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鋁電解電容壽命計(jì)算

發(fā)布時(shí)間：2018-07-31 責(zé)任編輯：wenwei

【導(dǎo)讀】鋁電解電容器是一種有正極、負(fù)極的電容器，鋁電解電容器的基本結(jié)構(gòu)是由一層陽(yáng)極鋁箔，一層陰極鋁箔和中間夾有一層浸有電解液的襯墊紙以及天然氧化膜經(jīng)重疊卷繞而成的，電極浸過(guò)電解液之后，再用鋁殼和膠蓋封閉起來(lái)的電容器。
 
一、鋁電解電容的定義
 
鋁電解電容器是一種有正極、負(fù)極的電容器，鋁電解電容器的基本結(jié)構(gòu)是由一層陽(yáng)極鋁箔，一層陰極鋁箔和中間夾有一層浸有電解液的襯墊紙以及天然氧化膜經(jīng)重疊卷繞而成的，電極浸過(guò)電解液之后，再用鋁殼和膠蓋封閉起來(lái)的電容器。
 
鋁電解電容壽命計(jì)算
 
二、鋁電解電容的組成
 
組成鋁電解電容的材料有：
 
電解紙、電解液、陽(yáng)極鋁箔、陰極鋁箔、膠蓋、膠管、導(dǎo)針和鋁殼。鋁電解電容器的芯子是由陽(yáng)極鋁箔、電解紙、陰極鋁箔、電解紙由里及外的順序依次疊放，卷繞成圓柱狀而形成的。
 
鋁電解電容壽命計(jì)算
 
鋁電解電容壽命計(jì)算
 
三、失效模式
 
基本概念：
 
失效：指的是零部件失去原有設(shè)計(jì)所規(guī)定的功能
 
失效機(jī)理：引起失效的物理、化學(xué)或其他的原因和過(guò)程。比如過(guò)載，腐蝕等nn失效模式：失效的形式，比如開(kāi)路，短路，漏電等
 
鋁電解電容壽命計(jì)算
 
鋁電解電容壽命計(jì)算
 
四、壽命計(jì)算
 
從失效機(jī)理看，使用條件對(duì)于鋁電解電容器的壽命有很大的影響。使用條件可分為環(huán)境條件和電條件。
 
環(huán)境條件有溫度、濕度、氣壓、震動(dòng)等，其中溫度對(duì)于壽命的影響是最大的。電條件有電壓、紋波電流、充放電條件等。
 
1、周?chē)鷾囟群蛪勖?/div>
 
周?chē)鷾囟葘?duì)壽命的影響體現(xiàn)在電容量的減少、損耗角正切值的增大，這些現(xiàn)象起因是電解液從封口部分向外部漸漸擴(kuò)散。電性能的時(shí)間變化和周?chē)鷾囟戎g的關(guān)系可得出下列公式。
 
Lx=Lo*BTo-Tx/10
 
Lo：在最高使用溫度下，額定施加電壓和額定紋波電流
 
重疊時(shí)的保證壽命（hours）
 
Lx：實(shí)際使用時(shí)的預(yù)計(jì)壽命（hours）
 
To：產(chǎn)品的最高使用溫度（℃）
 
Tx：實(shí)際使用時(shí)的周?chē)鷾囟?（℃）
 
B： 溫度加速系數(shù)
 
根據(jù)上述公式，電解電容應(yīng)用時(shí)，須考慮環(huán)境散熱方式、散熱強(qiáng)度、電容與熱源的距離、電容的安裝方式。
 
鋁電解電容壽命計(jì)算
 
2．施加電壓和壽命
 
用于絕大多數(shù)的機(jī)器中的貼片式（SMD）、引線式（radial）、基板自立式（snap-in）之電容器，使用條件在最高使用溫度和額定電壓值以下的情況時(shí)，施加的電壓所產(chǎn)生的影響與周?chē)鷾囟鹊募铀俸图y波電流的加速所產(chǎn)生的影響相比可以忽略不計(jì)。
 
另，用于高功率電子儀器的螺絲端子式（screw）電容器中350VDC以上的高壓品占主流，由于作為鋁電解電容器導(dǎo)電體的氧化膜(Al2O3)的性質(zhì)，額定電壓以下的施加電壓值的大小將影響其壽命。
 
3、紋波電流影響壽命
 
紋波電流計(jì)算是得到電容功率損耗的一個(gè)重要參數(shù)，在設(shè)計(jì)電路選擇電容時(shí)候，我們必須首先確定下來(lái)電流的紋波大小，這和設(shè)計(jì)規(guī)格和具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相關(guān)。鋁電解電容常被用在整流模塊后以平穩(wěn)電壓，我們?cè)谶x擇好具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，根據(jù)規(guī)格要求得到最小的電容值。在紋波電流的選擇時(shí)，需要降額設(shè)計(jì)。
 
