kondenzátorokat, akár személyes választás, akár a végpiac előírt követelményei szerint. Például vegyen egy 450 V-os kondenzátort, és 350 V-os alkalmazásban használja. Milyen hasznot hoz ez nekünk?
A diagramból látható, hogy nincs további előnye a kondenzátor névleges feszültség 80% -a alá történő csökkentésének. A feszültségtényező nagyobb hatással van a kondenzátor magasabb hőmérsékletén, és ez egy paraméter, amely szerepel az élettartam-számításban. Az 1,4 értéke a várható élettartam 40% -os növekedésének felel meg. Itt is kompromisszumot kötnek az elektrolit kondenzátorok; a magasabb feszültséggel járó többletköltségek igazolhatók a hosszabb élettartam mellett?
A szivárgási áramra gyakorolt hatások (szivárgási áram)
Beszéltünk a szivárgási áramokról és az öregedési folyamatról a gyártás során. Itt még egy pillantást vethetünk a szivárgási áramra és a hőmérséklet hatására. A szivárgási áram az a hibaáram, amely a kondenzátor teljes feltöltése után tovább áramlik. A szivárgási áram feszültségtől és hőmérséklettől függ. Amint a 8. ábrán látható, a szivárgási áram alacsony, amíg el nem éri azt a pontot, ahol gyorsan megnő. A névleges feszültséget azon a ponton adják meg, ahol a szivárgási áram gyorsan növekszik (ez a pont a megadott határérték). A hőmérsékleti tartományokat általában 85 ° C és 105 ° C között írják le.
Ha ezeket a hőmérsékleteket túllépik, a görbe gyakorlatilag balra tolódik, és a szivárgási áram drasztikusan növekszik a megadott névleges feszültség mellett. Különleges körülmények között azonban ez a görbe használható és jobbra tolható; ha a kondenzátor hűvös, akkor meghaladhatja a névleges feszültséget. Ez a trükk felhasználható fotovoltaikus alkalmazásokban, ahol az inverter a fűtetlen tetőtérben található. A napelem feszültsége körülbelül 20% -kal lehet magasabb, ha hideg téli reggelen erős napfény éri, de még mielőtt áramot adna. Ezt a 20% -kal magasabb feszültséget az inverter közbenső áramköre jeleníti meg, és az elektrolit kondenzátoroknak el kell viselniük ezt a megnövekedett feszültséget.
Ha hidegek, jellemzően 0 ° C-os hőmérsékletek vannak, és a kondenzátorok a hideg tetőtérben vannak, akkor a névleges feszültség növelhető. Jellemzően egy 500 V-os elektrolit-kondenzátor 550 V-on működik ilyen körülmények között. Óvatosan kell eljárni, mivel az ESR nagyon magas a hidegben, az invertert szabályozottan kell melegíteni a hullámáram korlátozása érdekében. A napelem itt segít, mivel a feszültség csökken, amint áramot termel.
A 9. ábra egy tipikus elektrolit kondenzátor ESR görbéjét mutatja. Láthatja, hogy az ESR drasztikusan növekszik alacsonyabb hőmérsékleten. Fotovoltaikus alkalmazás esetén ellenőrzött körülmények között kell melegedni, mert az ESR olyan magas. Túl sok hullámáram és a kondenzátor túlmelegedett. A gyengéd fűtés emeli a kondenzátor hőmérsékletét is, de csökken az ESR, és ezzel együtt a belső fűtés is.
Számos 50 és 500 Hz közötti hullámárammal rendelkező áramellátási alkalmazásban fontos az elektrolit kondenzátor ESR tulajdonsága. Az ESR a váltakozó áram hullámzásának ellenállása. Mint már említettük, az ESR hőmérséklet- és frekvenciafüggő, de a használat időtartamától is függ. A teljes működési idő alatt finoman növekszik. Amikor azonban a kondenzátor elérte élettartama végét, a növekedés sebessége felgyorsul. Általában feltételezzük, hogy ez a helyzet, amint az ESR eléri a kezdeti érték háromszorosát. Ha ezután a kondenzátort tovább működtetik, az ESR is növekszik, amíg a belső fűtés el nem éri a kondenzátor maximális maghőmérsékletét.
