Электролитический конденсатор

«Поляризованный конденсатор» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о других типах поляризованных конденсаторов, см. Суперконденсатор .

Наиболее распространенные типы алюминиевых и танталовых электролитических конденсаторов.

Ассортимент электролитических конденсаторов

Электролитический конденсатор — это поляризованный конденсатор или положительная пластина которого , анод изготовлены из металла, образующего изолирующий оксидный слой посредством анодирования . Этот оксидный слой действует как диэлектрик конденсатора. Твердый, жидкий или гелевый электролит покрывает поверхность этого оксидного слоя, служа катодом или отрицательной пластиной конденсатора. Из-за очень тонкого диэлектрического оксидного слоя и увеличенной поверхности анода электролитические конденсаторы имеют гораздо более высокое произведение емкости - напряжения (CV) на единицу объема, чем керамические конденсаторы или пленочные конденсаторы , и поэтому могут иметь большие значения емкости. Существует три семейства электролитических конденсаторов: алюминиевые электролитические конденсаторы , танталовые электролитические конденсаторы и ниобиевые электролитические конденсаторы .

Большая емкость электролитических конденсаторов делает их особенно подходящими для передачи или обхода низкочастотных сигналов, а также для хранения большого количества энергии. Они широко используются для развязки или фильтрации помех в источниках питания и цепях звена постоянного тока частотно -регулируемых приводов , для связи сигналов между каскадами усилителей и хранения энергии, как в фонарике .

Электролитические конденсаторы являются поляризованными компонентами из-за их асимметричной конструкции и должны всегда работать с более высоким потенциалом (т. е. более положительным) на аноде, чем на катоде. По этой причине полярность указана на корпусе устройства. Приложение напряжения обратной полярности или напряжения, превышающего максимальное номинальное рабочее напряжение всего на 1 или 1,5 В, может повредить диэлектрик, что приведет к катастрофическому выходу из строя самого конденсатора. Выход из строя электролитических конденсаторов может привести к взрыву или возгоранию, что потенциально может привести к повреждению других компонентов, а также к травмам. Биполярные электролитические конденсаторы, которые могут работать с любой полярностью, также изготавливаются специальной конструкции с двумя последовательно соединенными анодами. Биполярный электролитический конденсатор также можно изготовить, соединив два обычных электролитических конденсатора последовательно: анод к аноду или катод к катоду.

Общая информация

древо

Что касается основных принципов конструкции электролитических конденсаторов, существует три различных типа: алюминиевые, танталовые и ниобиевые конденсаторы. В каждом из этих трех семейств конденсаторов используются нетвердые и твердые электролиты из диоксида марганца или твердые полимеры, поэтому доступен широкий выбор различных комбинаций анодного материала и твердых или нетвердых электролитов.

В зависимости от природы используемого анодного металла и используемого электролита существует большое разнообразие электролитических конденсаторов.

Принцип начисления

Как и другие обычные конденсаторы, электролитические конденсаторы сохраняют электрическую энергию статически за счет разделения зарядов в электрическом поле в диэлектрическом оксидном слое между двумя электродами . Нетвердый или твердый электролит в принципе является катодом, который, таким образом, образует второй электрод конденсатора. Это, а также принцип хранения отличают их от электрохимических конденсаторов или суперконденсаторов , в которых электролит обычно представляет собой ионную проводящую связь между двумя электродами, а хранение происходит со статически двухслойной емкостью и электрохимической псевдоемкостью .

Основные материалы и конструкция

Основной принцип анодного оксидирования (формовки), при котором путем приложения напряжения с источником тока на металлическом аноде формируется оксидный слой.

В электролитических конденсаторах используются химические свойства некоторых специальных металлов, ранее называвшихся «вентильными металлами», которые при контакте с определенным электролитом образуют на своей поверхности очень тонкий изолирующий оксидный слой путем анодного окисления , который может действовать как диэлектрик. Для электролитических конденсаторов используются три различных металла анода:

1. В алюминиевых электролитических конденсаторах фольга высокой чистоты используется травленая алюминиевая с оксидом алюминия в качестве диэлектрика.
2. В танталовых электролитических конденсаторах используется спеченная высокой чистоты таблетка («заготовка») из порошка тантала с пентоксидом тантала в качестве диэлектрика.
3. В ниобиевых электролитических конденсаторах высокой чистоты используется спеченная «заготовка» из порошка ниобия или оксида ниобия с пентоксидом ниобия в качестве диэлектрика.

Чтобы увеличить емкость на единицу объема, все анодные материалы либо травят, либо спекают и имеют шероховатую структуру поверхности с гораздо большей площадью поверхности по сравнению с гладкой поверхностью той же площади или того же объема. При приложении положительного напряжения к вышеупомянутому анодному материалу в электролитической ванне будет формироваться (формирование) оксидный барьерный слой толщиной, соответствующей приложенному напряжению. Этот оксидный слой действует как диэлектрик в электролитическом конденсаторе. Свойства этих оксидных слоев приведены в следующей таблице:

Характеристики различных оксидных слоев в алюминиевых, танталовых и ниобиевых электролитических конденсаторах.

Анод- материал	Диэлектрик	Окись структура	Родственник диэлектрическая проницаемость	Авария Напряжение (В/мкм)	Электрический слой толщина (нм/В)
алюминий	Оксид алюминия Al 2 O 3	аморфный	9.6	710	1.4
		кристаллический	11.6…14.2	800...1000	1.25...1.0
Тантал	Пятиокись тантала Ta 2 O 5	аморфный	27	625	1.6
Ниобий или Оксид ниобия	Пятиокись ниобия Nb 2 O 5	аморфный	41	400	2.5

После формирования диэлектрического оксида на шероховатой структуре анода противоэлектрод должен соответствовать шероховатой изолирующей оксидной поверхности. Это достигается электролитом, который действует как катодный электрод электролитического конденсатора. Существует много различных электролитов. Обычно их разделяют на два вида: «нетвердые» и «твердые» электролиты. как жидкая среда, обладающая ионной проводимостью, Нетвердые электролиты, обусловленной движущимися ионами, легко вписываются в шероховатые структуры. Твердые электролиты, обладающие электронной проводимостью, могут соответствовать грубым структурам с помощью специальных химических процессов, таких как пиролиз диоксида марганца или полимеризация проводящих полимеров .

Сравнивая диэлектрическую проницаемость различных оксидных материалов, видно, что диэлектрическая проницаемость пентаоксида тантала примерно в три раза выше, чем оксида алюминия. Поэтому танталовые электролитические конденсаторы с заданным значением CV теоретически меньше, чем алюминиевые электролитические конденсаторы. На практике различные запасы прочности для достижения надежных компонентов затрудняют сравнение.

Анодно созданный изолирующий оксидный слой разрушается при изменении полярности приложенного напряжения.

Емкостный и объемный КПД

Диэлектрический материал помещен между двумя проводящими пластинами (электродами), каждая площадью А и с расстоянием d .

Электролитические конденсаторы основаны на принципе «пластинчатого конденсатора», емкость которого увеличивается с увеличением площади электрода A, более высокой диэлектрической проницаемостью ε и толщиной диэлектрика (d).

$C=\varepsilon \cdot {\frac {A}{d}}$

Толщина диэлектрика электролитических конденсаторов очень мала, в пределах нанометров на вольт. С другой стороны, прочность этих оксидных слоев довольно высока. Благодаря этому очень тонкому диэлектрическому оксидному слою в сочетании с достаточно высокой диэлектрической прочностью электролитические конденсаторы могут достичь высокой объемной емкости. Это одна из причин высоких значений емкости электролитических конденсаторов по сравнению с обычными конденсаторами.

Все травленные или спеченные аноды имеют гораздо большую площадь поверхности по сравнению с гладкой поверхностью той же площади или того же объема. Это увеличивает значение емкости в зависимости от номинального напряжения до 200 раз как для нетвердых алюминиевых электролитических конденсаторов, так и для твердотельных танталовых электролитических конденсаторов. Большая поверхность по сравнению с гладкой является второй причиной относительно высоких значений емкости электролитических конденсаторов по сравнению с конденсаторами других семейств.

Поскольку формовочное напряжение определяет толщину оксидного слоя, желаемое номинальное напряжение можно получить очень просто. Электролитические конденсаторы имеют высокий объемный КПД , так называемый «произведение CV», определяемое как произведение емкости и напряжения, разделенное на объем.

нетвердых алюминиевых

• Базовая конструкция нетвердого алюминиевого электролитического конденсатора
• 
  Открытая обмотка электролитического конденсатора с несколькими соединенными фольгами
• 
  Крупный план конструкции алюминиевого электролитического конденсатора: анодная фольга конденсатора с оксидным слоем, бумажная прокладка, пропитанная электролитом, и катодная фольга.
• 
  Конструкция типичного несимметричного алюминиевого электролитического конденсатора с нетвердым электролитом.

Базовая конструкция твердотельных

• Конструкция твердотельного танталового чип-конденсатора с электролитом из диоксида марганца.
• 
  Конденсаторная ячейка танталового электролитического конденсатора состоит из спеченного порошка тантала.
• 
  Схематическое изображение структуры спеченного танталового электролитического конденсатора с твердым электролитом и контактирующими с катодом слоями.
• 
  Конструкция типичного танталового электролитического конденсатора SMD с твердым электролитом.

