Elektrolytisk kondensator - Electrolytic capacitor

Mest vanlige stiler av aluminium og tantal elektrolytiske kondensatorer

Et utvalg av elektrolytiske kondensatorer

En elektrolytisk kondensator er en polarisert kondensator hvis anode eller positive plate er laget av et metall som danner et isolerende oksidlag gjennom anodisering . Dette oksidlaget fungerer som kondensatorens dielektrikum . Et fast stoff, en væske eller en gel elektrolytt dekker overflaten av dette oksydlag, som tjener som katode eller negative plate av kondensatoren. På grunn av deres meget tynt dielektrisk oksydlag og forstørret anodeoverflate, elektrolyttkondensatorer har en mye høyere kapasitans - spenning (CV) produkt per volumenhet enn keramiske kondensatorer eller film kondensatorer , og kan derfor ha store kapasitansverdier. Det er tre familier av elektrolytisk kondensator: aluminium elektrolytiske kondensatorer , tantal elektrolytiske kondensatorer og niob elektrolytiske kondensatorer .

Den store kapasitansen til elektrolytiske kondensatorer gjør dem spesielt egnet for å passere eller omgå lavfrekvente signaler og for å lagre store mengder energi. De er mye brukt for frakobling eller støyfiltrering i strømforsyninger og DC-koblingskretser for variabel frekvens stasjoner , for å koble signaler mellom forsterkertrinn, og lagring av energi som i en blinklampe .

Elektrolytiske kondensatorer er polariserte komponenter på grunn av deres asymmetriske konstruksjon og må til enhver tid drives med en høyere spenning (dvs. mer positiv) på anoden enn på katoden. Av denne grunn er polariteten merket på enhetshuset. Bruk av omvendt polaritetsspenning, eller en spenning som overskrider maksimal nominell arbeidsspenning på så lite som 1 eller 1,5 volt, kan ødelegge dielektrikumet og dermed kondensatoren. Svikt i elektrolytiske kondensatorer kan være farlig og resultere i en eksplosjon eller brann. Bipolare elektrolytiske kondensatorer som kan drives med enten polaritet er også laget ved bruk av spesielle konstruksjoner med to anoder som er koblet i serie. En bipolar elektrolytisk kondensator kan også lages ved å koble to normale elektrolytiske kondensatorer i serie, anode til anode eller katode til katode.

Generell informasjon

Elektrolytiske kondensatorer slektstreet

Når det gjelder de grunnleggende konstruksjonsprinsippene for elektrolytiske kondensatorer, er det tre forskjellige typer: aluminium-, tantal- og niobkondensatorer. Hver av disse tre kondensatorfamiliene bruker ikke-faste og faste mangandioksid eller faste polymerelektrolytter, så en stor spredning av forskjellige kombinasjoner av anodemateriale og faste eller ikke-faste elektrolytter er tilgjengelig.

Avhengig av arten av anodemetallet som brukes og elektrolytten som brukes, finnes det et stort utvalg av elektrolytiske kondensatorer

Ladeprinsipp

Som andre konvensjonelle kondensatorer lagrer elektrolytiske kondensatorer elektrisk energi statisk ved ladningsseparasjon i et elektrisk felt i det dielektriske oksydlaget mellom to elektroder . Den ikke-faste eller faste elektrolytten er i prinsippet katoden, som dermed danner kondensatorens andre elektrode. Dette og lagringsprinsippet skiller dem fra elektrokjemiske kondensatorer eller superkapasitorer , der elektrolytten generelt er den ioniske ledende forbindelsen mellom to elektroder og lagringen skjer med statisk dobbeltlags kapasitans og elektrokjemisk pseudokapasitans .

Grunnleggende materialer og konstruksjon

Grunnleggende prinsipp for anodisk oksidasjon (forming), der ved å påføre en spenning med en strømkilde, dannes et oksidlag på en metallisk anode

Elektrolytiske kondensatorer bruker et kjemisk trekk ved noen spesielle metaller, tidligere kalt "ventilmetaller", som ved kontakt med en bestemt elektrolytt danner et veldig tynt isolerende oksidlag på overflaten ved anodisk oksidasjon som kan fungere som et dielektrikum. Det er tre forskjellige anodemetaller i bruk for elektrolytiske kondensatorer:

1. Elektrolytkondensatorer i aluminium bruker etset aluminiumsfolie av høy renhet med aluminiumoksid som dielektrisk
2. Tantalelektrolytkondensatorer bruker en sintret pellet ("slug") av tantalpulver med høy renhet med tantalpentoksid som dielektrisk
3. Niob-elektrolytiske kondensatorer bruker en sintret "slug" av niob- eller nioboksidpulver med høy renhet med niob-pentoksid som dielektrikum.

For å øke kapasitansen per volumenhet, er alle anodematerialer enten etset eller sintret og har en grov overflatestruktur med et mye høyere overflateareal sammenlignet med en glatt overflate av det samme området eller det samme volumet. Ved å påføre en positiv spenning til det ovennevnte anodematerialet i et elektrolytisk bad vil det dannes et oksydbarrieresjikt med en tykkelse som tilsvarer den påførte spenningen (formasjon). Dette oksidlaget fungerer som dielektrisk i en elektrolytisk kondensator. Egenskapene til disse oksydlagene er gitt i tabellen nedenfor:

Etter å ha dannet et dielektrisk oksid på den grove anodestrukturen, må en motelektrode matche den grove isolerende oksydoverflaten. Dette oppnås av elektrolytten, som fungerer som katodeelektroden til en elektrolytisk kondensator. Det er mange forskjellige elektrolytter i bruk. Vanligvis skilles de i to arter, "ikke-faste" og "faste" elektrolytter. Som et flytende medium som har ione- ledningsevne forårsaket av bevegelige ioner, kan ikke-faste elektrolytter lett passe de grove strukturer. Faste elektrolytter som har elektronledningsevne kan passe til de grove strukturene ved hjelp av spesielle kjemiske prosesser som pyrolyse for mangandioksid eller polymerisering for ledning av polymerer .

Ved å sammenligne permittivitetene til de forskjellige oksydmaterialene ser man at tantalpentoksid har en permittivitet omtrent tre ganger høyere enn aluminiumoksyd. Tantalelektrolytkondensatorer med en gitt CV -verdi teoretisk sett er derfor mindre enn elektrolytiske kondensatorer i aluminium. I praksis gjør forskjellige sikkerhetsmarginer for å nå pålitelige komponenter vanskelig å sammenligne.

Det anodisk genererte isolasjonsoksidlaget ødelegges hvis polariteten til den påførte spenningen endres.

Kapasitans og volumetrisk effektivitet

Et dielektrisk materiale plasseres mellom to ledende plater (elektroder), hver av område A og med separasjon d .

Elektrolytiske kondensatorer er basert på prinsippet om en "platekondensator" hvis kapasitans øker med større elektrodeområde A, høyere dielektrisk permittivitet ε og tynnere dielektrikum (d).

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

Den dielektriske tykkelsen til elektrolytiske kondensatorer er veldig liten, i området nanometer per volt. På den annen side er spenningsstyrkene til disse oksydlagene ganske høye. Med dette meget tynne dielektriske oksidlaget kombinert med tilstrekkelig høy dielektrisk styrke kan de elektrolytiske kondensatorene oppnå en høy volumetrisk kapasitans. Dette er en grunn til de høye kapasitansverdiene til elektrolytiske kondensatorer sammenlignet med konvensjonelle kondensatorer.

