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电解电容失效机理、寿命核算、防备质量圈套!

一、铝电解电容失效形式与要素概述 

铝电解电容器正极、负极引出电极和外壳都是是高纯铝,铝电解电容器的介质是在正极外表构成的三氧化二铝膜,真实的负极是电解液,作业时适当一个电解槽,只不过正极外表的阳极氧化层现已构成,不再发作电化学反应,理论上电流为零,因为电极与电解液杂质的存在,会引起细小的漏电流。从现象上看,铝电解电容器常见的失效现象与失效形式有:电解液干枯、压力开释设备动作、短路、开路(无电容量)、漏电流过大等。

铝电解电容器运用环境

如果铝电解电容器在质量上没有问题,失效问题的出现就是出现在运用环境中。铝电解电容器规划运用环境主要有:环境温度、散热办法、电压、电流参数等。对电容器的运用者而言,短路、开路归于“灾难性的失效”,或曰“致命的失效”,使其完丧失了电容器的功能。其他几类失效形式(即由第二类要素形成的失效),一般归为“劣化失效”,或曰“耗尽失效”。

二、铝电解电容的失效机理

耗尽失效

耗尽失效(1)

一般电解电容器寿命的终了评判依据是电容量下降到额外(初始值)的80%以下。因为前期铝电解电容器的电解液充盈,铝电解电容器的电容量在作业前期缓慢下降。跟着负荷进程中作业电解液不断修补倍杂质损害的阳极氧化膜所致电解液逐步削减。到运用后期,因为电解液蒸腾而削减,粘稠度增大的电解液就难于充分触摸经腐蚀处理的粗糙的铝箔外表上的氧化膜层,这样就使铝电解电容器的极板有用面积减小,即阳极、阴极铝箔容量削减,引起电容量急剧下降。因而,能够认为铝电解电容器的容量下降是因为电解液蒸腾形成。而形成电解液的蒸腾的最主要的原因就是高温环境或发热。

耗尽失效(2)

因为运用条件使铝电解电容器发热的原因是铝电解电容器在作业在整流滤波(包括开关电源输出的高频整流滤波)、功率电炉的电源旁路时的纹波(或称脉动)电流流过铝电解电容器,在铝电解电容器的ESR发生损耗并转变成热使其发热。

当铝电解电容器电解液蒸腾较多、溶液变稠时,电阻率因粘稠度增大而上升,使作业电解质的等效串联电阻增大,导致电容器损耗显着上升,损耗角增大。例如关于105度作业温度的电解电容器,其最大芯包温度高于125度时,电解液粘稠度骤增,电解液的ESR添加近十倍。.增大的等效串联电阻会发生更大热量,形成电解液的更大蒸腾。如此循环往复,铝电解电容器容量急剧下降,乃至会形成爆破。

耗尽失效(3)

漏电流添加往往导致铝电解电容器失效。

运用电压过高和温度过高都会引起漏电流的添加

压力开释设备动作

压力开释设备动作

为了防止铝电解电容器中电解液因为内部高温欢腾的气体或电化学进程而发生的气体而引起内部高气压形成铝电解电容器的爆破。为了消除铝电解电容器的爆破,直径8毫米以上的铝电解电容器均设置了压力

开释设备,这些压力开释设备在铝电解电容器内部的气压到达尚未使铝电解电容器爆破的风险压力前动作,泄放出气体。跟着铝电解电容器的压力开释设备的动作,铝电解电容器即宣告失效。

铝电解电容器压力开释设备(中心的十字)

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电化学进程导致压力开释设备动作

铝电解电容器的漏电流就是电化学进程,前面现已翔实论说,不再赘述。电化学进程将发生气体,这些气体的聚积将形成铝电解电容器的内部气压上升,最终到达压力开释设备动作泄压。

温度过高导致压力开释设备动作

铝电解电容器温度过高可能是环境温度过高,如铝电解电容器邻近有发热元件或整个电子设备就出在高温环境;