Виды и особенности электролитических конденсаторов

Сравнение типов электролитических конденсаторов

Комбинации анодных материалов электролитических конденсаторов и используемых электролитов привели к появлению широкого спектра типов конденсаторов с различными свойствами. Краткое описание основных характеристик различных типов показано в таблице ниже.

Обзор ключевых особенностей различных типов электролитических конденсаторов

электролитический семейство конденсаторов	Электролит	Емкость диапазон (мкФ)	Макс. номинальное напряжение (V)	Макс. температура (°С)
Алюминий- электролитический конденсатор травленая фольга	Нетвердый органический электролит, например ГБЛ , ДМФ , ДМА ,	0.1:1,000,000	550	105/125/150
	Нетвердые, например бура, гликоль	0.1:2,700,000	630	85/105
	Нетвердый, на водной основе	1:18,000	100	85/105
	Твердый, полимерный	10:1,500	25	105
	Гибридные, полимерные и нетвердые	6.8:1,000	125	105/125
Тантал электролитический конденсатор, спеченный анод	Нетвердая, серная кислота	0.1:18,000	630	125/200
	Твердый диоксид марганца	0.1:3,300	125	125/150
	Твердый, полимерный	10:1,500	25	105
Оксид ниобия- электролитический конденсатор спеченный анод	Твердый диоксид марганца	1:1,500	10	105
	Твердый, полимерный	4.7:470	16	105

Нетвердые или так называемые «мокрые» алюминиевые электролитические конденсаторы были и остаются самыми дешевыми среди всех других обычных конденсаторов. Они не только обеспечивают самые дешевые решения для высоких значений емкости или напряжения для целей развязки и буферизации, но также нечувствительны к низкоомному заряду и разряду, а также к низкоэнергетическим переходным процессам. Нетвердоэлектролитические конденсаторы можно найти практически во всех областях электронных устройств, за исключением военного применения.

Танталовые электролитические конденсаторы с твердым электролитом в качестве чип-конденсаторов для поверхностного монтажа в основном используются в электронных устройствах, в которых мало места или требуется низкий профиль. Они надежно работают в широком диапазоне температур без больших отклонений параметров. Для применения в военной и космической технике необходимые разрешения имеют только танталовые электролитические конденсаторы.

Ниобиевые электролитические конденсаторы составляют прямую конкуренцию промышленным танталовым электролитическим конденсаторам, поскольку ниобий более доступен. Их свойства сопоставимы.

Электрические свойства алюминиевых, танталовых и ниобиевых электролитических конденсаторов значительно улучшены за счет полимерного электролита.

Сравнение электрических параметров

Чтобы сравнить различные характеристики электролитических конденсаторов разных типов, в следующей таблице сравниваются конденсаторы одинаковых размеров, одинаковой емкости и напряжения. При таком сравнении значения ESR и пульсаций тока нагрузки являются наиболее важными параметрами для использования электролитических конденсаторов в современном электронном оборудовании. Чем ниже ESR, тем выше пульсирующий ток на единицу объема и лучше работоспособность конденсатора в цепи. Однако лучшие электрические параметры имеют более высокую цену.

Сравнение важнейших характеристик электролитических конденсаторов разных типов.

электролитический семейство конденсаторов	Тип 1 )	Измерение ГxД, ШxВxД (мм)	Макс. СОЭ 100 кГц, 20 °С (мОм)	Макс. пульсирующий ток 85/105 °С (мА)	Макс. ток утечки через 2 мин. 2 ) (мкА)
«мокрые» алюминиевые электролитические конденсаторы 1976 г. 3 ) Электролит этиленгликоль/бура	Клапан, 034, 4.7/40	5х11	15.000	17	10 (0,01КВ)
«мокрые» алюминиевые электролитические конденсаторы, Органический электролит	Вишай, 036 РСП, 100/10	5х11	1000	160	10 (0,01КВ)
«мокрые» алюминиевые электролитические конденсаторы, Электролит этиленгликоль/бура	НКЦ, СМК, 100/10	5х11	900	180	10 (0,01КВ)
«мокрые» алюминиевые электролитические конденсаторы, Электролит на водной основе	Рубикон, ЗЛ, 100/10	5х11	300	250	10 (0,01КВ)
«мокрые» Al-электролитические конденсаторы, SMD Электролит этиленгликоль/бура	НИЧЕГО, НЕЙСИ, 220/10	6,3х8	300	300	10 (0,01КВ)
«мокрые» Al-электролитические конденсаторы, SMD Электролит на водной основе	НИЧЕГО, НАЗЖ, 220/16	6,3х8	160	600	10 (0,01КВ)
Твердые танталовые электролитические конденсаторы MnO 2 электролит	Кемет, Т494, 330/10	7,3х4,3х4,0	100	1285	10 (0,01КВ)
Твердые танталовые электролитические конденсаторы Мультианод, MnO 2 электролит	Кемет, Т510, 330/10	7,3x4,3x4,0	35	2500	10 (0,01КВ)
Твердые танталовые электролитические конденсаторы Полимерный электролит	Кемет, Т543, 330/10	7,3x4,3x4,0	10	4900	100 (0,1КВ)
Твердые танталовые электролитические конденсаторы Мультианод, полимер	Кемет, Т530, 150/10	7,3x4,3x4,0	5	4970	100 (0,1КВ)
Твердые ниобиевые электролитические конденсаторы, MnO 2 электролит	AVX, НОС, 220/6,3	7,3x4,3x4,1	80	1461	20 (0,02 л.с.)
Твердые ниобиевые электролитические конденсаторы, Мультианод, MnO 2 электролит	AVX, НБМ, 220/6.3	7,3x4,3x4,1	40	2561	20 (0,02 л.с.)
Конденсаторы твердотельные Al-электролитические, Полимерный электролит	Panasonic, СП-УП, 180/6.3	7,3x4,3x4,2	7	3700	100 (0,1КВ)
Конденсаторы твердотельные Al-электролитические, Полимерный электролит	Кемет, А700, 100/10	7,3x4,3x4,0	10	4700	40 (0,04КВ)
Конденсаторы твердотельные Al-электролитические, Полимерный электролит	Панансоник, старший вице-президент, 120/6.3	6,3x6	17	2780	200 (0,2КВ)
Гибридные алюминиевые электролитические конденсаторы, Полимер + нетвердый электролит	Панасоник, ЗА, 100/25	6,3x7,7	30	2000	10 (0,01КВ)

¹ ) Производитель, название серии, емкость/напряжение

² ) рассчитано для конденсатора 100 мкФ/10 В,

³ ) из паспорта 1976 года.

алюминиевых и танталовых

Алюминиевые электролитические конденсаторы составляют основную часть электролитических конденсаторов, используемых в электронике, из-за большого разнообразия размеров и недорогого производства. Танталовые электролитические конденсаторы, обычно используемые в исполнении SMD, имеют более высокую удельную емкость, чем алюминиевые электролитические конденсаторы, и используются в устройствах с ограниченным пространством или плоской конструкцией, таких как ноутбуки. Применяются они и в военной технике, преимущественно осевого типа, герметично закрытые. Ниобиевые электролитические чип-конденсаторы представляют собой новую разработку на рынке и предназначены для замены танталовых электролитических чип-конденсаторов.

• Различные стили алюминиевых электролитических конденсаторов
• 
  Алюминиевые электролитические чип-конденсаторы SMD "V" (вертикальные)
• 
  Алюминиевые электролитические конденсаторы осевого типа
• 
  Радиальные или несимметричные алюминиевые электролитические конденсаторы
• 
  алюминиевый электролитический конденсатор с «защелкивающимися» клеммами
• 
  алюминиевые электролитические конденсаторы с винтовыми клеммами

• Различные стили танталовых электролитических конденсаторов
• 
  Типичный танталовый SMD конденсатор
• 
  Танталовые «жемчужные» конденсаторы с лаковым покрытием.
• 
  Танталовые электролитические конденсаторы осевого типа

История

Ранний небольшой электролитический конденсатор 1914 года. Его емкость составляла около 2 микрофарад.

Вид на анод «мокрого» алюминиевого электролитического конденсатора, Bell System Technique, 1929 г.

Происхождение

Явление, заключающееся в том, что в электрохимическом процессе алюминий и такие металлы, как тантал , ниобий , марганец , титан , цинк , кадмий и т. д., могут образовывать оксидный слой, который блокирует протекание электрического тока в одном направлении, но позволяет току течь в другом. противоположное направление впервые наблюдал в 1857 г. немецкий физик и химик Иоганн Генрих Буфф (1805–1878). Впервые его применил в 1875 году французский исследователь и основатель Эжен Дюкрете . который придумал для таких металлов термин «ламповый металл».

Чарльз Поллак (урожденный Кароль Поллак ), производитель аккумуляторов, обнаружил, что оксидный слой на алюминиевом аноде оставался стабильным в нейтральном или щелочном электролите даже при отключении питания. В 1896 году он подал патент на «Электрический жидкостный конденсатор с алюминиевыми электродами» (de: Elektrischer Flüssigkeitskondensator mit Aluminiumelektroden ), основанный на его идее использования оксидного слоя в поляризованном конденсаторе в сочетании с нейтральным или слабощелочным электролитом.

«Мокрый» алюминиевый конденсатор

Различные формы исторических анодных конструкций для мокрых конденсаторов. Для всех этих анодов внешний металлический контейнер служил катодом.