Alle etsede eller sintrede anoder har et mye høyere overflateareal sammenlignet med en glatt overflate av samme område eller samme volum. Det øker kapasitansverdien, avhengig av nominell spenning, med en faktor på opptil 200 for ikke-solide aluminiumelektrolytkondensatorer så vel som for solide tantalelektrolytkondensatorer. Den store overflaten sammenlignet med en glatt overflate er den andre årsaken til de relativt høye kapasitansverdiene til elektrolytiske kondensatorer sammenlignet med andre kondensatorfamilier.

Fordi formspenningen definerer tykkelsen på oksydlaget, kan den ønskede spenningsvurderingen produseres veldig enkelt. Elektrolytiske kondensatorer har høy volumetrisk effektivitet , det såkalte "CV-produktet", definert som produktet av kapasitans og spenning delt på volum.

Grunnleggende konstruksjon av ikke-solide aluminium elektrolytiske kondensatorer

• Grunnleggende konstruksjon av en ikke-solid aluminium elektrolytisk kondensator
• 

  Åpnet vikling av en elektrolytisk kondensator med flere tilkoblede folier

• 

  Nærbildet tverrsnitt av en aluminiumelektrolytisk kondensatordesign, som viser kondensatoranodefolie med oksidlag, papiravstandsholder gjennomvåt med elektrolytt og katodefolie

• 

  Konstruksjon av en typisk elektrolytisk kondensator i aluminium med ikke-solid elektrolytt

Grunnleggende konstruksjon av solide tantalelektrolytkondensatorer

• Konstruksjon av en solid tantalflisekondensator med mangandioksidelektrolytt
• 

  Kondensatorcellen til en tantalelektrolytisk kondensator består av sintret tantalpulver

• 

  Skjematisk fremstilling av strukturen til en sintret tantalelektrolytkondensator med fast elektrolytt og de katodekontaktende lag

• 

  Konstruksjon av en typisk SMD tantal elektrolytisk chip kondensator med solid elektrolytt

Typer og funksjoner for elektrolytiske kondensatorer

Sammenligning av typer elektrolytiske kondensatorer

Kombinasjoner av anodematerialer for elektrolytiske kondensatorer og elektrolyttene som er brukt, har gitt opphav til mange forskjellige typer kondensatorer med forskjellige egenskaper. En oversikt over hovedtrekkene til de forskjellige typene er vist i tabellen nedenfor.

De ikke-solide eller såkalte "våte" aluminiumelektrolytkondensatorene var og er de billigste blant alle andre konvensjonelle kondensatorer. De gir ikke bare de billigste løsningene for høye kapasitans- eller spenningsverdier for frakobling og buffering, men er også ufølsomme for lav ohmsk lading og utladning samt for lavenergitransienter. Ikke-solide elektrolytiske kondensatorer finnes i nesten alle områder av elektroniske enheter, med unntak av militære applikasjoner.

Tantalelektrolytkondensatorer med solid elektrolytt som overflatemonterbare brikkondensatorer brukes hovedsakelig i elektroniske enheter der det er lite plass eller en lav profil er nødvendig. De fungerer pålitelig over et bredt temperaturområde uten store parameteravvik. I militære og romlige applikasjoner har bare tantalelektrolytkondensatorer de nødvendige godkjenningene.

Niob elektrolytiske kondensatorer er i direkte konkurranse med industrielle tantal elektrolytiske kondensatorer fordi niob er lettere tilgjengelig. Egenskapene deres er sammenlignbare.

De elektriske egenskapene til aluminium-, tantal- og niobium -elektrolytkondensatorer har blitt kraftig forbedret av polymerelektrolytten.

Sammenligning av elektriske parametere

For å sammenligne de forskjellige egenskapene til de forskjellige elektrolytiske kondensatortypene, sammenlignes kondensatorer med samme dimensjoner og lignende kapasitans og spenning i tabellen nedenfor. I en slik sammenligning er verdiene for ESR og ringstrømbelastning de viktigste parameterne for bruk av elektrolytiske kondensatorer i moderne elektronisk utstyr. Jo lavere ESR, jo høyere krusningsstrøm per volum og bedre funksjonalitet for kondensatoren i kretsen. Imidlertid kommer bedre elektriske parametere med høyere priser.

¹ ) Produsent, serienavn, kapasitans/spenning

² ) beregnet for en kondensator 100 µF/10 V,

³ ) fra et datablad fra 1976

Stiler av aluminium og tantal elektrolytiske kondensatorer

Elektrolytkondensatorer i aluminium utgjør hoveddelen av de elektrolytiske kondensatorene som brukes i elektronikk på grunn av det store mangfoldet av størrelser og den rimelige produksjonen. Tantalelektrolytkondensatorer, vanligvis brukt i SMD -versjonen, har en høyere spesifikk kapasitans enn aluminiumelektrolytkondensatorene og brukes i enheter med begrenset plass eller flat design som bærbare datamaskiner. De brukes også i militær teknologi, for det meste i aksial stil, hermetisk forseglet. Niob -elektrolytiske chip -kondensatorer er en ny utvikling på markedet og er ment som en erstatning for tantal -elektrolytiske chip -kondensatorer.

• Ulike stiler av aluminium elektrolytiske kondensatorer
• 

  Aluminium elektrolytiske SMD "V" (vertikale) chip kondensatorer

• 

  Elektrolytiske kondensatorer i aluminium i aksial stil

• 

  Radiale eller single-end aluminium elektrolytiske kondensatorer

• 

  Elektrolytisk kondensator i aluminium med "snap-in" terminaler

• 

  Elektrolytkondensatorer i aluminium med skrueterminaler

• Ulike stiler av tantalelektrolytkondensatorer
• 

  Typisk tantal -SMD -kondensator

• 

  Dyppet lakkert tantal "perle" kondensatorer

• 

  Elektrolytiske kondensatorer i aksial stil

Historie

Tidlig liten elektrolytisk kondensator fra 1914. Den hadde en kapasitans på rundt 2 mikrofarader.

Utsikt over anoden til en "våt" aluminium elektrolytisk kondensator, Bell System Technique 1929

Opprinnelse

Fenomenet som i en elektrokjemisk prosess kan aluminium og slike metaller som tantal , niob , mangan , titan , sink , kadmium , etc., danne et oksidlag som hindrer en elektrisk strøm i å strømme i en retning, men som lar strøm strømme inn motsatt retning, ble først observert i 1857 av den tyske fysikeren og kjemikeren Johann Heinrich Buff (1805–1878). Det ble først tatt i bruk i 1875 av den franske forskeren og grunnleggeren Eugène Ducretet , som laget begrepet "ventilmetall" for slike metaller.

Charles Pollak (født Karol Pollak ), en produsent av akkumulatorer, fant ut at oksidlaget på en aluminiumanode forble stabilt i en nøytral eller alkalisk elektrolytt, selv når strømmen ble slått av. I 1896 inngav han patent på en "Elektrisk væskekondensator med aluminiumelektroder" (de: Elektrischer Flüssigkeitskondensator mit Aluminiumelektroden ) basert på hans idé om å bruke oksidlaget i en polarisert kondensator i kombinasjon med en nøytral eller lett alkalisk elektrolytt.

