Elektrolytické kondenzátory - základy a vlastnosti
Elektrolytické kondenzátory ponúkajú vyššiu kapacitu pre daný objem ako iné kondenzátorové technológie. Správne špecifikované elektrolytické kondenzátory môžu v náročných priemyselných aplikáciách dosiahnuť životnosť viac ako 20 rokov. Tento článok vysvetľuje štruktúru elektrolytického kondenzátora a jeho prevádzkové vlastnosti.
Elektrolytické kondenzátory sú bežne zahrnuté v tejto kategórii "Pasívne komponenty" utajované. Špecifikácia univerzálnych kondenzátorov pre spotrebiteľský sektor je zvyčajne pomerne ľahká. Pre priemyselné aplikácie, ktoré vyžadujú vyššie špecifikovaný kondenzátor s dlhou životnosťou, je výberový proces zložitejší a je potrebné zohľadniť rôzne parametre v aplikácii.
Základný princíp kondenzátora
Kondenzátor sa skladá z dvoch kovových dosiek, ktoré sú oddelené dielektrikom. Povrchové plochy kovových dosiek (A), dielektrikum a medzera medzi doskami (d) určujú vlastnosti kondenzátora: ε0 je permitivita voľného priestoru (8,85. 10 -12 F/m) a εr permitivita Dielektrikum (oxid, papier, elektrolyt).
To je teória. V praxi sú kovové dosky hliníková fólia a dielektrikum je vrstva oxidu na anóde. The Katódová fólia leží medzi vrstvami papiera nasiaknutými elektrolytom a slúži ako druh koncovej dosky. Fólie a papiere sa zrolujú a umiestnia do valca, aby sa minimalizoval objem. Pripojovacie očká spájajú vinutie so svorkami namontovanými na krycej doske kondenzátora. Väčšina elektrolytických kondenzátorov je polarizovaná. Existujú však aj špeciálne situácie, v ktorých sa nachádzajú nepolarizované elektrolyty, napríklad pri štartovaní motora.
Výroba a konštrukcia elektrolytických kondenzátorov
Na anódu a katódu sa používa hliníková fólia. The Anódová fólia je dôležitou súčasťou elektrolytického kondenzátora z hľadiska výkonu a obvykle predstavuje viac ako 75% celkových nákladov na kondenzátor. Fólia sa meria ako množstvo kapacity na plochu a napätie pri tvorbe oxidu. Z dôvodu zväčšenia povrchu je fólia vyleptaná do podoby tunelov. Tento postup sa používa na určenie hrúbky filmu.
The Základný film Pozostáva z 99,9% hliníka a má obvykle hrúbku 100 μm. Leptanie tunela sa vykonáva pomocou elektrochemického procesu, priemer tunela je zvyčajne 1 až 2 um a dĺžka 50 um. Hustota tunela je potom 25 miliónov na cm 2 a povrch leptanej fólie je približne stokrát väčší ako povrch hladkej fólie.
Po leptaní anódovej fólie sa potom „vytvaruje“ nanesením vrstvy oxidu hlinitého bez pórov na povrch leptanej fólie. Táto vrstva oxidu je dielektrikum kondenzátora. Vrstva oxidu sa nanáša aplikovaným napätím a hrúbka oxidu je úmerná formačnému napätiu. Kapacita je nepriamo úmerná hrúbke oxidu.
Inými slovami, čím vyššie je formačné napätie, tým nižšia je kapacita na plochu. Pre kondenzátor to znamená nižšie napätie pre relatívne vysoké hodnoty kapacity a zníženie kapacity so zvyšujúcim sa napätím. Oxidová charakteristika hliníka je citlivá na polaritu, a preto obrátená polarita zvyčajne vedie k katastrofickému zlyhaniu.
Vrstvy papiera oddeľujú anódové a katódové fólie. Papier sa používa na držanie elektrolytu a na zabránenie poklesu napätia. Príspevky majú tiež vplyv na ESR (efektívna sériová odolnosť). Čím vyššie je napätie, tým robustnejšie musia byť papiere, a tak sa zvyšuje ESR. Preto sú parametre ESR vyššie pre elektrolytické kondenzátory s vyšším menovitým napätím.
Vinutie je impregnované elektrolytom. Má neutrálnu hodnotu pH, vysokú vodivosť a je stabilný pri vysokých teplotách. V súvislosti s uvoľňovacími papiermi má elektrolyt vysoké scintilačné napätie. Scintilácia je predchodcom poklesu napätia medzi anódou a katódovou fóliou. Elektrolyt má schopnosť vytvárať oxid (na zníženie zvodového prúdu) a je retardér horenia. Elektrolyty vysokého napätia sú zvyčajne viskóznejšie ako elektrolyty nízkeho napätia. Na podporu procesu impregnácie sa pridá ďalšia vrstva papiera, ktorý je veľmi nasiakavý a slúži ako knôt viskózneho elektrolytu. Táto ďalšia vrstva papiera však znova zvyšuje hodnotu ESR. Po napustení vinutia elektrolytom sa vinutie vloží do hliníkovej plechovky a krycia doska sa uzavrie gumovým tesnením.