Первые промышленно реализованные электролитические конденсаторы представляли собой металлический корпус, служащий катодом. Он был заполнен растворенным в воде электролитом из буры , в который была вставлена ​​складчатая алюминиевая анодная пластина. При подаче постоянного напряжения извне на поверхности анода формировался оксидный слой. Преимущество этих конденсаторов заключалось в том, что они были значительно меньше и дешевле всех других конденсаторов того времени относительно реализованной величины емкости. Эта конструкция с различными типами конструкции анода, но с корпусом в качестве катода и контейнером для электролита использовалась до 1930-х годов и называлась «мокрым» электролитическим конденсатором в том смысле, что он имел высокое содержание воды.

Первое более распространенное применение мокрых алюминиевых электролитических конденсаторов было на крупных телефонных станциях для уменьшения хеш-сигнала (шума) реле в источнике питания постоянного тока на 48 В. Развитие бытовых радиоприемников, работающих на переменном токе, в конце 1920-х годов создало спрос на конденсаторы большой (для того времени) и высоковольтные конденсаторы для ламповых усилителей , обычно емкостью не менее 4 микрофарад и рассчитанными на напряжение около 500 вольт постоянного тока. из вощеной бумаги и промасленной шелковой Конденсаторы пленки были доступны, но устройства с такой емкостью и номинальным напряжением были громоздкими и непомерно дорогими.

«Сухой» алюминиевый конденсатор

«Сухой» электролитический конденсатор емкостью 100 мкФ и напряжением 150 В.

Предок современного электролитического конденсатора был запатентован Самуэлем Рубеном в 1925 году. который объединился с Филипом Мэллори , основателем компании по производству аккумуляторов, которая сейчас известна как Duracell International . Идея Рубена заключалась в многослойной конструкции конденсатора из серебряной слюды . Он ввел отдельную вторую фольгу для контакта с электролитом, прилегающим к анодной фольге, вместо использования заполненного электролитом контейнера в качестве катода конденсатора. Уложенная стопкой вторая фольга получила собственную клемму в дополнение к анодной клемме, и контейнер больше не выполнял электрических функций. Этот тип электролитического конденсатора в сочетании с жидким или гелеобразным электролитом неводной природы, который, следовательно, является сухим в смысле очень низкого содержания воды, стал известен как «сухой» тип электролитического конденсатора.

С изобретением Рубена, а также с изобретением в 1927 году намотанной фольги, разделенной бумажной прокладкой, А. Экелем из Hydra-Werke (Германия), началась фактическая разработка электролитических конденсаторов.

Уильям Дюбилье , чей первый патент на электролитические конденсаторы был подан в 1928 году, реализовал новые идеи электролитических конденсаторов и начал первое крупное коммерческое производство в 1931 году на заводе Cornell-Dubilier (CD) в Плейнфилде, штат Нью-Джерси. В то же время в Берлине (Германия) компания Hydra-Werke, входящая в состав AEG , начала производство электролитических конденсаторов в больших количествах. Другой производитель, Ральф Д. Мершон , добился успеха в удовлетворении спроса радиорынка на электролитические конденсаторы.

Миниатюризация алюминиевых электролитических конденсаторов с 1960 по 2005 год в корпусе 10x16 мм до десятикратного коэффициента.

В своем патенте 1896 года Поллак уже признал, что емкость конденсатора увеличивается при придании шероховатости поверхности анодной фольги. Сегодня (2014 г.) фольга низкого напряжения, подвергнутая электрохимическому травлению, позволяет добиться увеличения площади поверхности до 200 раз по сравнению с гладкой поверхностью. Достижения в области процесса травления являются причиной уменьшения размеров алюминиевых электролитических конденсаторов в последние десятилетия.

Для алюминиевых электролитических конденсаторов десятилетия с 1970 по 1990 год были отмечены разработкой различных новых профессиональных серий, специально подходящих для определенных промышленных применений, например, с очень низкими токами утечки или с длительным сроком службы, или для более высоких температур до 125 °C.

Танталовые конденсаторы

Основная статья: Танталовый конденсатор

Один из первых танталовых электролитических конденсаторов был разработан в 1930 году компанией Tansitor Electronic Inc., США, для военных целей. Была принята базовая конструкция намотанного элемента: танталовая анодная фольга использовалась вместе с танталовой катодной фольгой, разделенной бумажной прокладкой, пропитанной жидким электролитом, в основном серной кислотой , и заключенной в серебряный корпус.

Соответствующая разработка твердоэлектролитных танталовых конденсаторов началась через несколько лет после того, как Уильям Шокли , Джон Бардин и Уолтер Хаузер Браттейн изобрели транзистор в 1947 году. Он был изобретен Bell Laboratories в начале 1950-х годов как миниатюрный, более надежный низковольтный опорный конденсатор в дополнение к их недавно изобретенный транзистор. Решение, найденное Р. Л. Тейлором и Х. Э. Харингом в Bell Labs в начале 1950 года, было основано на опыте работы с керамикой. Они измельчили тантал до порошка, который спрессовали в цилиндрическую форму, а затем спекали при высокой температуре от 1500 до 2000 ° C в условиях вакуума, чтобы получить таблетку («заготовку»).

В этих первых спеченных танталовых конденсаторах использовался нетвердый электролит, что не соответствует концепции твердотельной электроники. В 1952 году целенаправленный поиск твердого электролита в Bell Labs Д.А. Маклином и Ф.С. Пауэром привел к изобретению диоксида марганца в качестве твердого электролита для спеченного танталового конденсатора.

Хотя фундаментальные изобретения были созданы Bell Labs, изобретения по производству коммерчески жизнеспособных танталовых электролитических конденсаторов были сделаны исследователями из Sprague Electric Company . Престон Робинсон , директор по исследованиям Sprague, считается настоящим изобретателем танталовых конденсаторов в 1954 году. Его изобретение было поддержано Р. Дж. Миллардом, который в 1955 году ввёл этап «реформы». значительное улучшение, при котором диэлектрик конденсатора восстанавливался после каждого цикла погружения и преобразования осаждения MnO ₂ , что резко уменьшало ток утечки готовых конденсаторов.

Хотя твердотельные танталовые конденсаторы предлагали конденсаторы с более низкими значениями ESR и тока утечки, чем алюминиевые электролитические конденсаторы, ценовой шок на тантал в 1980 году резко сократил применение танталовых электролитических конденсаторов, особенно в индустрии развлечений. Промышленность вернулась к использованию алюминиевых электролитических конденсаторов.

Твердые электролиты

Проводимость нетвердых и твердых электролитов

Первый твердый электролит диоксида марганца, разработанный в 1952 году для танталовых конденсаторов, имел проводимость в 10 раз лучше, чем все другие типы нетвердых электролитов. Это также повлияло на разработку алюминиевых электролитических конденсаторов. первые алюминиевые электролитические конденсаторы с твердым электролитом SAL В 1964 году на рынке появились , разработанные компанией Philips .

С началом цифровизации компания Intel выпустила свой первый микрокомпьютер MCS 4 в 1971 году. В 1972 году Hewlett Packard выпустила один из первых карманных калькуляторов HP 35. Требования к конденсаторам возросли в части снижения эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) шунтирующих и развязывающих конденсаторов.

Лишь в 1983 году компания Sanyo сделала новый шаг к снижению ESR, выпустив алюминиевые электролитические конденсаторы OS-CON . В этих конденсаторах использовался твердый органический проводник, соль переноса заряда TTF-TCNQ ( тетрацианохинодиметан ), что обеспечивало улучшение проводимости в 10 раз по сравнению с электролитом из диоксида марганца.

Следующим шагом в снижении СОЭ стала разработка проводящих полимеров Аланом Дж. Хигером , Аланом МакДиармидом и Хидеки Сиракавой в 1975 году. Проводимость проводящих полимеров, таких как полипиррол (PPy) или ПЕДОТ лучше, чем у TCNQ, в 100–500 раз и близка к проводимости металлов.

В 1991 году Panasonic выпустила «SP-Cap». Серия полимерных алюминиевых электролитических конденсаторов . Эти алюминиевые электролитические конденсаторы с полимерными электролитами достигли очень низких значений ESR, непосредственно сравнимых с керамическими многослойными конденсаторами (MLCC). Они по-прежнему были дешевле, чем танталовые конденсаторы, а благодаря своей плоской конструкции для ноутбуков и мобильных телефонов также конкурировали с танталовыми чип-конденсаторами.

Три года спустя появились танталовые электролитические конденсаторы с катодом из полимерного полипропилена. В 1993 году NEC представила полимерные танталовые электролитические конденсаторы SMD под названием NeoCap. В 1997 году компания Sanyo выпустила полимерные танталовые чипы POSCAP.

Новый проводящий полимер для танталовых полимерных конденсаторов был представлен компанией Kemet на конференции «Carts» 1999 года. В этом конденсаторе использовался недавно разработанный органический проводящий полимер PEDT Poly (3,4-этилендиокситиофен), также известный как PEDOT (торговое название Baytron®).