铝电解电容器温度过高的第二个原因是芯包温度过高。铝电解电容器芯包温度过高的底子原因是铝电解电容器流过过高的纹波电流。过高的纹波电流在铝电解电容器的ESR中发生过度的损耗而发生过度的发热使电解液欢腾发生很多气体使铝电解电容器内部压力及急剧升高时压力开释设备动作。

瞬时超温

一般铝电解电容器的芯包中心温度每下降10℃,其寿命将增大到本来的一倍。这个中心大致坐落电容器的中心,是电容器内部最热的点。可是,当电容器升温接近其最大答应温度时,关于大大都类型电容器在125℃时,其电解液要遭到电容器芯包的架空(driven),导致电容器的ESR增大到本来的10倍。在这种效果下,瞬间超温或过电流能够使ESR永久性的增大,然后形成电容器失效。在高温文大纹波电流的运用中特别要警惕瞬时超温发作的可能,还要额外留意铝电解电容器的冷却。

瞬时过电压的发生

上电冲击

上电进程中,因为滤波电感开释储能到滤波电容器中,导致滤波电容器的过瞬时过电压。


上电过电压示意


电容过电压失效的防备

电容器在过压状况下简略被击穿,而实践运用中的瞬时高电压是经常出现的。

挑选承受瞬时过电压功能好的铝电解电容器,RIFA有的铝电解电容器就给出了瞬时过电压值得参数。


电解液干枯是铝电解电容器失效的最主要原因

电解液干枯的原因

电解液自然蒸腾

电解液的耗费

电解液自然蒸腾

电解液的蒸腾速度随温度的升高

电解液的蒸腾速度与电容器的密封质量有关,无论在高温仍是在低温条件下都要有良好的密封性

电解液的耗费

漏电流所引起的电化学效应耗费电解液

铝电解电容器的寿命随漏电流添加而削减

漏电流随温度的升高而添加:25℃时漏电流仅仅是85℃时漏电流的不到十分之一漏电流随施加电压升高而添加:耐压为400V的铝电解电容器在额外电压下的漏电流大约是90%额外电压下的漏电流的5倍。

电解液干枯的时刻就是铝电解电容器的寿命

影响铝电解电容器寿命的的要素(温度1)

依据铝电解电容器的电解液的不同,铝电解电容器的最高作业温度可分为:

一般用处:85℃

一般高温用处:105℃

特别高温用处:125℃

轿车发动机舱:140~150℃

影响铝电解电容器寿命的的要素(额外寿命小时数)

按寿命小时数铝电解电容器能够分为:

一般用处(常温,3年以内):1000小时

一般用处(常温,期望比较长的时刻):2000小时以上

工业级:更长的寿命小时数

影响铝电解电容器寿命的的要素(温度2)

温度每升高10℃,寿命小时数折半

影响铝电解电容器寿命的的要素(电解液)

电解液的多与寡决议铝电解电容器的寿命

影响铝电解电容器寿命的的要素(运用条件)

高温缩短铝电解电容器寿命

高纹波电流缩短铝电解电容器寿命

作业电压过高缩短铝电解电容器寿命

影响铝电解电容器寿命的参数与运用条件

作业电压与漏电流的联系


作业电压与漏电流的联系

某公司出产的450V/4700μF/85℃铝电解电容器的漏电流与施加电压的联系


温度与漏电流的联系

某公司出产的450V/4700μF/85℃铝电解电容器的漏电流与环境温度的联系


温度、电压、纹波电流一起效果对寿命的影响

以某电子镇流器用铝电解电容器为例。

在不同的电压与温度条件下的铝电解电容器寿命不同


某电子镇流器用铝电解电容器降额寿命特性


某电子镇流器用铝电解电容器的过电压寿命特性


铝电解电容器的寿命与温度、纹波电流的联系


三、铝电解电容器寿命电容核算办法


简略寿命核算

依据ESR、热阻、纹波电流核算寿命

依据温度、纹波电流与寿命的联系核算寿命

简略寿命核算办法1

不含有纹波电流作业状况的铝电解电容器的核算:底子依据为“10℃规律”,即环境温度每上升10℃寿命折半,反之亦然,这个“10℃规律”是在零纹波电流条件下适用。在铝电解电容器流过比较大的纹波电流时不一定适用。