U výrobcu Itelcond je veľká časť výskumu a vývoja zameraná na vývoj elektrolytov. Interakcia elektrolytu s papiermi a anódovou fóliou je intenzívnym študijným odborom, takže Itelcond má spojenie s rôznymi výskumnými univerzitami, inovačnými skupinami a výskumnými a vývojovými centrami v Taliansku a Japonsku.
Proces starnutia v elektrolytických kondenzátoroch
Len čo je kondenzátor namontovaný v kryte a krycia doska je utesnená, prechádza kondenzátor procesom umelého starnutia. K starnutiu dochádza riadenou aplikáciou napätia, prúdu a teploty a môže trvať 1 až 20 hodín, v závislosti od veľkosti kondenzátora. Starnutie je dôležité, aby sa „zahojili“ menšie poškodenia v dôsledku výroby vo vrstve oxidu na anódovej fólii. Ďalšie výrobné efekty sú viditeľné na rezaných okrajoch fólie, v miestach spojenia jazýčkov a na spodnej strane svoriek. Proces starnutia privádza unikajúci prúd, tiež známy ako zvodový prúd, na určitú úroveň. V ideálnom svete by cez kondenzátor neprúdil žiadny prúd, v praxi však preteká zvodový prúd a proces starnutia ho na určitú úroveň minimalizuje.
Táto úroveň označuje prijateľnú úroveň zvodového prúdu, aby kondenzátor správne fungoval v aplikácii. Únikový prúd v priebehu času naďalej klesá na úroveň, ktorá je iba zlomkom stanovenej hodnoty. Vďaka veľkému skrutkovaciemu kondenzátoru môže byť redukcia v jednej aplikácii niekoľko stoviek hodín prevádzky. Po starnutí sa každý kondenzátor testuje na zhodu so špecifikáciami a potom sa obalí v izolačnom materiáli, zvyčajne z PVC alebo PET. Kondenzátor je teraz pripravený na odoslanie zákazníkovi.
Zváženie tolerancie elektrolytických kondenzátorov
Rovnako ako odtlačky prstov, ani dva elektrolytické kondenzátory nie sú identické. Je to spôsobené elektrochemickou povahou elektrolytického kondenzátora. Kvôli tejto variácii sú elektrolytické kondenzátory špecifikované s toleranciami typicky ± 20% alebo -10%/+ 30%. Čo to však znamená v praxi? Obrázok 6 zobrazuje dva Gaussovské diagramy typickej dávky kondenzátorov.
Pre kondenzátor s toleranciou ± 20% je nominálna kapacita zvyčajne o 8% až 10% nad dolnou percentuálnou hranicou. Väčšina hodnôt kapacity v dávke kondenzátorov sa nachádza medzi spodným percentuálnym limitom a nominálnou kapacitou. Toto je veľmi populárny kompromis medzi skutočnou hodnotou kapacity a cenou a je možné ho nájsť na mnohých trhoch po celom svete.
Pri kondenzátore s toleranciou –10%/+ 30% sa kapacita blíži nominálnej hodnote kapacity. Väčšina hodnôt kapacity v skupine kondenzátorov bude blízko oboch strán nominálnej hodnoty. To dáva návrhárovi lepšie možnosti, keď je dôležitý konkrétny výkon.
Táto 40% distribúcia je spôsobená tvorbou variácií v anódovej fólii. Pred mnohými rokmi bola tolerancia ± 50% štandardná, ale pokroky v technológii tvárnenia ju znížili a pri zákazkových dizajnoch nie je neobvyklé ani 30% rozšírenie. Tesnosť Gaussovho znázornenia závisí od kvality anódovej fólie. Lepšie fólie zvyčajne pochádzajú z Európy a Japonska. Itelcond používa iba európske filmy.
Vplyvy na kapacitu
Určitý vplyv na kapacitu je spôsobený frekvenciou, teplotou a spôsobom merania kapacity. Kapacita sa bude s frekvenciou znižovať, ako ukazuje vzorec C = 1/(2 π. F. Z)). Pri tejto teplote je kapacita pri 50 ° C asi o 2% vyššia ako pri 20 ° C. Toto zvýšenie je väčšie pri nižších menovitých napätiach a pri hlboko leptaných fóliách. Spôsob, akým sa meria kapacita, má najväčší účinok, buď kapacita striedavého prúdu pomocou metódy mosta LCR, alebo kapacita jednosmerného prúdu pomocou metódy nabíjania a vybíjania C = Q/V. Metóda nabíjania a vybíjania môže viesť k 10% až 30% vyšším hodnotám v porovnaní s metódou mostíka LCR.