鋁電解電容壽命計(jì)算
 
控制某一紋波電壓所需的電容容值為：
 
鋁電解電容壽命計(jì)算
 
由于鋁電解電容器和其他的電容器相比損耗較大，因而紋波電流會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)熱。紋波電流產(chǎn)生的熱又會(huì)使溫度上升，所以對(duì)于產(chǎn)品壽命有很大影響。這樣一來(lái)，需事先根據(jù)不同產(chǎn)品設(shè)定最大允許紋波電流值。外加紋波電流的發(fā)熱度可由下面的計(jì)算式得出。
 
W=Ir2*ESR+V*IL
 
W：內(nèi)部的消耗電力
 
Ir：紋波電流
 
ESR：內(nèi)部電阻（等效串聯(lián)電阻）
 
V：外加電壓
 
IL：漏電流
 
在最高使用溫度下，漏電流增加到20℃時(shí)的5~10倍，但仍然Ir≥IL，則W= Ir2·ESR。要求出內(nèi)部發(fā)熱和放熱達(dá)到平衡的條件，則
 
Ir2·R=β*A*ΔT
 
β：放熱常數(shù)
 
A：外殼表面積（m2）
 
A=π/4·D(D+4L)
 
D：外殼的直徑（m）
 
L：外殼的長(zhǎng)度（m）
 
ΔT：因紋波電流所上升的溫度（℃）
 
那么，內(nèi)部發(fā)熱ΔT=Ir2·ESR
 
β*A
 
另外，紋波電流在120Hz的情況下發(fā)熱可由（7）式得出：
 
鋁電解電容壽命計(jì)算
 
（在這里ESR=tanδ）
 
ωC
 
tanδ：120Hz時(shí)的損耗
 
ω ： 2πf（f等于120Hz）
 
C ：120Hz時(shí)的電容（F）
 
ESR值是根據(jù)溫度的變化而變化，因此，要求出正確的△T必須實(shí)際測(cè)得熱電偶的數(shù)值。
 
顧及由紋波電流產(chǎn)生的內(nèi)部發(fā)熱和周?chē)鷾囟鹊挠绊?NIPPON-CHEMICON壽命推定式是：
 
a)施加DC標(biāo)稱電壓時(shí)的保證壽命為
 
鋁電解電容壽命計(jì)算
 
·······························（貼片型）
 
b)允許紋波電流重疊時(shí)的保證壽命為
 
鋁電解電容壽命計(jì)算
 
·····················（引線型、基板自立型）
 
鋁電解電容壽命計(jì)算
 
····················（螺絲端子型）
 
Lr：在最高使用溫度下標(biāo)稱紋波電流重疊時(shí)的保證壽命（hours）
 
Lx：實(shí)際使用時(shí)的推測(cè)壽命(hours)
 
To：產(chǎn)品的最高使用溫度（℃）
 
Tx：實(shí)際使用時(shí)的周?chē)鷾囟龋ā妫?/div>
 
T：紋波電流導(dǎo)致的芯子中心發(fā)熱度（℃）
 
To：施加允許紋波電流時(shí)的芯子中心發(fā)熱度（℃）
 
（最高使用溫度105℃系列的△T o=5℃）
 
※關(guān)于TX（實(shí)際使用時(shí)的周?chē)鷾囟龋┑淖⒁馐马?xiàng)
 
在溫度加速試驗(yàn)中，確認(rèn)10℃ 2倍準(zhǔn)則的是40℃~最高使用溫度的范圍內(nèi)，
 
從市場(chǎng)退回的產(chǎn)品測(cè)定結(jié)果中可以看出，20~25℃范圍內(nèi)可以用10℃2倍準(zhǔn)則進(jìn)行研究，但是應(yīng)用中的環(huán)境條件大多不明確，因此40℃以下的話請(qǐng)當(dāng)作40℃來(lái)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。
 
※關(guān)于ΔT（紋波電流導(dǎo)致芯子中心發(fā)熱）的注意事項(xiàng)
 
周?chē)鷾囟?+ 紋波電流導(dǎo)致芯子中心發(fā)熱的界限值
 
各個(gè)溫度下芯子中心發(fā)熱的界限值的例子
 
鋁電解電容壽命計(jì)算
 
即：最高使用溫度為105℃系列處于最高使用溫度105℃時(shí)紋波電流產(chǎn)生的熱達(dá)到5℃的最高界限（合計(jì)110℃），周?chē)鷾囟葹?5℃時(shí)紋波電流產(chǎn)生的熱最高為25℃（合計(jì)90℃），這兩種情況的壽命是相同的。
 