简略寿命核算办法2

国产某些品牌铝电解电容器引荐的办法

日本品牌铝电解电容器引荐的办法

底子思路

在额外电压下,铝电解电容器的寿命能够由以下公式核算。


其间,L和L0分别为:实践环境温度T时的寿命和额外最高温度T0时的寿命。能够看到,铝电解电容器的运用寿命随温度下降每10℃,寿命添加一倍,即所谓10℃规律。因而,无论是运用仍是存储,铝电解电容器均应在尽量低的环境温度下为好。例如85℃/1000小时的铝电解电容器在45℃使得实践寿命为16000小时,折合为1年零10个月;29℃时为48000小时,折合为5年零6个月;而1000小时折合为42天。能够看到,下降温度对延伸铝电解电容器寿命的重要性。

图解核算


存在的问题

上述三种核算办法仅适用于存储状况和无纹波电流(很小纹波电流)的作业状况(如隔直电容、小信号电路的旁路电容)。关于显着含有纹波电流的作业条件时,上述办法不一定适用,这时应将纹波电流的效应考虑在运用条件中。

考虑纹波电流时的寿命核算办法

铝电解电容器的发热因为内部等效串连电阻(ESR)引起,其发生的损耗为:

  (5.16)

其间I和R(ESR)分别为:纹波电流(A)和等效串联电阻(Ω)。因为发热引起的温升为:

     (5.17)

其间△T、I、A、R(ESR)、H分别为:电容器中心的温升(℃)、纹波电流(A)、电容器的外表积(Cm2) 、ESR (Ω)、散热系数{1.5~2.0)×10-3W/(Cm2×℃)}。

公式(5。17)表明了电容器的温度上升与纹波电流的平方以及等效串联电阻ESR成正比,与电容器的外表积成反比,因而,纹波电流的巨细决议着发生热量的巨细,且影响其运用寿命,电容器的类型以及运用条件影响着△T值的巨细,一般情况下,△T<5℃。图5。26表明纹波电流引起的温升的丈量处。

铝电解电容器的温度测验



运用测验成果,并考虑到环境温度和纹波电流时的寿命公式:

  (5.18)

其间,L、L0、K、T0、T、△T分别为:实践运用寿命、直流作业电压下的运用寿命、纹波电流系数(实践纹波电流有用值与额外纹波电流有用值之比,K=2时,纹波电流在答应的规模内,K=4时为超越纹波电流规模)、最高运用温度、作业温度、中心温升。

电容器作业在额外的纹波电流和上限温度时,电容器的寿命可经过转化(5.18)式得到,如下:


(5.19)

其间,L0、△T0分别为:作业在额外纹波电流和最高作业温度下的寿命(小时)、最高作业温度下的电容器中心容许温升。

实践上式(5.18)和式(5.19)所表述的是在测验到电容器壳的温度后所得,而并不知道纹波电流的巨细,如果知道纹波电流的巨细,能够将式(5.19)改为:

(5。20)

其间,I0、I分别为:最高作业温度下的额外纹波电流(A):实践的纹波电流(A)。

问题

按照式(5。17)存在的问题就是散热系数的断定,出产厂商不给出用户就无法精确核算,如果大略估算将会发生至少30%的误差。因为直接丈量电容器的内部温升存在着困难,能够运用下表列出了外表温度和芯包温度的换算联系。