Ниобиевые конденсаторы

Основная статья: Ниобиевый конденсатор

Очередной взрыв цен на тантал в 2000/2001 годах привел к разработке ниобиевых электролитических конденсаторов с электролитом из диоксида марганца, которые доступны с 2002 года. Ниобий является родственным металлом тантала и служит вентильным металлом, образующим оксидный слой во время анодного окисления. Ниобий в качестве сырья гораздо более распространен в природе, чем тантал, и он дешевле. Именно вопрос доступности основного металла в конце 1960-х годов привел к разработке и внедрению ниобиевых электролитических конденсаторов в бывшем Советском Союзе вместо танталовых конденсаторов, как на Западе. Материалы и процессы, используемые для производства конденсаторов с ниобиевым диэлектриком, по существу такие же, как и для существующих конденсаторов с танталовым диэлектриком. Характеристики ниобиевых электролитических конденсаторов и танталовых электролитических конденсаторов примерно сопоставимы.

Электролиты на водной основе

С целью снижения ESR для недорогих нетвердых электролитических конденсаторов с середины 1980-х годов в Японии были разработаны новые электролиты на водной основе для алюминиевых электролитических конденсаторов. Вода недорогая, эффективный растворитель электролитов и значительно улучшает проводимость электролита. Японский производитель Rubycon был лидером в разработке новых систем электролитов на водной основе с повышенной проводимостью в конце 1990-х годов. Новая серия нетвердых электролитических конденсаторов с электролитом на водной основе была описана в технических характеристиках как имеющая «низкое ESR», «низкий импеданс», «сверхнизкий импеданс» или «высокий пульсирующий ток».

С 1999 по 2010 год был украден рецепт такого электролита на водной основе, в котором важные стабилизаторы отсутствовали, привело к широко распространенной проблеме «плохих конденсаторов» (неисправных электролитических конденсаторов), протекающих или периодически взрывающихся в компьютерах, источниках питания и другом электронном оборудовании, которая стала известна как « конденсаторная чума ». В этих электролитических конденсаторах вода достаточно агрессивно реагирует с алюминием, что сопровождается сильным выделением тепла и газов в конденсаторе, что приводит к преждевременному выходу из строя оборудования и развитию коттеджного ремонтного производства.

Электрические характеристики

Последовательно-эквивалентная схема

Модель последовательно-эквивалентной схемы электролитического конденсатора

Электрические характеристики конденсаторов согласованы с международной типовой спецификацией IEC 60384-1. В этом стандарте электрические характеристики конденсаторов описываются идеализированной последовательно-эквивалентной схемой с электрическими компонентами, моделирующими все омические потери, емкостные и индуктивные параметры электролитического конденсатора:

• C , емкость конденсатора
• R _ESR , эквивалентное последовательное сопротивление , которое суммирует все омические потери конденсатора, обычно обозначаемое сокращенно «ESR».
• L _ESL , эквивалентная последовательная индуктивность , которая представляет собой эффективную самоиндукцию конденсатора, обычно сокращенно «ESL».
• R _утечка , сопротивление, представляющее ток утечки конденсатора.

Емкость, стандартные значения и допуски

Типичная емкость как функция частоты

Типичная емкость как функция температуры

Электрические характеристики электролитических конденсаторов зависят от конструкции анода и используемого электролита. Это влияет на величину емкости электролитических конденсаторов, которая зависит от частоты измерения и температуры. Электролитические конденсаторы с нетвердыми электролитами демонстрируют более широкие аберрации в диапазоне частот и температур, чем конденсаторы с твердыми электролитами.

Основной единицей емкости электролитического конденсатора является микрофарад (мкФ). Значение емкости, указанное в паспортах производителей, называется номинальной емкостью C _R или номинальной емкостью C _N и представляет собой значение, на которое рассчитан конденсатор.

Стандартизированным условием измерения электролитических конденсаторов является метод измерения переменного тока с напряжением 0,5 В, частотой 100/120 Гц и температурой 20 °C. Для танталовых конденсаторов во время измерения можно прикладывать напряжение смещения постоянного тока от 1,1 до 1,5 В для типов с номинальным напряжением ≤2,5 В или от 2,1 до 2,5 В для типов с номинальным напряжением >2,5 В, чтобы избежать обратного напряжения.

Значение емкости, измеренное на частоте 1 кГц, примерно на 10% меньше значения 100/120 Гц. Поэтому значения емкости электролитических конденсаторов напрямую не сопоставимы и отличаются от значений емкости пленочных или керамических конденсаторов , емкость которых измеряется на частоте 1 кГц или выше.

Измеренное методом измерения переменного тока при частоте 100/120 Гц значение емкости является самым близким значением к электрическому заряду, хранящемуся в электронных конденсаторах. Запасенный заряд измеряется специальным методом разряда и называется емкостью постоянного тока . Емкость постоянного тока примерно на 10% выше, чем емкость переменного тока 100/120 Гц. Емкость постоянного тока представляет интерес для разрядных приложений, таких как фотовспышки .

Процент допустимого отклонения измеренной емкости от номинального значения называется допуском емкости. Электролитические конденсаторы доступны в различных сериях допусков, значения которых указаны в серии E , указанной в IEC 60063. Для сокращенной маркировки в ограниченном пространстве буквенный код для каждого допуска указан в IEC 60062.

• номинальная емкость, серия Е3, допуск ±20%, буквенный код «М»
• номинальная емкость, серия Е6, допуск ±20%, буквенный код «М»
• номинальная емкость, серия Е12, допуск ±10%, буквенный код «К»

Требуемый допуск емкости определяется конкретным применением. Электролитические конденсаторы, которые часто используются для фильтрации и обхода , не требуют узких допусков, поскольку они в основном не используются для приложений с точной частотой, таких как генераторы .

Номинальное напряжение и категория

Соотношение между номинальным напряжением и категорией и номинальной температурой и категорией

В соответствии со стандартом IEC/EN 60384-1 допустимое рабочее напряжение для электролитических конденсаторов называется «номинальным напряжением U _R » или «номинальным напряжением U _N ». Номинальное напряжение U _R представляет собой максимальное напряжение постоянного тока или пиковое импульсное напряжение, которое может применяться непрерывно при любой температуре в пределах номинального температурного диапазона T _R .

Устойчивость электролитических конденсаторов к напряжению снижается с повышением температуры. Для некоторых применений важно использовать более высокий температурный диапазон. Снижение напряжения, приложенного при более высокой температуре, сохраняет запас безопасности. Поэтому для некоторых типов конденсаторов стандарт IEC определяет «напряжение пониженной температуры» для более высокой температуры, «категорию напряжения U _C ». Категория напряжения — это максимальное напряжение постоянного тока или пиковое импульсное напряжение, которое может непрерывно прикладываться к конденсатору при любой температуре в температурном диапазоне категории T _C . Связь между напряжениями и температурами показана на рисунке справа.

Применение более высокого напряжения, чем указано, может привести к разрушению электролитических конденсаторов.

Применение более низкого напряжения может оказать положительное влияние на электролитические конденсаторы. Для алюминиевых электролитических конденсаторов более низкое приложенное напряжение в некоторых случаях может продлить срок службы. Для танталовых электролитических конденсаторов снижение приложенного напряжения повышает надежность и снижает ожидаемую частоту отказов. я

Перенапряжение

Импульсное напряжение указывает максимальное пиковое значение напряжения, которое может быть приложено к электролитическим конденсаторам во время их применения в течение ограниченного числа циклов. Импульсное напряжение стандартизировано в IEC/EN 60384-1. Для алюминиевых электролитических конденсаторов номинальным напряжением до 315 В импульсное напряжение в 1,15 раза превышает номинальное, а для конденсаторов с номинальным напряжением более 315 В — импульсное напряжение в 1,10 раза превышает номинальное напряжение.

Для танталовых электролитических конденсаторов импульсное напряжение может быть в 1,3 раза больше номинального напряжения, округленного до ближайшего вольта. Импульсное напряжение, приложенное к танталовым конденсаторам, может повлиять на частоту отказов конденсатора.

Переходное напряжение

Алюминиевые электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом относительно нечувствительны к высоким и кратковременным переходным напряжениям, превышающим импульсное напряжение, если частота и энергосодержание переходных процессов невелики. Эта способность зависит от номинального напряжения и размера компонента. Переходные напряжения низкой энергии приводят к ограничению напряжения, аналогичному стабилитрону . Однозначная и общая спецификация допустимых переходных процессов или пиковых напряжений невозможна. В каждом случае возникновения переходных процессов заявка должна быть одобрена очень тщательно.

Электролитические конденсаторы с твердым оксидом марганца или полимерным электролитом, а также алюминиевые и танталовые электролитические конденсаторы не могут выдерживать переходные или пиковые напряжения, превышающие импульсное напряжение. Переходные процессы могут разрушить электролитический конденсатор этого типа.

Обратное напряжение

Взорванный алюминиевый электролитический конденсатор на печатной плате

Электролитический конденсатор, взорвавшийся через вентиляционное отверстие наверху, обнажил выдавленный внутренний диэлектрический материал.

Стандартные электролитические конденсаторы, а также алюминиевые, а также танталовые и ниобиевые электролитические конденсаторы поляризованы и обычно требуют, чтобы напряжение анодного электрода было положительным по отношению к напряжению катода.

Тем не менее электролитические конденсаторы могут кратковременно выдерживать обратное напряжение в течение ограниченного числа циклов. В частности, алюминиевые электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом могут выдерживать обратное напряжение от 1 до 1,5 В. Это обратное напряжение никогда не следует использовать для определения максимального обратного напряжения, при котором конденсатор может использоваться постоянно.