要求得紋波電流自身發(fā)熱的值，需用熱電偶測(cè)出電容器芯子中心的溫度和電容器周?chē)臏囟龋瑑烧咧g的差即是紋波電流自身發(fā)熱的值，這樣求出的數(shù)值是最正確的。但是，由于在實(shí)際的機(jī)器中要測(cè)出電容器內(nèi)部的溫度是非常困難的，因此先測(cè)定電容器外殼側(cè)面的溫度，在運(yùn)用下記溫度差系數(shù)來(lái)推定芯子中心部分的溫度。
 
不同外殼直徑的溫度差系數(shù)
 
鋁電解電容壽命計(jì)算
 
需要作出更準(zhǔn)確的壽命推測(cè)的話，請(qǐng)使用實(shí)際測(cè)量值。另外，也可以用公式（12）算出紋波電流產(chǎn)生的自身發(fā)熱值ΔT。最高使用溫度、多數(shù)系列的ΔT0=5℃。至于其他系列請(qǐng)參照供應(yīng)商資料。
 
ΔT=（IX/I0）2×ΔT0……………（12）
 
I0：最高使用溫度下的被頻率修正的額定紋波電流（Arms）
 
IX：實(shí)際使用時(shí)的紋波電流（Arms）
 
※開(kāi)關(guān)電源中鋁電解電容器商用電源頻率成分和switching頻率成分重疊時(shí)，其內(nèi)部消耗電力如下式所示。
 
W=I（f1）2×ESR（f1）+ I（f2）2×ESR（f2）+…+ I（fn）2×ESR（fn）
 
W:消耗的電能
 
I(f1)、I(f2)…I(fn)：各式各樣不同頻率下的紋波電流值（Arms）
 
ESR(f1)、ESR(f2)… ESR(fn)：各式各樣不同頻率下的等效串聯(lián)電阻值（Ω）
 
設(shè)各頻率下的頻率修系數(shù)為F（fn）,f0是紋波電流基準(zhǔn)時(shí)的頻率，要讓ESR(fn)=ESR(f0)/ F（fn）2的關(guān)系成立；用下列公式換算各頻率成分的紋波電流值為基準(zhǔn)的頻率的紋波電流實(shí)效值（f0）
 
I（f0）=√【｛｛I(f1)/F(f1)｝2+｛I(f2)/F(f2)｝2 +…｛I(fn)/F(fn)｝2｝】
 
I(f0)：換算基準(zhǔn)頻率紋波電流值（Arms）
 
F(f1)、F(f2)…… F(fn)：各種頻率f1 f2…… fn下的頻率補(bǔ)正系數(shù)
 
通常，額定紋波電流值被120HZ的正弦波實(shí)效值規(guī)格化。內(nèi)部電阻（ESR）為保持頻率特性，允許紋波電流值會(huì)根據(jù)頻率的改變而改變。
 
（舉例）頻率修正系數(shù)的例子（生產(chǎn)商CHEMICON的radial高頻低阻KZE系列）
 
鋁電解電容壽命計(jì)算
 
頻率修正系數(shù)的例子（生產(chǎn)商CHEMICON的snap-in SMQ系列）
 
鋁電解電容壽命計(jì)算
 
4． 關(guān)于影響壽命的其他因素
 
鋁電解電容器的電解液會(huì)通過(guò)封口部分向外擴(kuò)散，由此產(chǎn)生的漸耗故障成為決定壽命長(zhǎng)短的重要原因。使該現(xiàn)象加速的原因除了前面提到的周?chē)鷾囟群图y波電流這兩個(gè)原因之外，還有下面幾個(gè)原因。
 
4.1過(guò)電壓
 
若連續(xù)施加超過(guò)額定電壓的過(guò)電壓，產(chǎn)品的漏電流急速增大。因漏電流導(dǎo)致發(fā)熱及氣體的產(chǎn)生，從而引發(fā)內(nèi)壓也隨之上上升。這一反應(yīng)會(huì)根據(jù)施加的電壓、供給電源的電流容量、環(huán)境溫度的上升而加速，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致壓力閥松開(kāi)甚至被損壞的情況。即使電容器外觀沒(méi)發(fā)生異常，其壽命也會(huì)變短。
 
將電容器串聯(lián)使用的情況下，因漏電流偏離分壓變得不平均，個(gè)體易施加上過(guò)電壓。這樣的話，必須采取選定估計(jì)不平衡的額定電壓或者連接均壓電阻等等措施。
 