"Våt" aluminiumskondensator

Ulike former for historiske anodestrukturer for våte kondensatorer. For alle disse anodene fungerte den ytre metallbeholderen som katoden

De første industrielt realiserte elektrolytiske kondensatorene besto av en metallboks som ble brukt som katode. Den ble fylt med en borakselektrolytt oppløst i vann, der en brettet aluminiumsanodeplate ble satt inn. Ved å påføre en likestrømsspenning utenfra, ble det dannet et oksydlag på overflaten av anoden. Fordelen med disse kondensatorene var at de var betydelig mindre og billigere enn alle andre kondensatorer på dette tidspunktet i forhold til den realiserte kapasitansverdien. Denne konstruksjonen med forskjellige stiler av anodekonstruksjon, men med et etui som katode og beholder for elektrolytten ble brukt frem til 1930 -årene og ble kalt en "våt" elektrolytisk kondensator, i den forstand at den hadde et høyt vanninnhold.

Den første mer vanlige anvendelsen av våte elektrolytiske kondensatorer i aluminium var i store telefoncentraler for å redusere relé -hash (støy) på 48 volt likestrømforsyning. Utviklingen av AC-drevne innenlandske radiomottakere på slutten av 1920-tallet skapte et behov for stor kapasitans (for tiden) og høyspenningskondensatorer for ventilforsterkerteknikken , vanligvis minst 4 mikrofarader og vurdert til rundt 500 volt DC. Vokst papir og oljet silkefilmkondensatorer var tilgjengelig, men enheter med den rekkefølgen for kapasitans og spenningsvurdering var omfangsrike og uoverkommelig dyre.

"Tørr" aluminiumskondensator

En "tørr" elektrolytkondensator med 100 µF og 150 V

Den stamfar til moderne elektrolytisk kondensator ble patentert av Samuel Ruben i 1925, som sammen med Philip Mallory , grunnleggeren av batteriet selskapet som nå er kjent som Duracell International . Rubens idé vedtok den stablede konstruksjonen av en sølvglimmer kondensator . Han introduserte en separat separat folie for å komme i kontakt med elektrolytten ved siden av anodefolien i stedet for å bruke den elektrolyttfylte beholderen som kondensatorens katode. Den stablede andre folien fikk sin egen terminal i tillegg til anodeterminalen, og beholderen hadde ikke lenger en elektrisk funksjon. Denne typen elektrolytisk kondensator kombinert med en væske eller gel-lignende elektrolytt av ikke-vandig natur, som derfor er tørr i betydningen å ha et veldig lavt vanninnhold, ble kjent som den "tørre" typen elektrolytkondensator.

Med Rubens oppfinnelse, sammen med oppfinnelsen av sårfolier separert med et papiravstandsstykke 1927 av A. Eckel fra Hydra-Werke (Tyskland), begynte den faktiske utviklingen av elektrolytiske kondensatorer.

William Dubilier , hvis første patent på elektrolytiske kondensatorer ble arkivert i 1928, industrialiserte de nye ideene for elektrolytiske kondensatorer og startet den første store kommersielle produksjonen i 1931 i Cornell-Dubilier (CD) -fabrikken i Plainfield, New Jersey. På samme tid i Berlin, Tyskland , startet "Hydra-Werke", et AEG- selskap, produksjonen av elektrolytiske kondensatorer i store mengder. En annen produsent, Ralph D. Mershon , hadde suksess med å betjene radiomarkedets etterspørsel etter elektrolytiske kondensatorer.

Miniatyrisering av aluminium elektrolytiske kondensatorer fra 1960 til 2005 i 10x16 mm opp til faktor ti

I sitt patent fra 1896 erkjente Pollak allerede at kondensatorens kapasitans øker når overflaten av anodefolien rues. I dag (2014) kan elektrokjemisk etsede lavspenningsfolier oppnå en opptil 200 ganger økning i overflateareal sammenlignet med en glatt overflate. Fremskritt i etsningsprosessen er årsaken til dimensjonsreduksjonene i elektrolytiske kondensatorer i aluminium de siste tiårene.

For elektrolytiske kondensatorer i aluminium var tiårene fra 1970 til 1990 preget av utviklingen av forskjellige nye profesjonelle serier som er spesielt egnet for visse industrielle applikasjoner, for eksempel med svært lave lekkasjestrømmer eller lang levetid, eller ved høyere temperaturer opp til 125 ° C.

Tantal kondensatorer

En av de første tantalelektrolytkondensatorene ble utviklet i 1930 av Tansitor Electronic Inc. USA, for militære formål. Den grunnleggende konstruksjonen av en sårcelle ble vedtatt, og en tantalanodefolie ble brukt sammen med en tantalkatodefolie, separert med et papiravstandsstykke impregnert med en flytende elektrolytt, for det meste svovelsyre, og innkapslet i en sølvkasse.

Den relevante utviklingen av solide elektrolytt-tantalkondensatorer begynte noen år etter at William Shockley , John Bardeen og Walter Houser Brattain oppfant transistoren i 1947. Den ble oppfunnet av Bell Laboratories på begynnelsen av 1950-tallet som en miniatyrisert, mer pålitelig lavspenningskondensator for å komplementere deres nyoppfunnede transistor. Løsningen funnet av RL Taylor og HE Haring ved Bell Labs tidlig i 1950 var basert på erfaring med keramikk. De malte tantal til et pulver, som de presset til en sylindrisk form og deretter sintret ved en høy temperatur mellom 1500 og 2000 ° C under vakuumforhold, for å produsere en pellet ("slug").

Disse første sintrede tantalkondensatorene brukte en ikke-fast elektrolytt, som ikke passer til konseptet solid elektronikk. I 1952 førte et målrettet søk på Bell Labs av DA McLean og FS Power etter en fast elektrolytt til oppfinnelsen av mangandioksid som en fast elektrolytt for en sintret tantalkondensator.

Selv om grunnleggende oppfinnelser kom fra Bell Labs, kom oppfinnelsene for produksjon av kommersielt levedyktige tantalelektrolytkondensatorer fra forskere ved Sprague Electric Company . Preston Robinson , Spragues forskningsdirektør, regnes som den faktiske oppfinneren av tantalkondensatorer i 1954. Hans oppfinnelse ble støttet av RJ Millard, som introduserte "reform" -trinnet i 1955, en betydelig forbedring der kondensatorens dielektrikum var reparert etter hver dip-and-convert syklus av MnO _2- deponering, noe som dramatisk reduserte lekkasjestrømmen til de ferdige kondensatorene.

Selv om solide tantalkondensatorer tilbød kondensatorer med lavere ESR- og lekkasjestrømverdier enn aluminiumelektrolytkondensatorene, reduserte et prisstøt for tantal i 1980 dramatisk anvendelsene av tantalelektrolytkondensatorer, spesielt i underholdningsindustrien. Industrien gikk tilbake til å bruke elektrolytiske kondensatorer av aluminium.

Solide elektrolytter

Ledningsevne for ikke-faste og faste elektrolytter

Den første faste elektrolytten av mangandioksid utviklet 1952 for tantalkondensatorer hadde en ledningsevne 10 ganger bedre enn alle andre typer ikke-faste elektrolytter. Det påvirket også utviklingen av aluminium elektrolytiske kondensatorer. I 1964 kom de første aluminiumelektrolytkondensatorene med solid elektrolytt SAL -elektrolytkondensator på markedet, utviklet av Philips .

Med begynnelsen av digitaliseringen lanserte Intel sin første mikrodatamaskin, MCS 4, i 1971. I 1972 lanserte Hewlett Packard en av de første lommekalkulatorene, HP 35. Kravene til kondensatorer økte når det gjelder å senke den tilsvarende seriemotstanden (ESR ) for bypass- og frakoblingskondensatorer.