Твердотельные танталовые конденсаторы также могут выдерживать кратковременное обратное напряжение. Наиболее распространенные рекомендации по обратному напряжению тантала:

• от 10 % номинального напряжения до максимум 1 В при 25 °C,
• от 3 % номинального напряжения до максимум 0,5 В при 85 °C,
• от 1 % номинального напряжения до максимум 0,1 В при 125 °C.

Эти рекомендации применимы для кратковременного отклонения и никогда не должны использоваться для определения максимального обратного напряжения, при котором конденсатор может использоваться постоянно.

Но ни в коем случае для алюминиевых, а также для танталовых и ниобиевых электролитических конденсаторов нельзя использовать обратное напряжение для постоянного применения переменного тока.

Чтобы свести к минимуму вероятность неправильной установки поляризованного электролита в цепь, полярность должна быть очень четко указана на корпусе, см. раздел о маркировке полярности ниже.

Доступны специальные биполярные алюминиевые электролитические конденсаторы, предназначенные для биполярного режима работы, которые обычно называют «неполяризованными» или «биполярными» типами. В них конденсаторы имеют две анодные фольги с оксидными слоями полной толщины, соединенные в обратной полярности. В чередующихся половинах циклов переменного тока один из оксидов на фольге действует как блокирующий диэлектрик, не позволяя обратному току повредить электролит другого. Но эти биполярные электролитические конденсаторы не подходят для основных приложений переменного тока вместо силовых конденсаторов с металлизированной полимерной пленкой или бумажным диэлектриком.

Импеданс

Упрощенная последовательно-эквивалентная схема конденсатора высших частот (вверху); векторная диаграмма с электрическими реактивными сопротивлениями X _ESL и X _C и сопротивлением ESR, а также для иллюстрации импеданса Z и коэффициента рассеяния tan δ.

В общем, конденсатор рассматривается как компонент хранения электрической энергии. Но это только одно применение конденсатора. Конденсатор также может действовать как переменного тока резистор . В частности, алюминиевые электролитические конденсаторы часто используются в качестве развязывающих конденсаторов для фильтрации или обхода нежелательных частот переменного тока на землю или для емкостной связи аудиосигналов переменного тока. Тогда диэлектрик используется только для блокировки постоянного тока. Для таких приложений импеданс ( сопротивление переменному току ) так же важен, как и значение емкости.

Типичные кривые импеданса для различных значений емкости в зависимости от частоты. Чем выше емкость, тем ниже резонансная частота.

Импеданс Z представляет собой векторную сумму реактивного сопротивления и сопротивления ; он описывает разность фаз и соотношение амплитуд между синусоидально изменяющимся напряжением и синусоидально изменяющимся током на заданной частоте. В этом смысле импеданс является мерой способности конденсатора пропускать переменный ток и может использоваться аналогично закону Ома.

$Z={\frac {\hat {u}}{\hat {\imath }}}={\frac {U_{\mathrm {eff} }}{I_{\mathrm {eff} }}}.$

Другими словами, импеданс представляет собой частотно-зависимое сопротивление переменному току и имеет как величину, так и фазу на определенной частоте.

В паспортах электролитических конденсаторов только величина импеданса |Z| указывается и записывается просто как «Z». Что касается стандарта IEC/EN 60384-1, значения импеданса электролитических конденсаторов измеряются и указываются на частоте 10 кГц или 100 кГц в зависимости от емкости и напряжения конденсатора.

Помимо измерения, импеданс можно рассчитать, используя идеализированные компоненты последовательно-эквивалентной цепи конденсатора, включая идеальный конденсатор C , резистор ESR и индуктивность ESL . В этом случае импеданс на угловой частоте ω определяется геометрической (комплексной) добавкой ESR , емкостного реактивного сопротивления X _C

$X_{C}=-{\frac {1}{\omega C}}$

и индуктивным реактивным сопротивлением X _L ( Inductance )

$X_{L}=\omega L_{\mathrm {ESL} }$.

Тогда Z определяется выражением

$Z={\sqrt {{ESR}^{2}+(X_{\mathrm {C} }+(-X_{\mathrm {L} }))^{2}}}$.

В частном случае резонанса , когда оба реактивных сопротивления X _C и X _L имеют одинаковое значение ( X _C =X _L ), тогда импеданс будет определяться только ESR . При частотах выше резонансной частоты импеданс снова увеличивается из-за ESL конденсатора. Конденсатор становится индуктором.

СОЭ и коэффициент рассеяния tan δ

• Типичные кривые импеданса и ESR в зависимости от частоты и температуры
• 
  Типичное сопротивление и ESR как функция частоты
• 
  Типичное сопротивление как функция температуры

Эквивалентное последовательное сопротивление ( ESR ) суммирует все резистивные потери конденсатора. Это оконечные сопротивления, контактное сопротивление контакта электродов, линейное сопротивление электродов, сопротивление электролита и диэлектрические потери в диэлектрическом оксидном слое.

Для электролитических конденсаторов ESR обычно уменьшается с увеличением частоты и температуры.

ESR влияет на наложенные пульсации переменного тока после сглаживания и может повлиять на функциональность схемы. Внутри конденсатора ESR учитывает внутреннее выделение тепла, если через конденсатор протекает пульсирующий ток. Это внутреннее тепло сокращает срок службы нетвердых алюминиевых электролитических конденсаторов и влияет на надежность твердых танталовых электролитических конденсаторов.

Для электролитических конденсаторов по историческим причинам коэффициент потерь tan δ в технических характеристиках иногда указывается вместо ESR . Коэффициент рассеяния определяется тангенсом фазового угла между емкостным реактивным сопротивлением X _C минус индуктивное реактивное сопротивление X _L и ESR . Если индуктивность ESL мала, коэффициент рассеяния можно аппроксимировать как:

$\tan \delta ={\mbox{ESR}}\cdot \omega C$

Коэффициент рассеяния используется для конденсаторов с очень низкими потерями в цепях определения частоты, где обратное значение коэффициента рассеяния называется добротностью ( резонатора Q), которая представляет собой полосу пропускания .

Пульсации тока

Высокий пульсирующий ток на сглаживающем конденсаторе C1 в источнике питания с полуволновым выпрямлением конденсатора. вызывает значительное внутреннее тепловыделение, соответствующее ESR

«Пульсирующий ток» — это среднеквадратичное значение наложенного переменного тока любой частоты и любой формы кривой тока для непрерывной работы в заданном диапазоне температур. Он возникает преимущественно в источниках питания (в том числе импульсных ) после выпрямления переменного напряжения и протекает в виде тока заряда и разряда через любые развязывающие и сглаживающие конденсаторы.

Пульсации токов выделяют тепло внутри корпуса конденсатора. Эти потери мощности рассеяния P _L вызваны ESR и представляют собой квадрат эффективного (RMS) пульсирующего тока I _R .

$P_{L}=I_{R}^{2}\cdot ESR$

Это внутренне генерируемое тепло, в дополнение к температуре окружающей среды и, возможно, другим внешним источникам тепла, приводит к тому, что температура корпуса конденсатора имеет разность температур Δ T относительно температуры окружающей среды. Это тепло должно распределяться в виде тепловых потерь P _th по поверхности конденсатора A и термического сопротивления β окружающей среде.

$P_{th}=\Delta T\cdot A\cdot \beta$

Внутренне генерируемое тепло должно распространяться в окружающую среду посредством теплового излучения , конвекции и теплопроводности . Температура конденсатора, которая представляет собой чистую разницу между выделяемым и рассеиваемым теплом, не должна превышать максимальную заданную температуру конденсатора.

Пульсации тока указываются как эффективное (RMS) значение при 100 или 120 Гц или 10 кГц при температуре высшей категории. Несинусоидальные пульсации тока необходимо анализировать и разделять на отдельные синусоидальные частоты посредством анализа Фурье и суммировать путем сложения одиночных токов в квадрате.

$I_{R}={\sqrt {{i_{1}}^{2}+{i_{2}}^{2}+{i_{3}}^{2}+{i_{n}}^{2}}}$

В нетвердых электролитических конденсаторах тепло, выделяемое пульсирующим током, вызывает испарение электролитов, сокращая срок службы конденсаторов. Превышение предела может привести к взрывному отказу.

В твердотельных танталовых электролитических конденсаторах с электролитом из диоксида марганца тепло, выделяемое пульсациями тока, влияет на надежность конденсаторов. Превышение предела может привести к катастрофическому отказу, короткому замыканию и видимому возгоранию.

Тепло, выделяемое пульсирующим током, также влияет на срок службы алюминиевых и танталовых электролитических конденсаторов с твердыми полимерными электролитами. Превышение предела имеет тенденцию приводить к катастрофическому отказу и короткому замыканию.

тока, пиковый или

Алюминиевые электролитические конденсаторы с нетвердыми электролитами обычно можно заряжать до номинального напряжения без каких-либо скачков тока, пиков или ограничений импульсов. Это свойство является результатом ограниченной подвижности ионов в жидком электролите, что замедляет рост напряжения на диэлектрике, а также ESR конденсатора. Только частота пиков, интегрированных во времени, не должна превышать максимально заданный пульсирующий ток.