Použitie kondenzátorov
Výkon špecifikovaný kondenzátorom sa môže líšiť v závislosti od odvetvia. Lacné kondenzátory pre spotrebiteľské aplikácie by sa vo všeobecnosti nemali prevádzkovať na hranici výkonu. Aj keď je špecifikácia týchto kondenzátorov uvedená ako 400 V a 85 ° C, z dôvodu nákladov sú zvyčajne skonštruované takým spôsobom, že by sa mali prevádzkovať pri nižšom napätí a teplote.
Kondenzátory pre priemyselné aplikácie, ktoré vyrábajú kvalitní výrobcovia ako napríklad Itelcond, sú skonštruované tak, aby ich bolo možné bez problémov prevádzkovať so stanoveným výkonom, čo sa odráža aj na cene. Konštruktéri niekedy chcú prevádzkovať kondenzátory pri znížených hodnotách výkonu, a to buď osobnou voľbou, alebo predpísanými požiadavkami koncového trhu, ako druh bezpečnostnej medzipamäte. Môžete si napríklad vziať kondenzátor 450 V a použiť ho v aplikácii 350 V. Aké využitie nám to prináša?
Z diagramu je zrejmé, že pri znižovaní kondenzátora pod 80% menovitého napätia neexistuje ďalšia výhoda. Faktor napätia má silnejší účinok pri vyšších teplotách kondenzátora a je parametrom, ktorý je zahrnutý do výpočtu životnosti. Hodnota 1,4 zodpovedá zvýšeniu predpokladanej životnosti o 40%. Aj tu sú elektrolytické kondenzátory predmetom kompromisu; dodatočné náklady na vyššie napätie možno odôvodniť dlhšou životnosťou?
Vplyvy na zvodový prúd (zvodový prúd)
Hovorili sme o únikových prúdoch a procese starnutia počas výroby. Tu sa môžeme opäť pozrieť na únikový prúd a vplyv teploty. Svodový prúd je poruchový prúd, ktorý pokračuje v toku aj po úplnom nabití kondenzátora. Zvodový prúd závisí od napätia a teploty. Ako je možné vidieť na obrázku 8, zvodový prúd je nízky, kým nedosiahne bod, v ktorom sa rýchlo zvyšuje. Menovité napätie je určené v mieste, kde sa zvodový prúd rýchlo zvyšuje (tento bod predstavuje špecifikovanú medznú hodnotu). Teplotné rozsahy sa zvyčajne popisujú ako 85 ° C a 105 ° C.
Ak dôjde k prekročeniu týchto teplôt, krivka sa efektívne posunie doľava a zvodový prúd sa dramaticky zvýši pri stanovenom menovitom napätí. Avšak za zvláštnych podmienok je možné túto krivku použiť a posunúť doprava; ak je kondenzátor chladný, môže dôjsť k prekročeniu menovitého napätia. Tento trik sa dá použiť vo fotovoltaických aplikáciách, kde je invertor umiestnený v nevykurovanom strešnom priestore. Napätie solárneho panelu môže byť asi o 20% vyššie, ak je v chladné zimné ráno, ale pred napájaním, vystavený jasnému slnečnému žiareniu. Toto o 20% vyššie napätie je indikované medziobvodom invertora a elektrolytické kondenzátory musia byť schopné odolávať tomuto zvýšenému napätiu.
Ak sú studené, zvyčajne 0 ° C, a kondenzátory sú v priestore studenej strechy, je možné nominálne napätie zvýšiť. Typicky môže 500 V elektrolytický kondenzátor za týchto podmienok pracovať pri 550 V. Odporúča sa však opatrnosť, pretože ESR je v chlade veľmi vysoký, aby sa obmedzil zvlňovací prúd, musí byť menič kontrolovane ohrievaný. Tu pomôže solárny panel, pretože napätie klesá, akonáhle vyrába elektrinu.
Obrázok 9 zobrazuje krivky ESR pre typický elektrolytický kondenzátor. Môžete vidieť, ako sa ESR drasticky zvyšuje pri nižších teplotách. Vo fotovoltaickej aplikácii je za kontrolovaných podmienok potrebné zahriatie, pretože ESR je taký vysoký. Príliš veľa zvlňovacieho prúdu a kondenzátor sa prehrial. Jemné zahrievanie tiež zvyšuje teplotu kondenzátora, ale znižuje sa ESR a spolu s ním aj vnútorné kúrenie.