Det var ikke før i 1983 da et nytt skritt mot ESR-reduksjon ble tatt av Sanyo med sine " OS-CON " aluminiumelektrolytkondensatorer. Disse kondensatorene brukte en solid organisk leder, ladningsoverføringssaltet TTF-TCNQ ( tetracyanoquinodimethane ), som ga en forbedring av konduktiviteten med en faktor 10 sammenlignet med mangandioksidelektrolytten.

Det neste trinnet i reduksjon av ESR var utviklingen av ledende polymerer av Alan J. Heeger , Alan MacDiarmid og Hideki Shirakawa i 1975. Ledningsevnen til ledende polymerer som polypyrrol (PPy) eller PEDOT er bedre enn TCNQ med en faktor 100 til 500, og nær ledningsevnen til metaller.

I 1991 ga Panasonic ut sin "SP-Cap", serie med elektrolytiske kondensatorer av polymeraluminium . Disse elektrolytiske kondensatorene i aluminium med polymerelektrolytter nådde svært lave ESR -verdier som var direkte sammenlignbare med keramiske flerlagskondensatorer (MLCC). De var fremdeles rimeligere enn tantalkondensatorer, og med sin flate design for bærbare datamaskiner og mobiltelefoner konkurrerte de også med tantal -chip -kondensatorer.

Tantalelektrolytkondensatorer med PPy -polymerelektrolyttkatode fulgte tre år senere. I 1993 introduserte NEC sine elektrolytiske kondensatorer av SMD -polymer -tantal, kalt "NeoCap". I 1997 fulgte Sanyo med "POSCAP" polymer tantal chips.

En ny ledende polymer for tantalpolymerkondensatorer ble presentert av Kemet på konferansen "1999 Carts". Denne kondensatoren brukte den nyutviklede organiske ledende polymeren PEDT Poly (3,4-etylendioksytiofen), også kjent som PEDOT (handelsnavn Baytron®)

Niob -kondensatorer

En annen priseksplosjon for tantal i 2000/2001 tvang utviklingen av niob -elektrolytkondensatorer med mangandioksidelektrolytt, som har vært tilgjengelig siden 2002. Niobium er et søstermetall til tantal og fungerer som ventilmetall som genererer et oksidlag under anodisk oksidasjon. Niob som råstoff er mye mer rikelig i naturen enn tantal og er billigere. Det var et spørsmål om tilgjengeligheten av uedelt metall på slutten av 1960 -tallet som førte til utvikling og implementering av elektrolytiske niobkondensatorer i det tidligere Sovjetunionen i stedet for tantalkondensatorer som i Vesten. Materialene og prosessene som brukes til å produsere niob-dielektriske kondensatorer er i hovedsak de samme som for eksisterende tantal-dielektriske kondensatorer. Egenskapene til niob -elektrolytkondensatorer og tantalelektrolytkondensatorer er omtrent sammenlignbare.

Vannbaserte elektrolytter

Med målet om å redusere ESR for rimelige, ikke-solide elektrolytkondensatorer fra midten av 1980-tallet i Japan, ble det utviklet nye vannbaserte elektrolytter for elektrolytiske kondensatorer i aluminium. Vann er billig, et effektivt løsningsmiddel for elektrolytter, og forbedrer elektrolyttens konduktivitet betydelig. Den japanske produsenten Rubycon var ledende i utviklingen av nye vannbaserte elektrolyttsystemer med forbedret konduktivitet på slutten av 1990-tallet. Den nye serien med ikke-solide elektrolytkondensatorer med vannbasert elektrolytt ble beskrevet i databladene for å ha "lav ESR", "lav impedans", "ultralav impedans" eller "høy krusningsstrøm".

Fra 1999 til og med 2010 førte en stjålet oppskrift på en slik vannbasert elektrolytt, der viktige stabilisatorer var fraværende, til det utbredte problemet med "dårlige hetter" (sviktende elektrolytiske kondensatorer), lekkasje eller tidvis sprengning i datamaskiner, strømforsyninger , og annet elektronisk utstyr, som ble kjent som " kondensatorpesten ". I disse elektrolytiske kondensatorene reagerer vannet ganske aggressivt med aluminium, ledsaget av sterk varme- og gassutvikling i kondensatoren, noe som resulterer i for tidlig utstyrssvikt og utvikling av en hytte -reparasjonsindustri.

Elektriske egenskaper

Serieekvivalent krets

Serieekvivalent kretsmodell av en elektrolytisk kondensator

De elektriske egenskapene til kondensatorer er harmonisert med den internasjonale generiske spesifikasjonen IEC 60384-1. I denne standarden er kondensatorenes elektriske egenskaper beskrevet av en idealisert serieekvivalent krets med elektriske komponenter som modellerer alle ohmiske tap, kapasitive og induktive parametere for en elektrolytisk kondensator:

• C , kondensatorens kapasitans
• R _ESR , ekvivalent seriemotstand som oppsummerer alle ohmiske tapene til kondensatoren, vanligvis forkortet som "ESR"
• L _ESL , ekvivalent serieinduktans som er den effektive selvinduktansen til kondensatoren, vanligvis forkortet som "ESL".
• R _lekkasje , motstanden som representerer lekkasjestrømmen til kondensatoren

Kapasitans, standardverdier og toleranser

Typisk kapasitans som en funksjon av frekvens

Typisk kapasitans som funksjon av temperaturen

De elektriske egenskapene til elektrolytiske kondensatorer avhenger av anodens struktur og elektrolytten som brukes. Dette påvirker kapasitansverdien til elektrolytiske kondensatorer, som avhenger av målefrekvens og temperatur. Elektrolytiske kondensatorer med ikke-solide elektrolytter viser en bredere aberrasjon over frekvens- og temperaturområder enn kondensatorer med solide elektrolytter.

Den grunnleggende enheten for en elektrolytisk kondensators kapasitans er mikrofaraden (μF). Kapasitansverdien spesifisert i databladene til produsentene kalles den nominelle kapasitansen C _R eller den nominelle kapasitansen C _N og er verdien som kondensatoren er designet for.

Den standardiserte målebetingelsen for elektrolytiske kondensatorer er en AC -målemetode med 0,5 V ved en frekvens på 100/120 Hz ved en temperatur på 20 ° C. For tantalkondensatorer kan en DC -forspenning på 1,1 til 1,5 V for typer med en merkespenning ≤2,5 V eller 2,1 til 2,5 V for typer med en nominell spenning på> 2,5 V, brukes under målingen for å unngå revers spenning.

Kapasitansverdien målt ved frekvensen 1 kHz er omtrent 10% mindre enn 100/120 Hz -verdien. Derfor er kapasitansverdiene til elektrolytiske kondensatorer ikke direkte sammenlignbare og skiller seg fra verdiene for filmkondensatorer eller keramiske kondensatorer , hvis kapasitans måles til 1 kHz eller høyere.

Målt med en AC-målemetode ved 100/120 Hz er kapasitansverdien den nærmeste verdien til den elektriske ladningen som er lagret i e-caps. Den lagrede ladningen måles med en spesiell utladningsmetode og kalles likestrømskapasitans . Likestrømskapasitansen er omtrent 10% høyere enn 100/120 Hz vekselstrømskapasitans. DC -kapasitansen er av interesse for utladningsprogrammer som fotoflash .