建議均壓電阻選擇：R = VW /3I漏電流
 
目前由于節(jié)能要求，均壓電阻阻值的選擇越來(lái)越大，對(duì)電容器的容量、漏電流一致性要求越來(lái)越高。
 
4.2 反向電壓
 
施加反向電壓，電壓加在無(wú)化成膜的陰極箔上，導(dǎo)電體氧化膜被強(qiáng)制形成，則這樣和過(guò)電壓的情況一樣地會(huì)引發(fā)發(fā)熱和氣體的產(chǎn)生，致使電容量急劇減少，損耗角增大。
 
陰極反應(yīng)：4OH- - 4e = 2H2O + o2 + 熱量
 
3O2 + 4Al = 2Al2O3
 
陽(yáng)極反應(yīng)：2H+ + 2e =H2
 
反向電壓、反向電流過(guò)大，伴隨氣體產(chǎn)生、陽(yáng)極箔和壓力閥被損壞。壓力閥若來(lái)不及打開(kāi)，會(huì)產(chǎn)生爆炸。
 
4.3 充放電
 
把一般產(chǎn)品用于開(kāi)關(guān)頻繁的頻閃閃光燈、鉚接機(jī)的充放電電路和輸出功率大的AV機(jī)器的電源電路中，因放電電流使陰極箔化成、電容量急劇減少。還有陰極箔化成時(shí)產(chǎn)生內(nèi)部發(fā)熱和氣體的產(chǎn)生，會(huì)導(dǎo)致壓力閥松動(dòng)甚至被損壞。溫度越高，放電電阻越低、施加電壓越大，充放電頻率越快的話，那么產(chǎn)品惡化的速度也就越快。
 
一般地，將鋁電解電容器放置于激烈的充放電電路中的話，因充電后放電的原因，陰極箔生成化成膜，電容量迅速減少。陰極側(cè)和陽(yáng)極側(cè)短路，原本儲(chǔ)存在陽(yáng)極一側(cè)的電荷瞬間移往陰極箔一側(cè)，這時(shí)，兩側(cè)箔的電壓為了相等，陰極箔一側(cè)漸漸被化成。這與施加逆電壓的狀態(tài)相同。
 
1. 通常的充電狀態(tài)
 
2. 斷開(kāi)電源V1，放電了的話，陽(yáng)極箔一側(cè)的電荷會(huì)移向陰極箔一側(cè)，由于整體電荷量不變，即Q=C+·V2+C-·V2,則
 
C+·V1=C+·V2+C-·V2
 
V2=C+·V1
 
C++ C-
 
16V10000μF的情況下，外部施加電壓假設(shè)為13V，電容器尺寸若為Φ50×80L的話，陽(yáng)極箔為5.3μF/cm2、陰極箔為100μF/cm2，那么
 
V2=5.3*13/（5.3+100）=0.65(V)
 
若制造Φ35×50L尺寸電容器的話，陽(yáng)極箔必須使用高倍率箔，陽(yáng)極箔為11.5μF/cm2、陰極箔為100μF/cm2的話，那么
 
V2=11.5×13 /（11.5+100）=1.34(V)
 
因此，使用高倍率陽(yáng)極箔的情況下，放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生更高的電壓于陰極箔，則加速陰極化成反應(yīng)，導(dǎo)致發(fā)熱、壓力閥松動(dòng)。 小型化了話，要采取使用高倍率陰極箔或者附有氧化膜的陰極箔等對(duì)策。
 
4.4 脈沖電流
 
若頻繁地反復(fù)操作，則情況與施加過(guò)紋波電流相同，芯子發(fā)熱度超過(guò)允許值，在外部端子的連接部分及電容器內(nèi)部的引出線和箔的連接部分會(huì)有異常發(fā)熱，需引起注意。
 
4.5 用于交流電路
 
如果鋁電解電容器用于交流電路的話，在電容器內(nèi)部迅速產(chǎn)生氣體的同時(shí)還伴有發(fā)熱、內(nèi)壓上升，由此進(jìn)一步導(dǎo)致壓力閥動(dòng)作、從封口部分漏出電解液，甚至最糟糕的話有時(shí)還會(huì)引發(fā)爆炸,可燃物飛散，有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致短路。所以，請(qǐng)千萬(wàn)不要用于交流電路中。
 
五、鋁電解電容壽命其他估算方法
 
電容壽命估算的一般步驟，當(dāng)然，如果已經(jīng)設(shè)計(jì)好了產(chǎn)品，我們還有一種方法來(lái)估計(jì)電容壽命，即已經(jīng)有產(chǎn)品，我們來(lái)檢驗(yàn)電容壽命設(shè)計(jì)是否合理，我們可以通過(guò)測(cè)試電容中心點(diǎn)溫度的方法，然后通過(guò)電容的壽命計(jì)算公式來(lái)檢驗(yàn)。
 
 
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