Твердые танталовые электролитические конденсаторы с электролитом из диоксида марганца или полимерным электролитом повреждаются пиковыми или импульсными токами. Твердотельные танталовые конденсаторы, которые подвергаются импульсным, пиковым или импульсным токам, например, в цепях с высокой индуктивностью, следует использовать со снижением напряжения. Если возможно, профиль напряжения должен представлять собой плавное включение, поскольку это снижает пиковый ток, испытываемый конденсатором.

Ток утечки

Общие характеристики утечки электролитических конденсаторов: ток утечки $I_{leak}$ как функция времени $t$ для разных видов электролитов

  нетвердый, с высоким содержанием воды

  нетвердый, органический

  твердый, полимер

Для электролитических конденсаторов постоянный ток утечки (DCL) является особой характеристикой, которой нет у других обычных конденсаторов. Этот ток представлен _{утечкой} резистора R параллельно конденсатору в последовательной схеме замещения электролитических конденсаторов.

Причины тока утечки различны у электролитических конденсаторов с нетвердым и твердым электролитом или более характерны для «мокрого» алюминия и для «твердых» танталовых электролитических конденсаторов с электролитом из диоксида марганца, а также для электролитических конденсаторов с полимерным электролитом. Для нетвердых алюминиевых электролитических конденсаторов ток утечки включает в себя все ослабленные несовершенства диэлектрика, вызванные нежелательными химическими процессами, происходящими во время отсутствия приложенного напряжения (время хранения) между рабочими циклами. Эти нежелательные химические процессы зависят от типа электролита. Электролиты на водной основе более агрессивны к слою оксида алюминия, чем электролиты на основе органических жидкостей. Вот почему разные серии электролитических конденсаторов имеют разное время хранения без реформинга.

Подача положительного напряжения на «мокрый» конденсатор вызывает процесс реформирования (самовосстановления), который восстанавливает все ослабленные диэлектрические слои, при этом ток утечки остается на низком уровне.

Хотя ток утечки нетвердоэлектролитических конденсаторов превышает ток через диэлектрик в керамических или пленочных конденсаторах, саморазряд современных нетвердоэлектролитических конденсаторов с органическими электролитами занимает несколько недель.

К основным причинам ДКЛ твердотельных танталовых конденсаторов относятся электрический пробой диэлектрика; токопроводящие пути из-за примесей или плохого анодирования; и шунтирование диэлектрика из-за избытка диоксида марганца, путей проникновения влаги или катодных проводников (углерод, серебро). Этот «нормальный» ток утечки в твердоэлектролитных конденсаторах не может быть уменьшен путем «исцеления», поскольку в нормальных условиях твердые электролиты не могут обеспечивать кислород для процессов формования. Это утверждение не следует путать с процессом самовосстановления во время полевой кристаллизации, см. ниже «Надежность (частота отказов)».

Спецификация тока утечки в технических характеристиках часто приводится как произведение номинального значения емкости C _R на значение номинального напряжения U _R вместе с дополнительным значением, измеренное после времени измерения в две или пять минут, например:

$I_{\mathrm {Leak} }=0{,}01\,\mathrm {{A} \over {V\cdot F}} \cdot U_{\mathrm {R} }\cdot C_{\mathrm {R} }+3\,\mathrm {\mu A}$

Величина тока утечки зависит от приложенного напряжения, температуры конденсатора и времени измерения. Ток утечки в твердотельных танталовых электролитических конденсаторах MnO ₂ обычно падает гораздо быстрее, чем в нетвердых электролитических конденсаторах, но остается на достигнутом уровне.

Диэлектрическая абсорбция (пропитка)

Основная статья: Диэлектрическая абсорбция

Диэлектрическая абсорбция возникает, когда конденсатор, который оставался заряженным в течение длительного времени, разряжается лишь частично при кратковременном разряде. Хотя в идеальном конденсаторе после разряда напряжение достигает нуля вольт, реальные конденсаторы развивают небольшое напряжение в результате дипольной разрядки с задержкой по времени, явления, которое также называется диэлектрической релаксацией , «пропитыванием» или «действием батареи».

Значения диэлектрической абсорбции некоторых часто используемых конденсаторов

Тип конденсатора	Диэлектрическое поглощение
Танталовые электролитические конденсаторы с твердым электролитом	от 2 до 3%, 10%
Алюминиевый электролитический конденсатор с нетвердым электролитом	от 10 до 15%

Диэлектрическая абсорбция может стать проблемой в схемах, где в электронных схемах используются очень малые токи, например, с большой постоянной времени в интеграторах или в схемах выборки и хранения . В большинстве применений электролитических конденсаторов, поддерживающих линии электропитания, диэлектрическая абсорбция не является проблемой.

Но особенно для электролитических конденсаторов с высоким номинальным напряжением напряжение на клеммах, создаваемое диэлектрической абсорбцией, может представлять угрозу безопасности для персонала или цепей. Чтобы предотвратить удары током, большинство очень больших конденсаторов поставляются с закорачивающими проводами, которые необходимо удалить перед использованием конденсаторов.

Эксплуатационные характеристики

Надежность (частота отказов)

Кривая ванны с указанием времен «ранних отказов», «случайных отказов» и отказов из-за износа». Время случайных отказов представляет собой время постоянной интенсивности отказов и соответствует сроку службы нетвердых электронных колпачков.

Надежность . компонента – это свойство, которое показывает, насколько надежно этот компонент выполняет свою функцию в интервале времени Оно подвержено случайному процессу и может быть описано качественно и количественно; это не поддается прямому измерению. Надежность электролитических конденсаторов определяется эмпирическим путем путем определения интенсивности отказов в производстве, сопровождающих ресурсные испытания , см. Техника надежности .

Надежность обычно отображается в виде кривой ванны и делится на три области: ранние отказы или отказы, связанные с детской смертностью, постоянные случайные отказы и отказы из-за износа. Отказы, суммируемые в интенсивности отказов, включают короткое замыкание, обрыв цепи и отказы из-за деградации (превышение электрических параметров).

Прогноз надежности выражается в частоте отказов λ, сокращенно FIT ( Failures ) In Time обычно . Это количество отказов, которое можно ожидать в одном миллиарде (10 ⁹ ) количество часов работы компонентов (например, 1000 компонентов на 1 миллион часов или 1 миллион компонентов на 1000 часов, что составляет 1 ppm/1000 часов) при фиксированных условиях работы в период постоянных случайных отказов. Эта модель интенсивности отказов неявно предполагает идею «случайного отказа». Отдельные компоненты выходят из строя в случайное время, но с предсказуемой скоростью.

миллиарды Потребуются часов испытаний конденсаторов, чтобы установить интенсивность отказов в очень низком диапазоне уровней, которые необходимы сегодня для обеспечения производства больших количеств компонентов без сбоев. Для этого требуется около миллиона единиц в течение длительного периода времени, а это означает большой штат сотрудников и значительное финансирование. Протестированные показатели отказов часто дополняются цифрами, полученными на основе отзывов основных клиентов (процент отказов на местах), что в большинстве случаев приводит к более низкому проценту отказов, чем протестировано.

Обратное значение FIT — это среднее время наработки на отказ (MTBF).

Стандартные условия эксплуатации для испытаний FIT: 40 °C и 0,5 U _R . Для других условий приложенного напряжения, токовой нагрузки, температуры, значения емкости, сопротивления цепи (для танталовых конденсаторов), механических воздействий и влажности значение FIT может быть преобразовано с использованием коэффициентов ускорения, стандартизированных для промышленного применения. или военный приложения. Например, чем выше температура и приложенное напряжение, тем выше частота отказов.

Наиболее часто упоминаемым источником преобразования частоты отказов является MIL-HDBK-217F, «библия» расчета интенсивности отказов электронных компонентов. SQC Online, статистический онлайн-калькулятор для приемочного отбора проб и контроля качества, предоставляет онлайн-инструмент для краткого анализа и расчета заданных значений интенсивности отказов для заданных условий применения.

Некоторые производители могут иметь свои собственные таблицы расчета FIT для танталовых конденсаторов. или для алюминиевых конденсаторов

Для танталовых конденсаторов интенсивность отказов часто указывается при температуре 85 °C и номинальном напряжении UR _в качестве эталонных условий и выражается в процентах вышедших из строя компонентов на тысячу часов (n %/1000 ч). То есть «n» количество вышедших из строя компонентов на 10 ⁵ часов, или в FIT десятитысячнократная стоимость за 10 ⁹ часы.

Танталовые конденсаторы сейчас являются очень надежными компонентами. Постоянное совершенствование технологий изготовления танталовых порошков и конденсаторов привело к значительному снижению количества примесей, которые раньше вызывали большинство неудачной кристаллизации в полевых условиях. Коммерчески доступные танталовые конденсаторы промышленного производства теперь в качестве стандартных изделий достигли высокого уровня «C» стандарта MIL, который составляет 0,01%/1000 ч при 85 °C и U _R или 1 отказ на 10. ⁷ часов при 85 °C и _UR . Преобразованный в FIT с коэффициентами ускорения, полученными из MIL HDKB 217F при 40 °C и 0,5 , U _R представляет собой интенсивность отказов. Для танталового конденсатора емкостью 100 мкФ/25 В, используемого с последовательным сопротивлением 0,1 Ом, частота отказов составляет 0,02 FIT.