Prosentandelen av tillatt avvik for den målte kapasitansen fra den nominelle verdien kalles kapasitans -toleransen. Elektrolytiske kondensatorer er tilgjengelige i forskjellige toleranseserier, hvis verdier er spesifisert i E -serien som er spesifisert i IEC 60063. For forkortet merking på trange steder er en bokstavkode for hver toleranse spesifisert i IEC 60062.

• nominell kapasitans, serie E3, toleranse ± 20%, bokstavkode "M"
• nominell kapasitans, serie E6, toleranse ± 20%, bokstavkode "M"
• nominell kapasitans, serie E12, toleranse ± 10%, bokstavkode "K"

Den nødvendige kapasitans -toleransen bestemmes av den spesifikke applikasjonen. Elektrolytiske kondensatorer, som ofte brukes til filtrering og omkjøring , har ikke behov for smale toleranser fordi de stort sett ikke brukes til nøyaktige frekvensapplikasjoner som i oscillatorer .

Nominell og kategorispenning

Forholdet mellom nominell og kategorispenning og nominell og kategoritemperatur

Med henvisning til standarden IEC/EN 60384-1, kalles den tillatte driftsspenningen for elektrolytiske kondensatorer "nominell spenning U _R " eller "nominell spenning U _N ". Nominell spenning U _R er maksimal DC spenning eller topppuls spenning som kan påføres kontinuerlig ved enhver temperatur innenfor det nominelle temperaturområdet _TR .

Spenningssikkerheten til elektrolytiske kondensatorer avtar med økende temperatur. For noen applikasjoner er det viktig å bruke et høyere temperaturområde. Å senke spenningen ved høyere temperatur opprettholder sikkerhetsmarginene. For noen kondensatortyper spesifiserer derfor IEC -standarden en "temperatur derert spenning" for en høyere temperatur, "kategorispenningen U _C ". Kategorien spenning er den likespenning eller topppulsspenning som kan tilføres kontinuerlig til en kondensator ved en hvilken som helst temperatur innenfor kategorien temperaturområdet T _C . Forholdet mellom både spenninger og temperaturer er gitt på bildet til høyre.

Bruk av høyere spenning enn angitt kan ødelegge elektrolytiske kondensatorer.

Påføring av lavere spenning kan ha en positiv innflytelse på elektrolytiske kondensatorer. For elektrolytiske kondensatorer i aluminium kan en lavere påført spenning i noen tilfeller forlenge levetiden. For tantalelektrolytkondensatorer øker påliteligheten og reduserer forventet feilrate ved å senke den påførte spenningen. Jeg

Overspenning

Overspenningen angir maksimal spenningsverdi som kan påføres elektrolytiske kondensatorer under applikasjonen i et begrenset antall sykluser. Overspenningen er standardisert i IEC/EN 60384-1. For elektrolytiske kondensatorer i aluminium med en merkespenning på opptil 315 V, er overspenningen 1,15 ganger merkespenningen, og for kondensatorer med en nominell spenning som overstiger 315 V, er overspenningen 1,10 ganger merkespenningen.

For tantalelektrolytkondensatorer kan overspenningen være 1,3 ganger merkespenningen, avrundet til nærmeste volt. Overspenningen som påføres tantalkondensatorer kan påvirke kondensatorens feilrate.

Forbigående spenning

Aluminiumelektrolytkondensatorer med ikke-fast elektrolytt er relativt ufølsomme for høye og kortsiktige forbigående spenninger høyere enn overspenning, hvis frekvensen og energiinnholdet i transientene er lavt. Denne evnen avhenger av nominell spenning og komponentstørrelse. Transiente spenninger med lav energi fører til en spenningsbegrensning som ligner en zenerdiode . En entydig og generell spesifikasjon av tolerable transienter eller toppspenninger er ikke mulig. I hvert tilfelle det oppstår transienter, må søknaden godkjennes veldig nøye.

Elektrolytkondensatorer med fast manganoksid eller polymerelektrolytt, og aluminium samt tantalelektrolytkondensatorer tåler ikke transienter eller toppspenninger høyere enn overspenningen. Transienter kan ødelegge denne typen elektrolytisk kondensator.

Omvendt spenning

En eksplodert elektrolytisk kondensator i aluminium på en PCB

En elektrolytisk kondensator som har eksplodert via ventilasjonsåpningen på toppen, som viser det interne dielektriske materialet som ble tvunget ut.

Standard elektrolytiske kondensatorer og aluminium samt tantal og niob elektrolytiske kondensatorer er polarisert og krever generelt at anodeelektrodespenningen er positiv i forhold til katodespenningen.

Likevel tåler elektrolytkondensatorer for korte øyeblikk en omvendt spenning i et begrenset antall sykluser. Spesielt kan aluminiumelektrolytkondensatorer med ikke-solid elektrolytt tåle en omvendt spenning på omtrent 1 V til 1,5 V. Denne omvendte spenningen bør aldri brukes til å bestemme maksimal revers spenning som en kondensator kan brukes permanent under.

Solid tantalkondensatorer tåler også omvendt spenning i korte perioder. De vanligste retningslinjene for tantalum revers spenning er:

• 10 % av nominell spenning til maksimalt 1 V ved 25 ° C,
• 3 % av nominell spenning til maksimalt 0,5 V ved 85 ° C,
• 1 % av merkespenningen til maksimalt 0,1 V ved 125 ° C.

Disse retningslinjene gjelder for kort utflukt og bør aldri brukes til å bestemme maksimal revers spenning som en kondensator kan brukes permanent under.

Men under ingen omstendigheter, for aluminium så vel som for tantal- og niobium -elektrolytiske kondensatorer, kan revers spenning brukes for en permanent vekselstrøm.

For å minimere sannsynligheten for at et polarisert elektrolytisk settes feil inn i en krets, må polariteten være veldig tydelig angitt på saken, se avsnittet om polaritetsmerking nedenfor.

Spesielle bipolare aluminium elektrolytiske kondensatorer designet for bipolar drift er tilgjengelige, og refereres vanligvis til som "ikke-polarisert" eller "bipolar" type. I disse har kondensatorene to anodefolier med oksydlag i full tykkelse koblet i motsatt polaritet. På de alternative halvdelene av vekselstrømssyklusene fungerer et av oksidene på folien som et blokkerende dielektrikum, og forhindrer reversstrøm i å skade elektrolytten til den andre. Men disse bipolare elektrolytiske kondensatorene er ikke egnet for hoved AC -applikasjoner i stedet for effektkondensatorer med metallisert polymerfilm eller dielektrisk papir.

Impedans

Forenklet serieekvivalent krets av en kondensator for høyere frekvenser (over); vektordiagram med elektriske reaktanser X _ESL og X _C og motstand ESR og for illustrasjon impedansen Z og dissipasjonsfaktoren tan δ

Generelt blir en kondensator sett på som en lagringskomponent for elektrisk energi. Men dette er bare en kondensatorapplikasjon. En kondensator kan også fungere som en AC -motstand . Spesielt brukes elektrolytiske kondensatorer av aluminium som avkoblingskondensatorer for å filtrere eller omgå uønskede vekselstrømfrekvenser til jord eller for kapasitiv kobling av lyd -AC -signaler. Da brukes dielektrikumet bare for å blokkere DC. For slike applikasjoner er impedansen (AC -motstand ) like viktig som kapasitansverdien.

Typiske impedanskurver for forskjellige kapasitansverdier over frekvens. Jo høyere kapasitans, desto lavere er resonansfrekvensen.

