钽电解电容器的基本知识

一、
电解电容器的基本知识
1.
概念
电容器是由两极板中间夹绝缘介质层组成。绝缘层是陶瓷的我们称为陶瓷电
      容器,绝缘层是纸的称为纸介电容器,而绝缘介质层是由作为极板的金属,经电化学反应生成的金属氧化物组成的,这种电容器我们称为电解电容器,这种金属氧化物具有单向导电性,因此电解电容器具有极性。当这种金属是钽时,我们叫钽电解电容器,这种金属是铝时,我们称为铝电解电容器。钽这种金属作为电解电容器的阳极,钽金属氧化物作为绝缘介质层,当引出阴极为液体、凝胶、糊状的称为非固体电解电质钽容器,引出阴极为固体的叫固体电解质钽电容器。由电解电容器的结构,我们可以推断其以下性能特点。
2.
电解电容器的性能特点
1)
单位体积内所具有的电容量特别大,当要求几十微法以上的电容量时,只有从电解电容器方面去考虑,广泛应用在电源滤波,交流旁路、储能等、直流电源系统的退耦以及耦合等用途上。
2)
具有单向导电性,即所谓有极性。因此不能使用在纯交流电路中。非固体钽电解电容器不能承受反向电压;而固体钽电解电容器能承受的反向电压最大不超过1V。如果电容器长期使用在有反向电压的电路中,请选用双极性电解电容器,而双极性电解电容器仅仅改变了电容器的结构,并没改变氧化膜的单向导电性,因此也只能在极性变换而频率不太高的直流或脉动电路中使用。
3)
工作电压受到限制。非固体钽电解电容器的额定工作电压一般为125V,最高不超过160V;而固体钽电解电容器的额定工作电压一般为63V,最高不超过100V,铝电解最高可达500V
4)
钽电解电容器的绝缘电阻大约几十到几百MΩ,钽电解电容器漏电是以µA计量,而高压大容量铝电解电容器漏电可达1mA,相应的绝缘电阻不足1MΩ。
5)
钽电解电容器的另一个突出特点是长期贮存后,性能仍很稳定,因此广泛应用于航天、军事等方面。铝电解电容器易老化,性能可靠性逐年下降,特别是如果长期贮存不用,突然加上额定电压,易导致失效损坏,钽电解不存在这个问题,久贮后可以随时使用。
3.
电解电容器参数及测量
1)
容量:表征电容器储存电荷的能力;标称电容量值的选取遵从E6系列,共计6个数作为标称值系列:1.0
1.5
2.2
3.3
4.7
6.8
,其它可再乘以10NN为整数。电解电容器的容量单位常为微法,用μF表示。一般钽电解电容量为0.1到几千微法,组合产品会更高。电容器电容量在出厂时测试时条件为:25100Hz2.2V直流,0.5V交流。电解电容相当E6系列的允许偏差为±20%,其它还可选择±10%+30-10%
2)
漏电流:表征电解电容器的绝缘性能,相当于其它电容器的绝缘电阻。漏电流的大小与电容量、施加电压、环境温度密切相关。出厂时测试条件为:25,额定电压下3分钟后测得的电流大小,有些产品提供85下漏电流值。
3)
额定电压:在规定的环境温度内(钽电解一般为-55~+85),所能施加到电容器上的最高直流工作电压系列值,按国标GB2472-81规定,电解电容器的额定电压为:4.0
6.3
10
16
25
32
40
50
63
100
125
160
等。在实际使用中,降低施加在电容器上的工作电压对产品的使用寿命有显著的提高。
4)
损耗:电解电容器会消耗一小部分有用的讯号功率,电容器消耗的有功功率与无功功率的比值称为损耗角正切。一般用百分比表示。出厂时测试条件为:25100Hz2.2V直流,0.5V交流。温度、频率、电容量、电容器种类都会影响损耗的大小。
二、
钽电解电容器分类及性能特点
1.
电解电容器分类及性能特点
电解电容器主要分为铝电解电容器和钽电解电容器,下面是它们性能方面的比较:

铝电解电容器和钽电解电容的性能比较

名称

单位体积的CV

极性

工作电压

漏电流

温度、频率特性

贮存稳定性

应用

铝电解电容器

有极性

较高

较差

较差

消费类电子产品

钽电解电容器

更大

有极性

较低

较好

较好

10年)

军事

航天


注:以上仅为相对比较的结果。

2.
钽电解电容器的分类及性能特点
1)
根据钽电解电容器的阴极引出的电解质形态不同分为固体和非固体电解质钽电容器,两者性能比较见表一;非固体电解质钽电容密封较难,根据其密封形式又分全密封和半密封产品;固体电解质钽能承受小量的反向电压,因此又做出了双极性电解电容器。其性能比较见表二
2)
根据阴、阳极引出端引出方向不同,又可分为轴向引出电容器和同向引出电容器。
3)
在钽电解电容的生产中,因执行标准不同,ABC组检验严酷程度不同,又分为国军标产品、七专产品和国标企标产品。三者比较见表三