铝电解电容器芯包与外壳温度的联系


问题

以上的寿命的核算公式,原则上适用于周围环境温度为+40℃到最高作业温度规模内,但因为封口资料的老化等要素,实践的核算寿命时刻一般最大为15年。

式5。17到式5。20的表述与核算均十分费事,并且因为测验以及个别电容器的导热差异而使核算成果很不精确,仅能作为近似估计值。

问题

如果想得到比较精确的核算成果,最好的办法是运用电容器出产厂商所给的温度寿命曲线。比较负责任的国外铝电解电容器厂商能均给出铝电解电容器寿命与环境温度及纹波电流的联系曲线。

依据ESR、热阻、纹波电流核算寿命

EPCOS的B43550标准的铝电解电容器寿命与温度、纹波电流的联系


RIFA的寿命核算办法

依据功率损耗、热阻、实践的ESR核算寿命

为核算铝电解电容器的作业寿(LOP),有必要知道:

作业电压(Uapplied),

流过铝电解电容器的纹波电流的有用值(IRMS),

环境温度(Ta)

热阻(Rth) 。

相关公式





核算办法

首要,在ESR矩阵中,查出不同频率及芯包温度(Th)时对应的“ESR”值,然后核算出纹波电流IRMS流过铝电解电容器时发生的“功率损耗(PLOSS)”。若IRMS由屡次谐波构成,则需核算每次谐波发生的功率损耗并顺次相加。电容绕组芯包至环境温度的“热阻值”能够在“热阻矩阵”查出,由此能够核算出实践“芯包温度(Th)”,若此实践值与从前选取ESR值时的假定值Th不符,则需批改假定,从头查出ESR值,重复叠代核算,直至成果吻合。

这种核算是最精确的!

需求的条件:

电容器的热阻参数

ESR参数

不同厂商的铝电解电容器的热阻是不同的!

四、购买铝电解电容器需求留意的问题


不要运用来路不明的铝电解电容器(1 )

为什么不要运用来路不明的铝电解电容器?最底子的原因是我国的电子元件商场曾经历过拆机件、水货、假货充满商场情况。跟着年代的发展,这种现象越来越少。

可是需求留意的是,半导体器材尚可用拆机件,而铝电解电容器绝不能运用拆机件!原因是铝电解电容器的寿命在各类电子元件中寿命是最短的。国外作废的电子产品的拆机件中,铝电解电容器的剩余寿命是最少的。如果仅仅是做试验还能牵强,如果试作产品,其成果是可想而知的。

不要运用来路不明的铝电解电容器(2)

套膜是伪劣铝电解电容器“创新”的常用办法。一般将买来的铝电解电容器套上升两档标示额外电压的新套膜热缩管,其印刷水平能够以假乱真。

铝电解电容器的“偷电压”

因为铝电解电容器的浪涌电压是额外电压的1.15倍,关于350V耐压的铝电解电容器的浪涌电压为402V,高于220V+20%对应的整流峰值电压370V;而关于300V额外电压的铝电解电容器的浪涌电压为345V,可

以满意243V沟通有用值输入电压。如果用额外电压为300V的阳极箔代替额外电压400V的阳极箔将会大大下降铝电解电容器的本钱。有的铝电解电容器出产厂商就是采用这种“偷电压”的办法下降出产本钱。

偷“电压”的结果

在一般的运用中,为了防止过大的漏电流,延伸铝电解电容器的寿命,一般要下降铝电解电容器的运用电压,一般取0。9以下。

如果选用了偷“电压”的铝电解电容器就将现已留出的电压殷实量丧失殆尽,乃至可能使作业电压超越额外电压,这就使漏电流大大添加,然后大大的削减了铝电解电容器的寿命。

拆机件

拆机件一般是国外作废的电子设备上的元件,如果拆的精心,大都器材经过挑选在一般功能上看仍是能够用的。唯有铝电解电容器是绝对不能用的。

其原因是,铝电解电容器的寿命相对而言太短了,在额外温度下仅1000~4000小时虽然大大都铝电解电容器出产厂商宣称在40℃能够用10年乃至几十年,可是运用环境是不行预知的,如显示器的内部温度远远不止45℃!因而,几年下来,铝电解电容器所剩余的有用寿命一般很低,不能用于电子产品。