Impedansen Z er vektorsummen av reaktans og motstand ; den beskriver faseforskjellen og forholdet mellom amplituder mellom sinusformet varierende spenning og sinusformet varierende strøm ved en gitt frekvens. I denne forstand er impedans et mål på kondensatorens evne til å passere vekselstrømmer og kan brukes som Ohms lov.

${\ displaystyle Z = {\ frac {\ hat {u}} {\ hat {\ imath}}} = {\ frac {U _ {\ mathrm {eff}}} {I _ {\ mathrm {eff}}}}. }$

Med andre ord er impedans en frekvensavhengig AC-motstand og har både størrelse og fase ved en bestemt frekvens.

I databladene for elektrolytiske kondensatorer er bare impedansstørrelsen | Z | er spesifisert, og ganske enkelt skrevet som "Z". Når det gjelder IEC/EN 60384-1-standarden, måles og spesifiseres impedansverdiene til elektrolytiske kondensatorer ved 10 kHz eller 100 kHz avhengig av kondensatorens kapasitans og spenning.

I tillegg til måling kan impedansen beregnes ved hjelp av de idealiserte komponentene i en kondensators serieekvivalente krets, inkludert en ideell kondensator C , en motstand ESR og en induktans ESL . I dette tilfellet er impedansen ved vinkelfrekvensen ω er gitt ved den geometriske (kompleks) tilsetning av ESR , ved en kapasitiv reaktans X _C

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

og ved en induktiv reaktans X _L ( induktans )

${\ displaystyle X_ {L} = \ omega L _ {\ mathrm {ESL}}}$.

Så er Z gitt av

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

I det spesielle resonansfallet , der begge reaktive motstandene X _C og X _L har samme verdi ( X _C = X _L ), vil impedansen bare bli bestemt av ESR . Med frekvenser over resonansen øker impedansen igjen på grunn av kondensatorens ESL . Kondensatoren blir en induktor.

ESR og dissipasjonsfaktor tan δ

• Typisk impedans og ESR -kurver som en funksjon av frekvens og temperatur
• 

  Typisk impedans og ESR som en funksjon av frekvens

• 

  Typisk impedans som funksjon av temperaturen

Den ekvivalente seriemotstand ( ESR ) oppsummerer alle resistive tap i kondensatoren. Dette er terminalmotstandene, kontaktmotstanden til elektrodekontakten, linjemotstanden til elektrodene, elektrolyttmotstanden og de dielektriske tapene i det dielektriske oksydlaget.

For elektrolytiske kondensatorer reduseres ESR generelt med økende frekvens og temperatur.

ESR påvirker den overlagrede AC -rippelen etter utjevning og kan påvirke kretsfunksjonaliteten. Innenfor kondensatoren står ESR for intern varmegenerering hvis en ringstrøm strømmer over kondensatoren. Denne indre varmen reduserer levetiden til ikke-solide aluminiumelektrolytkondensatorer og påvirker påliteligheten til solide tantalelektrolytkondensatorer.

For elektrolytiske kondensatorer, av historiske årsaker vil dissipasjonsfaktoren tan δ noen ganger bli spesifisert i databladet i stedet for ESR . Dissipasjonsfaktoren bestemmes av tangenten til fasevinkelen mellom den kapasitive reaktansen X _C minus den induktive reaktansen X _L og ESR . Hvis induktansen ESL er liten, kan dissipasjonsfaktoren tilnærmes som:

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

Dissipasjonsfaktoren brukes for kondensatorer med svært lave tap i frekvensbestemmende kretser der den gjensidige verdien av dissipasjonsfaktoren kalles kvalitetsfaktor (Q), som representerer en resonators båndbredde .

Rippelstrøm

Den høye krusningsstrømmen over utjevningskondensatoren C1 i en strømforsyning med halvbølge-korreksjon forårsaker betydelig intern varmegenerering som tilsvarer kondensatorens ESR

"Krusningsstrøm" er RMS -verdien til en overlagret vekselstrøm for enhver frekvens og hvilken som helst bølgeform for strømkurven for kontinuerlig drift innenfor det angitte temperaturområdet. Det oppstår hovedsakelig i strømforsyninger (inkludert strømforsyninger i koblet modus ) etter å ha korrigert en AC-spenning og strømmer som ladnings- og utladningsstrøm gjennom eventuelle frakobling og utjevningskondensatorer.

Krusningsstrømmer genererer varme inne i kondensatorlegemet. Denne spredningseffekt tap P _L er forårsaket av ESR og er den kvadrerte verdi av den effektive (RMS) rippelström I _R .

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

Denne internt genererte varmen, i tillegg til omgivelsestemperaturen og muligens andre eksterne varmekilder, fører til at kondensatorens kroppstemperatur har en temperaturforskjell på Δ T i forhold til omgivelsene. Denne varmen må fordeles som termiske tap P _th over kondensatoren overflate A og den termiske motstand β til romtemperatur.

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

Den internt genererte varmen må fordeles til omgivelsene ved termisk stråling , konveksjon og varmeledning . Kondensatorens temperatur, som er netto forskjellen mellom produsert varme og varmeavledning, må ikke overskride kondensatorens maksimal spesifiserte temperatur.

Krusningsstrømmen er spesifisert som en effektiv (RMS) verdi ved 100 eller 120 Hz eller ved 10 kHz ved øvre kategoritemperatur. Ikke-sinusformede krusningsstrømmer må analyseres og skilles i sine enkelt-sinusformede frekvenser ved hjelp av Fourier-analyse og oppsummeres ved kvadratisk tilsetning av enkeltstrømmene.

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

I ikke-solide elektrolytiske kondensatorer forårsaker varmen som genereres av krusningsstrømmen fordampning av elektrolytter, noe som forkorter kondensatorenes levetid. Å overskride grensen har en tendens til å resultere i eksplosiv svikt.

I solide tantalelektrolytkondensatorer med mangandioksidelektrolytt påvirker varmen som genereres av ringstrømmen påliteligheten til kondensatorene. Overskridelse av grensen har en tendens til å resultere i katastrofal svikt, sviktende kortslutning, med synlig brenning.

Varmen som genereres av krusningsstrømmen påvirker også levetiden til aluminium- og tantalelektrolytkondensatorer med solide polymerelektrolytter. Overskridelse av grensen har en tendens til å resultere i katastrofale feil, mislykkes kortslutning.

Strømspenning, topp- eller pulsstrøm

Aluminiumelektrolytkondensatorer med ikke-solide elektrolytter kan normalt lades opp til merkespenningen uten strøm-, topp- eller pulsbegrensning. Denne egenskapen er et resultat av den begrensede ionebevegelsen i væskeelektrolytten, som bremser spenningsrampen over dielektrikumet, og av kondensatorens ESR. Bare frekvensen av topper som er integrert over tid, må ikke overstige maksimal spesifisert krusningsstrøm.

Solide tantalelektrolytkondensatorer med mangandioksidelektrolytt eller polymerelektrolytt er skadet av topp- eller pulsstrømmer. Solide tantalkondensatorer som er utsatt for overspennings-, topp- eller pulsstrømmer, for eksempel i sterkt induktive kretser, bør brukes med en spenningsreduksjon. Hvis mulig, bør spenningsprofilen være en rampe-på, da dette reduserer toppstrømmen som kondensatoren opplever.