                                      固体钽和非固体钽电解电容器的性能比较                表格 1

名称

单位体积的CV

贮存性能

漏电

反向电压

阻抗频率特性

温度特性

固体钽电解电容器

最大1V

非固体钽电解电容器

不能承受

较好

钽电解电容器分类及各特点                      表格 2

名称

分类依据

详细名称

特点

备注

钽电解电容器

非固体钽电解电容器

密封形式不同

全密封

密封好,贮存期长

高可靠产品,军品多为全密封产品

半密封

密封差,贮存期短

多为民用产品,价格低,也有一些高温产品

固体钽电解电容器

有无极性

有极性

承受反向电压不能超1V

不能用于纯交流电路,有条件的使用于脉动电路

双极性

能承受反向电压

极性变换而频率不太高的直流或脉动电路中



国军标产品、七专产品和国标企标产品比较

表格 3

项目

国军标产品

七专产品

国标、企标产品

备注

代表产品

CAK35

GCA35

CA35

型号代表字母

K

G

执行总规范

国军标

七专技术标准

国标、企标

质量保证体系

ISO9001+军标体系+质量保证大纲

ISO9001+七专管理方法

ISO9001

可靠性等级

五级(λ=1×10-5/h

A组检验

CtgI、筛选(96h)、温冲(5次)、密验100%(固体加浪涌和高低温)

CtgI、筛选(96h)、温冲(5次)、密验100%

CtgI抽样

筛选、温冲、密验不要求

B组检验

液钽:温冲30

可焊性,抽样

C组检验

每两个月(C612

每三个月

每六个月,C33

85度寿命

10000h

每批

10

1000h

3

每电压代表组9

10000h

3

每电压代表组24

240h

每批

110

1000h

3

每电压代表组9

10000h

3

每电压代表组24

125度寿命

2000h

每月

10

1000h

3

每电压代表组9

10000h

3

每电压代表组24

10000h

2

每电压代表组24

1000h

3

每电压代表组9

10000h

3

每电压代表组24

高频振动、冲击

最严酷

较严

一般


第二章  电容器应用指南

1.反向电压
1)固体电解质钽电容器:一般不允许加反向电压,不可在纯交流电路中使用。在特殊情况下,允许在短时间内施加小量反向电压,其值为:


25℃下:≤10%U
或1V(取小者);


85℃下:≤5%U
或0.5V(取小者);


125℃下:≤1%U
或0.1V(取小者);



如果长期在有反向电压的电路中使用,请选用双极性钽电容,但也只能在极性变换而频率不高的直流或脉动电路中使用。
2)非固体体电解质钽电容器:银外壳的电解电容器不能承受任何反向电压。

3)测试钽电容器或有钽电容器电路时,请慎用万用表。如发现钽电容器承受了超出本身规定的反向电压,则应将该电容器做报废处理。

4)高频电容器的纹波电压受反向电压的限制更为突出。
2.纹波电压
1)
流偏压与交流分压峰值之和不得超过电容器的额定电压值。

U-+U~max≤U

2)
交流负峰值与直流偏压之和不得超过电容器所允许的反向电压值。

3)
U-+U~min≥U

4)
纹波电流通过钽电容时因功率损耗会导致自身温度升高,因此应限制通过电容器的纹波电流或功率损耗。(见附表)


P=I*U-+I2rmsR≈I2rmsR


固体电解质钽电容器允许的功率及温度降额系数

允许功率损耗

温度降额系数

壳号

参考外形尺寸

直径×高

(mm)

功率损耗

(W)

温度

(℃)

降额系数

1

3.2×8

0.09

25

1

2

5×12

0.10

85

0.9

3

6×14

0.125

125

0.4

4

8×14

0.18




非固体电解质钽电容器的最大纹波电流有效值

壳号

参考外形尺寸

直径×高(mm)

最大纹波电流值

(mA)

1

5×14

50

2

6×16

105

3

8×16

280

4

8×22

380

5

10×22

500

6

10×25

600


3.可靠性设计


在使用过程中提高可靠性要考虑个因素:环境温度施加电压电路阻抗。降低温度和电压、增加阻抗可提高可靠性。这是因为电压或温度增加时,直流漏电流增加,当直流漏电流达到崩溃点并保持不变时,电容器就永久性损坏了,因此,电容器决不能在高于额定温度和该温度下对应的额定电压下使用。电路阻抗增加可降低过大电流的冲击,因此:
1)
注意电容器的环境温度和芯子的温度(控制纹波电流)
2)

降额设计建议

a)-55~+85℃

U

65%U


b)
滤波电容



50%U


c)
低阻抗电路



1/3U

d)+85℃~+125℃

65%U


65%*65%U

3) 在电路中,电容器的串联电阻小于3Ω/V时,为防止大电流对电容器的冲击,建议串联电阻限制电流,否则应考虑进一步的降额设计,固体钽尤甚
4.其它注意事项
1)
电容器在低阻抗电路中并联使用时,会增加直流浪涌电流冲击带来的失效可能性。同时应注意并联电容器中贮存的电荷通过其它电容器放电
2)
安装时焊接中防止过热和时间过长,液钽尤甚。安装位置应距端面或焊点5mm以上。

3)
长期存放的钽电容器使用前应老化处理。老化条件:85℃、额定电压、4-8小时、串联电阻 1100欧。

4)
电容器在使用中要承受55Hz以上的振动时,请采取辅助安装方式。
5)
寿命试验中电容量和损耗长期试验都很稳定,
不能用这两个参数来判定电容器是否失效,漏电流的变化是判定电容器状态的较好标志。

5、钽电解电容器主要失效模式介绍

1)
固体电解质钽电容器



由于固体电解质钽电容器的结构和加工工艺决定了它的失效模式主要表现为瞬间短路

其失效的主要原因是:电流冲击、过电压发热不均衡

2)
非固体电解质钽电容器


由于非固体电解质钽电容器的结构和加工工艺决定了其失效模式主要表现为容量衰减损耗上升


其失效的主要原因是:过电压的影响、反向电压纹波电流温度