Kölcsönös függőségek egy elektrolit kondenzátorban
Míg az anódfólia, a kapacitás, a feszültség és a szivárgási áram szorosan összefonódik, az ESR és az elektrolit is összefonódik. Az elektrolit kondenzátor használatakor a hullámáram és az ESR I 2 R felmelegedéshez és ezáltal az elektrolit kipufogásához vezet. Ennek eredményeként a belső nyomás emelkedik, és a fedőlap és a pohár közötti tömítésen keresztül bizonyos diffúzió lép fel. Ez a kondenzátor idővel kiszáradását eredményezi, ami az ESR növekedéséhez vezet. A stabil elektrolit csökkenti a kipufogást és ezáltal az ESR növekedési sebességét. A túl magas szivárgási áram fűtéshez és gázmentesítéshez is vezethet, és ezáltal felgyorsíthatja az ESR növekedését.
Az elektrolit kondenzátorok Arrhenius törvényét követik: ha a környezeti hőmérséklet 10 K-val csökken, az élettartam megduplázódik. Az elektrolit kondenzátor igényesen alkalmazható, és minél kifinomultabb, annál magasabb a kondenzátor költsége. Általában olcsóbb egy lélegeztetőgép/ventilátor használata az elektrolit kondenzátor hőeloszlásának felgyorsításához forró környezetben, és ezáltal korlátozza az általános hőmérséklet-emelkedést.
Tehát kapacitás, ESR és szivárgási áram, hőmérséklet, feszültség és frekvencia. Felmegy? Csökken? Zavaros? A táblázat összefoglalja az elektrolit kondenzátor használatának különféle szempontjait.
További szempontok, amelyeket figyelembe kell venni, a kezdeti kondenzátor kialakítása. Láttuk már, hogy a névleges feszültség növekedésével hol csökkennek a kapacitásértékek. Az ESR növekszik, amikor a névleges feszültség nő a vastagabb papír és elektrolit miatt. Nagy hullámárammal rendelkező alkalmazásoknál lehetőségünk van alacsony erősítésű, alacsonyabb ESR-értékű film vagy egy olyan szabványos film használatára, amely lehetővé teszi, hogy a nagyobb feszültség kihasználja a feszültségcsökkentés (csökkentés) előnyeit. Minden megoldásnak megvannak a maga előnyei és hátrányai.
Gyakran tesznek fel kérdéseket az eltarthatósági idővel kapcsolatban. Az úgynevezett eltarthatósági időt vagy eltarthatóságot az elektrolit-kondenzátor statikus tárolása határozza meg, akár az alkalmazáson belül, akár nem külön telepítve. Az idő és a hőmérséklet hatással van egy alvó kondenzátorra, amelyben a szivárgási áram idővel lassan növekszik, feszültség alkalmazása nélkül. Az öregedési folyamat megfordul, ha kémiai változás következik be. Ezért használat előtt újra öregedni kell.
Egy tipikus raktárban az eltarthatósági időnek legalább két évnek kell lennie. Ezenkívül a szivárgási áram meghaladhatja a határértékeket. Ha utóérlelésre van szükség, ezt szobahőmérsékleten kell elvégezni. Ehhez csatlakoztasson egy feszültségellátást, amely megfelel a névleges feszültségnek, de az áram a kondenzátor szivárgási áramának maximális értékére korlátozódik. A kezdeti állapottól függően egy-négy órás utóöregítésre lehet szükség.
Összefoglalva elmondható, hogy az elektrolit kondenzátorok nem egyszerű, kevés paraméterű passzív alkatrészek. Az elektrolit-kondenzátor számos kompromisszumot jelent a teljesítmény, az ár és az élettartam tekintetében. A kiváló minőségű anyagokkal kapcsolatos tapasztalatok és technikai know-how végül garantálja a műszaki követelményeknek és a várható élettartamnak megfelelő terméket.
* Falko Ladiges a PEMCO csapatvezetője a WDI AG-nél.
* Christopher Spence az Itelcond SRL termékmenedzsere.