Lekkasjestrøm

generell lekkasjeadferd for elektrolytiske kondensatorer: lekkasjestrøm som en funksjon av tiden avhengig av typen elektrolytt${\ displaystyle I_ {lekkasje}}$${\ displaystyle t}$

  ikke fast, høyt vanninnhold

  ikke fast, organisk

  fast, polymer

For elektrolytiske kondensatorer er likestrøm (DCL) en spesiell egenskap som andre konvensjonelle kondensatorer ikke har. Denne strømmen representeres av motstanden R _lekkasje parallelt med kondensatoren i den serieekvivalente kretsen til elektrolytiske kondensatorer.

Årsakene til lekkasjestrøm er forskjellige mellom elektrolytkondensatorer med ikke-fast og med fast elektrolytt eller mer vanlig for "vått" aluminium og for "fast" tantalelektrolytkondensatorer med mangandioksidelektrolytt så vel som for elektrolytiske kondensatorer med polymerelektrolytter. For ikke-solide aluminiumelektrolytkondensatorer inkluderer lekkasjestrømmen alle svekkede feil i dielektrikum forårsaket av uønskede kjemiske prosesser som skjer i løpet av tiden uten påført spenning (lagringstid) mellom driftssyklusene. Disse uønskede kjemiske prosessene avhenger av typen elektrolytt. Vannbaserte elektrolytter er mer aggressive mot aluminiumoksydlaget enn elektrolytter basert på organiske væsker. Derfor spesifiserer forskjellige elektrolytiske kondensatorserier forskjellig lagringstid uten reform.

Påføring av en positiv spenning til en "våt" kondensator forårsaker en reformerende (selvhelbredende) prosess som reparerer alle svekkede dielektriske lag, og lekkasjestrømmen forblir på et lavt nivå.

Selv om lekkasjestrømmen til ikke-solide elektrolytkondensatorer er høyere enn strømmen over dielektrikumet i keramiske eller filmkondensatorer, tar selvutladning av moderne ikke-solide elektrolytkondensatorer med organiske elektrolytter flere uker.

Hovedårsakene til DCL for solide tantalkondensatorer inkluderer elektrisk nedbrytning av dielektrikumet; ledende baner på grunn av urenheter eller dårlig anodisering; og omgåelse av dielektrikum på grunn av overflødig mangandioksid, fuktighetsbaner eller katodeledere (karbon, sølv). Denne "normale" lekkasjestrømmen i faste elektrolyttkondensatorer kan ikke reduseres ved "helbredelse", fordi faste elektrolytter under normale forhold ikke kan gi oksygen til dannelsesprosesser. Denne uttalelsen bør ikke forveksles med den selvhelbredende prosessen under feltkrystallisering, se nedenfor, Pålitelighet (feilfrekvens).

Spesifikasjonen av lekkasjestrømmen i datablad er ofte gitt som multiplikasjon av den nominelle kapasitansverdien C _R med verdien av merkespenningen U _R sammen med et tilleggstall, målt etter en måltid på 2 eller 5 minutter, for eksempel:

${\ displaystyle I _ {\ mathrm {Leak}} = 0 {,} 01 \, \ mathrm {{A} \ over {V \ cdot F}} \ cdot U _ {\ mathrm {R}} \ cdot C _ {\ mathrm {R}} +3 \, \ mathrm {\ mu A}}$

Lekkasjestrømverdien avhenger av påført spenning, kondensatorens temperatur og målingstid. Lekkasjestrøm i faste MnO ₂ tantal elektrolytiske kondensatorer faller generelt veldig mye raskere enn for ikke-solide elektrolytiske kondensatorer, men forblir på nivået som er nådd.

Dielektrisk absorpsjon (bløtlegging)

Dielektrisk absorpsjon oppstår når en kondensator som har forblitt ladet i lang tid, utlades bare ufullstendig når den er kort utladet. Selv om en ideell kondensator ville nå null volt etter utladning, utvikler ekte kondensatorer en liten spenning fra tidsforsinket dipolutladning , et fenomen som også kalles dielektrisk avslapning , "bløtlegging" eller "batterihandling".

Dielektrisk absorpsjon kan være et problem i kretser der svært små strømmer brukes i funksjonen til en elektronisk krets, for eksempel langtidskonstant - integratorer eller prøve-og-hold- kretser. I de fleste elektrolytiske kondensatorapplikasjoner som støtter strømforsyningslinjer, er ikke dielektrisk absorpsjon et problem.

Men spesielt for elektrolytiske kondensatorer med høy merkespenning, kan spenningen ved terminalene generert av dielektrisk absorpsjon utgjøre en sikkerhetsrisiko for personell eller kretser. For å forhindre støt sendes de fleste veldig store kondensatorene med kortslutningskabler som må fjernes før kondensatorene brukes.

Operasjonelle egenskaper

Pålitelighet (feilrate)

Badekarskurve med tider med "tidlige feil", "tilfeldige feil" og slitasjefeil ". Tiden for tilfeldige feil er tiden for konstant feilrate og tilsvarer levetiden til ikke-solide e-caps.

Den påliteligheten av en komponent er en egenskap som angir hvor pålitelig denne komponenten utfører sin funksjon i et tidsintervall. Den er gjenstand for en stokastisk prosess og kan beskrives kvalitativt og kvantitativt; det er ikke direkte målbart. Påliteligheten til elektrolytiske kondensatorer bestemmes empirisk ved å identifisere feilraten i produksjonen som følger med utholdenhetstester , se Pålitelighetsteknikk .

Pålitelighet er vanligvis vist som en badekarskurve og er delt inn i tre områder: tidlige feil eller spedbarnsdødelighet, konstante tilfeldige feil og slitasje. Feil totalt i en feilrate er kortslutning, åpen krets og nedbrytningssvikt (overstiger elektriske parametere).

Den pålitelighet forutsigelse uttrykkes generelt i en feilrate λ, forkortet FIT ( F ailures I n t ime]. Dette er det antall feil som kan forventes i en milliard (10 ⁹ ) komponent-timers drift (for eksempel 1000 komponenter for 1 million timer, eller 1 million komponenter for 1000 timer som er 1 ppm/1000 timer) ved faste arbeidsforhold i perioden med konstante tilfeldige feil. Denne feilrate -modellen antar implisitt ideen om "tilfeldig svikt". Individuelle komponenter mislykkes kl. tilfeldige tider, men med en forutsigbar hastighet.

Milliarder testede kondensatorenhetstimer ville være nødvendig for å etablere feilfrekvenser i det meget lave nivåområdet som kreves i dag for å sikre produksjon av store mengder komponenter uten feil. Dette krever omtrent en million enheter over en lang tidsperiode, noe som betyr en stor stab og betydelig finansiering. De testede feilfrekvensene kompletteres ofte med tall som kommer fra tilbakemeldinger fra feltet fra store kunder (feltfeilrate), noe som for det meste resulterer i en lavere feilprosent enn testet.

Den gjensidige verdien av FIT er Mean Time Between Failures (MTBF).

Standard driftsbetingelser for FIT-testing er 40 ° C og 0,5 U _R . For andre forhold med påført spenning, strømbelastning, temperatur, kapasitansverdi, kretsmotstand (for tantalkondensatorer), mekanisk påvirkning og fuktighet, kan FIT -tallet konverteres med akselerasjonsfaktorer standardisert for industrielle eller militære applikasjoner. Jo høyere temperatur og påført spenning, jo høyere er for eksempel feilfrekvensen.