Для алюминиевых электролитических конденсаторов не используется спецификация в «% на 1000 ч при 85 °C и UR _» . Они используют спецификацию FIT с 40 °C и 0,5 U _R в качестве эталонных условий. Алюминиевые электролитические конденсаторы являются очень надежными компонентами. Опубликованные данные показывают, что для типов низкого напряжения (6,3…160 В) коэффициенты FIT находятся в диапазоне от 1 до 20 FIT. а для типов высокого напряжения (>160…550 В) коэффициенты FIT находятся в диапазоне от 20 до 200 FIT. Частота отказов алюминиевых электронных крышек находится в диапазоне от 0,5 до 20 FIT.

Опубликованные данные показывают, что конденсаторы как танталового, так и алюминиевого типа являются надежными компонентами, сравнимыми с другими электронными компонентами и обеспечивающими безопасную работу в течение десятилетий при нормальных условиях. Но существует большая разница в случае отказов из-за износа . Электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом имеют ограниченный период постоянных случайных отказов вплоть до момента, когда начинаются отказы из-за износа. Период постоянной случайной интенсивности отказов соответствует сроку службы или сроку службы «мокрых» алюминиевых электролитических конденсаторов.

Пожизненный

Электрические характеристики алюминиевых электролитических конденсаторов с нетвердым электролитом со временем изменяются, поскольку электролит испаряется. Достигнув заданных пределов электрических параметров, период постоянной интенсивности отказов заканчивается, что означает окончание срока службы конденсатора. График демонстрирует такое поведение при испытании на долговечность в течение 2000 часов при температуре 105 °C.

Срок службы , срок службы , срок службы под нагрузкой или срок службы электролитических конденсаторов — это особая характеристика нетвердых алюминиевых электролитических конденсаторов, жидкий электролит которых может со временем испаряться. Понижение уровня электролита влияет на электрические параметры конденсаторов. Емкость уменьшается, а импеданс и СОЭ увеличиваются с уменьшением количества электролита. Это очень медленное высыхание электролита зависит от температуры, приложенной пульсирующей токовой нагрузки и приложенного напряжения. Чем ниже эти параметры по сравнению с их максимальными значениями, тем дольше «жизнь» конденсатора. Точка «конца срока службы» определяется появлением отказов из-за износа или деградации, когда емкость, импеданс, ESR или ток утечки превышают указанные пределы изменения.

Срок службы — это характеристика набора протестированных конденсаторов, которая дает ожидаемое поведение аналогичных типов. Это определение срока службы соответствует времени постоянной случайной интенсивности отказов на кривой ванны.

Но даже после превышения указанных пределов и достижения «конца срока службы» конденсаторов электронная схема не находится в непосредственной опасности; снижается только функциональность конденсаторов. При сегодняшнем высоком уровне чистоты при производстве электролитических конденсаторов не следует ожидать, что после окончания срока службы возникнут короткие замыкания с прогрессирующим испарением в сочетании с ухудшением параметров.

Срок службы нетвердых алюминиевых электролитических конденсаторов указывается в «часах на температуру», например «2000 часов/105 °C». С помощью этой спецификации срок службы в рабочих условиях можно оценить по специальным формулам или графикам, указанным в данных. листы серьезных производителей используют разные способы спецификации, некоторые дают специальные формулы, другие уточняют расчет срока службы электронных колпачков с помощью графиков, учитывающих влияние приложенного напряжения. Основным принципом расчета времени в эксплуатационных условиях является так называемое «правило 10 градусов».

Это правило также известно как правило Аррениуса . Он характеризует изменение скорости термической реакции. На каждые 10°C понижения температуры испарение уменьшается вдвое. Это означает, что на каждые 10 °C снижения температуры срок службы конденсаторов удваивается. Если срок службы электролитического конденсатора составляет, например, 2000 часов при 105 °C, то срок службы конденсатора при 45 °C можно «рассчитать» как 128 000 часов, то есть примерно 15 лет, используя правило 10 градусов. .

Однако твердополимерные электролитические конденсаторы, а также алюминиевые, танталовые и ниобиевые электролитические конденсаторы также имеют срок службы. Полимерный электролит демонстрирует небольшое ухудшение проводимости, вызванное термической деградацией проводящего полимера. Электропроводность уменьшается в зависимости от времени, что соответствует зернистой структуре металлического типа, в которой старение происходит из-за сжатия зерен проводящего полимера. Срок службы полимерных электролитических конденсаторов определяется в терминах, аналогичных сроку службы нетвердых электролитических конденсаторов, но расчет срока службы следует другим правилам, что приводит к гораздо более длительному сроку службы.

Танталовые электролитические конденсаторы с твердым электролитом из диоксида марганца не подвержены износу, поэтому у них нет срока службы, как у нетвердых алюминиевых электролитических конденсаторов. Кроме того, танталовые конденсаторы с нетвердым электролитом, «мокрые танталы», не имеют срока службы, поскольку они герметично закрыты.

механизм самовосстановления и правила применения

Многие различные типы электролитических конденсаторов демонстрируют различное электрическое долговременное поведение, характерные виды отказов и механизмы самовосстановления. Указаны правила применения типов с собственным режимом отказа, обеспечивающие высокую надежность и длительный срок службы конденсаторов.

Долговременное электрическое поведение, виды отказов, механизм самовосстановления и правила применения различных типов электролитических конденсаторов.

Тип электролитические конденсаторы	Долгосрочный электрическое поведение	Режимы отказа	Самоисцеление механизм	Приложение правила
алюминиевые электролитические конденсаторы, нетвердый электролит	Высыхая со временем, емкость уменьшается, СОЭ увеличивается	нет уникального определимый	Новообразованный оксид (формирующийся) путем подачи напряжения	Продолжительность жизни расчет
алюминиевые электролитические конденсаторы, твердый полимерный электролит	Ухудшение проводимости, СОЭ увеличивается	нет уникального определимый	Изоляция неисправностей в диэлектрике путем окисления или испарения полимерного электролита	Продолжительность жизни расчет
Танталовые электролитические конденсаторы, MnO 2 твердый электролит	Стабильный	Полевая кристаллизация	Термически индуцированная изоляция дефектов диэлектрика путем окисления электролита MnO 2 в изолирующий MnO 2 O 3 если текущая доступность ограничена	Снижение напряжения на 50 % Последовательное сопротивление 3 Ом/В
Танталовые электролитические конденсаторы, твердый полимерный электролит	Ухудшение проводимости, СОЭ увеличивается	Полевая кристаллизация	Изоляция неисправностей в диэлектрике путем окисления или испарения полимерного электролита	Снижение напряжения 20 %
Ниобиевые электролитические конденсаторы, MnO 2 твердый электролит	Стабильный	нет уникального определимый	Термоиндуцированная изоляция неисправностей в диэлектрике окислением Nb 2 O 5 в изолирующий NbO 2	Ниобиевый анод: снижение напряжения на 50 % Анод из оксида ниобия: снижение напряжения на 20 %
Ниобиевые электролитические конденсаторы, твердый полимерный электролит	Ухудшение проводимости, СОЭ увеличивается	нет уникального определимый	Изоляция неисправностей в диэлектрике путем окисления или испарения полимерного электролита	Ниобиевый анод: снижение напряжения на 50 % Анод из оксида ниобия: снижение напряжения на 20 %
Гибридные алюминиевые электролитические конденсаторы, твердый полимер + нетвердый электролит	Ухудшение проводимости, высыхает со временем, емкость уменьшается, СОЭ увеличивается	нет уникального определимый	Новообразованный оксид (формирующийся) путем подачи напряжения	Продолжительность жизни расчет

Производительность после хранения

Все электролитические конденсаторы «стареют» во время производства путем подачи номинального напряжения при высокой температуре в течение достаточного времени для устранения всех трещин и дефектов, которые могли возникнуть во время производства. Однако особая проблема с моделями из нетвердого алюминия может возникнуть после хранения или отсутствия питания. Химические процессы (коррозия) могут ослабить оксидный слой, что может привести к увеличению тока утечки. Большинство современных электролитических систем химически инертны и не вызывают проблем с коррозией даже после хранения в течение двух и более лет. Конденсаторы с нетвердым электролитом, в которых в качестве электролита используются органические растворители, такие как ГБЛ , не имеют проблем с высоким током утечки после длительного хранения. Они могут храниться до 10 лет без проблем.

Время хранения можно проверить с помощью ускоренного тестирования срока годности, которое требует хранения без приложенного напряжения при температуре высшей категории в течение определенного периода, обычно 1000 часов. Этот тест на срок годности является хорошим показателем химической стабильности и оксидного слоя, поскольку все химические реакции ускоряются при более высоких температурах. Почти все коммерческие серии нетвердотельных электролитических конденсаторов выдерживают испытание на срок годности 1000 часов. Однако многие серии рассчитаны только на два года хранения. Это также обеспечивает возможность пайки клемм.

Для старинного радиооборудования или электролитических конденсаторов, изготовленных в 1970-х годах или ранее, может оказаться целесообразным «предварительная подготовка». Это осуществляется путем подачи номинального напряжения на конденсатор через последовательный резистор сопротивлением примерно 1 кОм в течение одного часа, что позволяет оксидному слою восстановиться путем самовосстановления. Конденсаторы, которые не соответствуют требованиям по току утечки после предварительной подготовки, могут быть механически повреждены.

Электролитические конденсаторы с твердыми электролитами не требуют предварительной подготовки.