创新铝电解电容器

创新铝电解电容器也比较恶劣,一般是收集国外下线铝电解电容器,从头浸电解液后封装。虽然国外闻名铝电解电容器检测比国内严格,有些下线的铝电解电容器功能仍是接近于国内正品率电解电容器。可是,其功能仍是不如国内正牌铝电解电容器。

下线电容器(一)

在国内电子商场上能够看到下线铝电解电容器,一般是一些不负责任的出售商为了取得商场竞争力,到铝电解电容器出产厂收购下线铝电解电容器,除掉没有电容量和击穿的后拿到商场上出售。

下线铝电解电容器的特点是,用万用表测验电容量是正常的。可是如果测验漏电流则会看到下线的铝电解电容器的漏电流和损耗因数高于正品铝电解电容器。而漏电流和损耗因数用户一般是不测验的。

下线电容器(二)

这种下线的铝电解电容器作为耦合电容器时会导致后极的偏置电压偏移,可是又找不出原因;如果用于推迟运用时,会出现推迟时刻显着小于设定值或推迟时刻不稳定的现象,这是因为铝电解电容器在施加直流电压后漏电流回收效的原因。

因为下线铝电解电容器的漏电流大,实践寿命显着短于预期寿命,例如预期寿命为5年,实践上只要2~3年。这在电子产品的运用初期是底子看不到的。从这儿也会看到9000系列质量认证的重要性。

如果下线铝电解电容器用在大纹波电流或高温的运用是极端风险的,其原因是过高的漏电流会导致铝电解电容器在大纹波电流或高温运用时的温度更高,轻者寿命缩短,严峻时会导致铝电解电容器“爆浆”而失效。

套膜电容器

套膜是伪劣铝电解电容器“创新”的常用办法。一般将买来的铝电解电容器套上升两档标示额外电压的新套膜热缩管,其印刷水平能够以假乱真。例如将额外电压250V的铝电解电容器换上额外电压400V的铝电解电容器,这样的铝电解电容器的“价值”将翻番乃至更高。套膜铝电解电容之制造这就是钻了运用时一般要电压降额的习气,在电压降额后可能正好是套膜铝电解电容器的浪涌电压值,在这个电压下,套膜铝电解电容器仍是能用一段时刻的。

国外电解电容器厂商的问题

有的国外铝电解电容器制造商在为发达国家供货时是优质电解电容器。

而为我国供货时的电容量总是负误差,其质量不如为发达国家供货的品质。

其原因除了有轻视我国外,最主要的是在我国,他们的铝电解电容器买不出价格,只能在偷电容量上补偿。

为了下降在我国商场的售价,国外铝电解电容器出产厂商往往推出的是寿命相对短的“经济型”铝电解电容器,如CDE就转为我国推出2000小时的铝电解电容器,这是在欧美商场上看不到的,因而,不要认为国外的铝电解电容器寿命都长。

测验铝电解电容器耐压的简略办法

可能性:铝电解电容器的介质膜是经过阳极氧化办法取得,因而,短时刻的小电流“击穿”不会损坏铝电解电容器

底子办法:将铝电解电容器串联一10k电阻;慢慢添加所施加的电压,坚持充电电流在1mA以下(对应电阻上的电压低于10V),直到即便不持续添加所施加的电压电流仍不下降时对应的电压就是电解电容器的击穿电压;这个电压的90%就是电解电容器的额外电压这种办法只适用于铝电解电容器

测验电路


购买铝电解电容器的原则

到具有诺言的铝电解电容器出产厂商处或到有诺言的闻名铝电解电容器制造商的署理组织购买。

尽量不要到电子商场或诺言不足的署理组织处购买。


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