V mnohých energetických aplikáciách s vlnovými prúdmi medzi 50 a 500 Hz je dôležitá ESR vlastnosť elektrolytického kondenzátora. ESR je odolnosť voči zvlneniu striedavého prúdu. Ako už bolo spomenuté, ESR je závislá na teplote a frekvencii, ale tiež na dĺžke používania. Počas celej prevádzkovej doby sa bude mierne zvyšovať. Keď však kondenzátor dosiahne koniec svojej životnosti, rýchlosť nárastu sa zrýchli. Spravidla sa predpokladá, že je to tak, hneď ako ESR dosiahne trojnásobok pôvodnej hodnoty. Ak budete kondenzátor ďalej prevádzkovať, bude sa zvyšovať aj hodnota ESR, kým vnútorné vykurovanie nedosiahne maximálnu teplotu jadra kondenzátora.
Vzájomné závislosti v elektrolytickom kondenzátore
Zatiaľ čo anódová fólia, kapacita, napätie a zvodový prúd sú navzájom úzko prepojené, sú navzájom prepojené aj ESR a elektrolyt. Pri použití elektrolytického kondenzátora vedie zvlnený prúd a ESR k ohrevu I 2 R, a tým k odplyneniu elektrolytu. V dôsledku toho sa zvýši vnútorný tlak a dôjde k určitej difúzii cez tesnenie medzi krycou doskou a pohárom. To spôsobí, že kondenzátor časom vyschne, čo vedie k zvýšeniu ESR. Stabilný elektrolyt obmedzuje odplynenie a tým zvyšuje rýchlosť ESR. Príliš vysoký zvodový prúd môže tiež viesť k zahriatiu a odplyneniu, a tým k urýchleniu nárastu ESR.
Elektrolytické kondenzátory sa riadia Arrheniovým zákonom: ak teplota okolia klesne o 10 K, životnosť sa zdvojnásobí. Elektrolytický kondenzátor môže byť navrhnutý pre použitie v náročných aplikáciách a čím zložitejšie, tým vyššie sú náklady na kondenzátor. Spravidla je lacnejšie použiť ventilátor/ventilátor na urýchlenie odvádzania tepla z elektrolytického kondenzátora v horúcom prostredí a tým obmedziť celkový nárast teploty.
Inými slovami, kapacita, ESR a zvodový prúd, teplota, napätie a frekvencia. Ide to hore? Ide to dole? Zmätený? V tabuľke sú zhrnuté rôzne aspekty pri použití elektrolytického kondenzátora.
Medzi ďalšie funkcie, ktoré je potrebné vziať do úvahy, patrí počiatočný návrh kondenzátora. Už sme videli, kde hodnoty kapacity klesajú so zvyšujúcim sa menovitým napätím. ESR sa zvýši so zvyšovaním nominálneho napätia v dôsledku hrubšieho papiera a elektrolytu. Pre aplikácie s vysokými zvlňovacími prúdmi máme možnosť použiť fóliu s nízkym ziskom, ktorá má nižšiu ESR, alebo štandardnú fóliu, ktorá umožňuje vyššiemu napätiu využívať výhody zníženia (zníženia) napätia. Každé riešenie má svoje výhody aj nevýhody.
Často sú kladené otázky o trvanlivosti. Takzvaná doba použiteľnosti alebo doba použiteľnosti je určená statickým uložením elektrolytického kondenzátora, či už v rámci aplikácie, alebo nie je inštalovaný samostatne. Čas a teplota majú vplyv na spiaci kondenzátor, v ktorom zvodový prúd časom pomaly rastie bez použitia napätia. Proces starnutia sa obráti, keď dôjde k chemickej zmene. Preto je pred použitím potrebné opäť starnúť.
V typickom sklade by doba použiteľnosti mala byť minimálne dva roky. Zvodový prúd môže navyše prekročiť limitné hodnoty. Ak je potrebné dozrievanie, musí sa to robiť pri izbovej teplote. Za týmto účelom pripojte napájacie napätie, ktoré zodpovedá menovitému napätiu, ale prúd je obmedzený na maximálnu hodnotu únikového prúdu kondenzátora. V závislosti na počiatočnom stave môže byť potrebné starnutie po jednej až štyroch hodinách.
V súhrne možno povedať, že elektrolytické kondenzátory nie sú jednoduché pasívne súčiastky s niekoľkými parametrami. Elektrolytický kondenzátor predstavuje veľa kompromisov z hľadiska výkonu, ceny a životnosti. Skúsenosti a technické know-how v spojení s vysokokvalitnými materiálmi nakoniec zaručujú produkt, ktorý spĺňa technické požiadavky s predpokladanou životnosťou.
* Falko Ladiges je vedúcim tímu PEMCO vo WDI AG.
* Christopher Spence je produktový manažér v spoločnosti Itelcond SRL.