Дополнительная информация

Символы конденсаторов

Символы электролитических конденсаторов

• 
  Электролитический конденсатор
• 
  Электролитический конденсатор
• 
  Электролитический конденсатор
• 
  Биполярный электролитический конденсатор

Параллельное соединение

Если в отдельном конденсаторе в группе параллельных конденсаторов возникает короткое замыкание, вся энергия батареи конденсаторов разряжается через это короткое замыкание. Таким образом, большие конденсаторы, особенно высоковольтные, должны быть индивидуально защищены от внезапного разряда.

Последовательное соединение

В приложениях, где необходимы высокие выдерживаемые напряжения, электролитические конденсаторы можно подключать последовательно. Из-за индивидуальных изменений сопротивления изоляции и, следовательно, тока утечки при подаче напряжения напряжение не распределяется равномерно по каждому последовательному конденсатору. Это может привести к превышению номинального напряжения отдельного конденсатора. Должна быть предусмотрена пассивная или активная балансирующая схема для выравнивания напряжения на каждом отдельном конденсаторе.

Маркировка полярности

• Маркировка полярности алюминиевых электролитических конденсаторов
• 
  Электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом имеют маркировку полярности со стороны катода ( минус ), с более коротким выводом.
• 
  Электролитические конденсаторы с твердым электролитом имеют маркировку полярности со стороны анода ( плюс ), за исключением цилиндрических с выводами (несимметричных) и полимерных конденсаторов SMD.

Маркировка полярности полимерных электролитических конденсаторов

Конденсаторы полимерные прямоугольные, тантал, а также алюминий, есть маркировка полярности на анодной ( плюсовой ) стороне	Цилиндрические полимерные конденсаторы есть маркировка полярности на катодной ( минусовой ) стороне

Отпечатанная маркировка

Электролитические конденсаторы, как и большинство других электронных компонентов, маркируются, если позволяет место, знаком

• название или торговая марка производителя;
• обозначение типа производителя;
• полярность выводов (для поляризованных конденсаторов)
• номинальная емкость;
• допуск на номинальную емкость
• номинальное напряжение и тип питания (переменный или постоянный ток)
• климатическая категория или номинальная температура;
• год и месяц (или неделя) изготовления;
• сертификационные знаки стандартов безопасности (для конденсаторов подавления электромагнитных и радиочастотных помех)

Конденсаторы меньшего размера используют сокращенное обозначение. Наиболее часто используемый формат: XYZ J/K/M «V», где XYZ представляет емкость (рассчитывается как XY × 10). ^С пФ), буквы К или М обозначают допуск (±10% и ±20% соответственно), а «V» обозначает рабочее напряжение.

Примеры:

• 105К 330В подразумевает емкость 10×10 ⁵ пФ = 1 мкФ (К = ±10%) при номинальном напряжении 330 В.
• 476М 100В подразумевает емкость 47×10 ⁶ пФ = 47 мкФ (М = ±20 %) при номинальном напряжении 100 В.

Емкость, допуск и дата изготовления могут быть указаны кратким кодом, указанным в IEC/EN 60062. Примеры сокращенной маркировки номинальной емкости (микрофарады): µ47 = 0,47 мкФ, 4μ7 = 4,7 мкФ, 47μ = 47 мкФ

Дата изготовления часто печатается в соответствии с международными стандартами.

• Версия 1: кодирование цифровым кодом года/недели, «1208» означает «2012 год, номер недели 8».
• Версия 2: кодирование кодом года/кодом месяца. Коды года: «R» = 2003, «S» = 2004, «T» = 2005, «U» = 2006, «V» = 2007, «W» = 2008, «X» = 2009, «А». = 2010, «B» = 2011, «C» = 2012, «D» = 2013, «E» = 2014 и т. д. Коды месяцев: от «1» до «9» = с января по сентябрь, «O» = Октябрь, «Н» = ноябрь, «Д» = декабрь. «Х5» тогда — «2009, май».

Для очень маленьких конденсаторов маркировка невозможна. Здесь только прослеживаемость производителей может обеспечить идентификацию типа.

Стандартизация

Стандартизация всех электрических , электронных компонентов и связанных с ними технологий осуществляется в соответствии с правилами Международной электротехнической комиссии (МЭК). некоммерческая организация неправительственная по международным стандартам .

Определение характеристик и порядок проведения методов испытаний конденсаторов , применяемых в электронной аппаратуре, изложены в Типовой спецификации :

• IEC/EN 60384-1 – Конденсаторы постоянной емкости для использования в электронном оборудовании.

Испытания и требования, которым должны соответствовать алюминиевые и танталовые электролитические конденсаторы для использования в электронном оборудовании для утверждения в качестве стандартизированных типов, изложены в следующих разделах технических характеристик :

• IEC/EN 60384-3 — Танталовые электролитические конденсаторы фиксированной конструкции для поверхностного монтажа с твердым электролитом из диоксида марганца.
• IEC/EN 60384-4 — Конденсаторы алюминиевые электролитические с твердым (MnO ₂ ) и нетвердым электролитом.
• IEC/EN 60384-15 — Танталовые конденсаторы фиксированной конструкции с нетвердым и твердым электролитом.
• IEC/EN 60384-18 — Фиксированные алюминиевые электролитические конденсаторы для поверхностного монтажа с твердым (MnO ₂ ) и нетвердым электролитом.
• IEC/EN 60384-24 — Танталовые электролитические конденсаторы фиксированной конструкции для поверхностного монтажа с проводящим полимерным твердым электролитом.
• IEC/EN 60384-25 — Фиксированные алюминиевые электролитические конденсаторы для поверхностного монтажа с проводящим полимерным твердым электролитом.
• IEC/EN 60384-26 — Фиксированные алюминиевые электролитические конденсаторы с проводящим полимерным твердым электролитом.

Рынок

Рынок электролитических конденсаторов в 2008 году составлял примерно 30% от общего объема рынка в стоимостном выражении.

• алюминиевые электролитические конденсаторы — 3,9 млрд долларов США (22%);
• Танталовые электролитические конденсаторы — 2,2 миллиарда долларов США (12%);

По количеству штук эти конденсаторы занимают около 10% от общего рынка конденсаторов, или от 100 до 120 миллиардов штук.

Производители и продукция

Действующие во всем мире производители и их программа производства электролитических конденсаторов

Производитель	алюминий электролитические конденсаторы				Тантал электролитические конденсаторы			Ниобий электролитический конденсаторы
	СМД Радиальный	Власть СИ, СТ	Полимер СМД Радиальный	Полимер Гибридный	СМД МnО 2	СМД Полимер	Влажный электролит	СМД МnО 2 Полимер
AVX	-	-	-	-	Х	Х	Х	Х
КапХон	Х	Х	Х	Х	-	-	-	-
CDE Корнелл Дубилье	Х	Х	Х	Х	Х	Х	-	-
Конденсаторная промышленность	-	Х	-	-	-	-	-	-
Чинсан, (Элита)	Х	Х	Х	-	-	-	-	-
Daewoo, (Partsnic). Архивировано 12 июня 2018 г. в Wayback Machine.	Х	Х	-	-	-	-	-	-
Элна. Архивировано 14 марта 2015 г. в Wayback Machine.	Х	Х	Х	-	-	-	-	-
Группа Экселия	-	Х	-	-	Х	Х	-	-
Фролит	Х	Х	-	-	-	-	-	-
Хитачи	-	Х	-	-	-	-	-	-
Цыган	Х	Х	Х	-	Х	-	-	-
Ителконд	-	Х	-	-	-	-	-	-
Джеккон	Х	Х	-	-	-	-	-	-
Цзянхай	Х	Х	Х	Х	-	-	-	-
Kaimei Electronic Corp, (Джамикон)	Х	Х	-	-	-	-	-	-
KEMET. Архивировано 12 декабря 2013 г. в Wayback Machine.	Х	Х	Х	-	Х	Х	Х	-
Урок	Х	Х	Х	-	-	-	-	-
МАН ЮЭ, (Самсон)	Х	Х	-	-	-	-	-	-
НЭК Токин	-	-	-	-	Х	-	Х	-
Ниппон Кеми-Кон	Х	Х	Х	Х	-	-	-	-
Сетевая карта. Архивировано 7 февраля 2016 г. в Wayback Machine.	Х	Х	Х	Х	Х	-	Х	-
Nichicon. Архивировано 12 июня 2018 г. в Wayback Machine.	Х	Х	Х	-	-	-	-	-
Панасоник, Мацусита	Х	Х	Х	Х	-	-	Х	-
Ричи	Х	Х	-	-	-	-	-	-
РОМ	-	-	-	-	Х	-	Х	-
Рубикон	Х	Х	Х	-	-	-	-	-
Самва	Х	Х	Х	-	-	-	-	-
САН Электронная промышленность	Х	-	-	Х	-	-	-	-
ТДК ЭПКОС	Х	Х	-	-	-	-	-	-
Teapo (Люксон). Архивировано 4 марта 2016 г. в Wayback Machine.	Х	Х	Х	-	-	-	-	-
Вишай	Х	Х	Х	-	Х	Х	Х	Х
Ягео	Х	Х	Х	-	-	-	-	-

Дата составления таблицы: март 2015 г.

См. также

• E-серия предпочтительных номеров
• Список производителей конденсаторов
• Типы конденсаторов

Дальнейшее чтение

• Электролитический конденсатор ; 1-е изд; Александр Георгиев; Книги Мюррея Хилла; 191 страница; 1945 г. (архив)