Den kilden som oftest er sitert for konvertering av feil er MIL-HDBK-217F, "bibelen" for beregninger av feilrate for elektroniske komponenter. SQC Online, den elektroniske statistiske kalkulatoren for akseptabel prøvetaking og kvalitetskontroll, gir et elektronisk verktøy for kort undersøkelse for å beregne gitte feilverdier for gitte applikasjonsbetingelser.

Noen produsenter kan ha sine egne FIT -beregningstabeller for tantalkondensatorer. eller for aluminiumskondensatorer

For tantalkondensatorer er feilfrekvensen ofte spesifisert ved 85 ° C og nominell spenning U _R som referansebetingelser og uttrykt som prosent mislykkede komponenter per tusen timer (n %/1000 t). Det vil si "n" antall mislykkede komponenter per 10 ⁵ timer, eller i FIT den ti tusen ganger verdien per 10 ⁹ timer.

Tantalkondensatorer er nå svært pålitelige komponenter. Kontinuerlig forbedring av tantalpulver- og kondensatorteknologi har resultert i en betydelig reduksjon i mengden urenheter som tidligere forårsaket de fleste feltkrystalliseringsfeil. Kommersielt tilgjengelige industrielt fremstilte tantalkondensatorer nå har nådd som standardprodukter av høy MIL standard "C" nivå, som er 0,01% / 1000 timer ved 85 ° C og U _R eller en svikt per 10 ⁷ timer ved 85 ° C og U _R . Konvertert til FIT med akselerasjonsfaktorene som kommer fra MIL HDKB 217F ved 40 ° C og 0,5, er U _R feilfrekvensen. For en 100 µF/25 V tantal -chip kondensator som brukes med en seriemotstand på 0,1 Ω er feilraten 0,02 FIT.

Elektrolytiske kondensatorer i aluminium bruker ikke spesifikasjonen i "% per 1000 timer ved 85 ° C og U _R ". De bruker FIT spesifikasjonen med 40 ° C og 0,5 U _R som referanseverdier. Elektrolytkondensatorer i aluminium er svært pålitelige komponenter. Publiserte tall viser for lavspenningstyper (6,3… 160 V) FIT -hastigheter i området 1 til 20 FIT og for høyspenningstyper (> 160… 550 V) FIT -hastigheter i området 20 til 200 FIT. Feltfeilrate for aluminium e-caps er i området 0,5 til 20 FIT.

De publiserte tallene viser at både tantal- og aluminiumkondensatortyper er pålitelige komponenter, sammenlignbare med andre elektroniske komponenter og oppnår sikker drift i flere tiår under normale forhold. Men det er stor forskjell når det gjelder slitasjefeil . Elektrolytiske kondensatorer med ikke-fast elektrolytt har en begrenset periode med konstante tilfeldige feil opp til det punktet når slitasjefeil begynner. Den konstante tilfeldige sviktfrekvensperioden tilsvarer levetiden eller levetiden til "våte" elektrolytiske kondensatorer i aluminium.

Livstid

De elektriske verdiene til aluminiumelektrolytkondensatorer med ikke-fast elektrolytt endres over tid på grunn av fordampning av elektrolytt. Når vi når de angitte grensene for de elektriske parameterne, slutter perioden med konstant sviktfrekvens, noe som betyr slutten på kondensatorens levetid. Grafen viser denne oppførselen i en 2000 timers utholdenhetstest ved 105 ° C.

Den levetid , levetid , belastning levetid eller brukstid for elektrolytiske kondensatorer er en spesiell egenskap ved ikke-faste aluminium elektrolytiske kondensatorer, hvis flytende elektrolytt kan fordampe over tid. Senking av elektrolyttnivået påvirker de elektriske parameterne til kondensatorene. Kapasitansen avtar og impedansen og ESR øker med avtagende mengder elektrolytt. Denne meget langsomme uttørking av elektrolytt avhenger av temperaturen, den påførte krusstrømbelastningen og den påførte spenningen. Jo lavere disse parametrene er i forhold til maksimalverdiene, jo lengre er kondensatorens “levetid”. "End of life" -punktet er definert av utseendet på slitasjefeil eller nedbrytningsfeil når enten kapasitans, impedans, ESR eller lekkasjestrøm overstiger de angitte endringsgrensene.

Levetiden er en spesifikasjon av en samling testede kondensatorer og gir en forventning om oppførselen til lignende typer. Denne levetidsdefinisjonen tilsvarer tidspunktet for konstant tilfeldig svikt i badekarskurven.

Men selv etter å ha overskredet de angitte grensene og kondensatorene har nådd "slutten på livet", er den elektroniske kretsen ikke i umiddelbar fare; bare funksjonaliteten til kondensatorene er redusert. Med dagens høye renhetsnivåer ved produksjon av elektrolytiske kondensatorer er det ikke forventet at kortslutning oppstår etter endt levetid med progressiv fordampning kombinert med parameternedbrytning.

Levetiden til ikke-solide aluminiumelektrolytkondensatorer er spesifisert i form av "timer per temperatur", som "2000h/105 ° C." Med denne spesifikasjonen kan levetiden ved driftsforhold estimeres med spesielle formler eller grafer spesifisert i dataene ark av seriøse produsenter. De bruker forskjellige måter for spesifikasjon, noen gir spesielle formler, andre angir levetidsberegningen for e-caps med grafer som vurderer påvirkningen av påført spenning. Grunnprinsippet for å beregne tiden under driftsforhold er den såkalte "10-graders regel".

Denne regelen er også kjent som Arrhenius -regelen . Det kjennetegner endringen av termisk reaksjonshastighet. For hver 10 ° C lavere temperatur reduseres fordampningen med det halve. Det betyr at for hver 10 ° C temperaturreduksjon dobles levetiden til kondensatorer. Hvis en levetidsspesifikasjon for en elektrolytisk kondensator for eksempel er 2000 t/105 ° C, kan kondensatorens levetid ved 45 ° C ”beregnes” til 128 000 timer-det vil si omtrent 15 år-ved å bruke 10-graders-regelen .

Imidlertid har elektrolytiske kondensatorer av solid polymer og elektrolytiske kondensatorer av aluminium, tantal og niob også en levetidsspesifikasjon. Polymerelektrolytten viser en liten forringelse av ledningsevnen forårsaket av termisk nedbrytning av den ledende polymeren. Den elektriske ledningsevnen avtar som en funksjon av tiden, i samsvar med en struktur av granulært metall, der aldring skyldes krymping av de ledende polymerkornene. Levetiden til polymerelektrolytkondensatorer er spesifisert i termer som ligner på ikke-solide elektrolytiske kondensatorer, men levetidsberegningen følger andre regler, noe som fører til mye lengre levetid.

Tantalelektrolytkondensatorer med fast mangandioksidelektrolytt har ikke slitasjefeil, så de har ikke levetidsspesifikasjon i betydningen ikke-solide aluminiumelektrolytkondensatorer. Tantalkondensatorer med ikke-fast elektrolytt, de "våte tantalene", har heller ikke en levetidsspesifikasjon fordi de er hermetisk forseglet.

Feilmoduser, selvhelbredende mekanisme og bruksregler

De mange forskjellige typene elektrolytiske kondensatorer viser ulik elektrisk langsiktig atferd, iboende sviktmoduser og selvhelbredende mekanismer. Søknadsregler for typer med en iboende feilmodus er spesifisert for å sikre kondensatorer med høy pålitelighet og lang levetid.

Ytelse etter lagring

Alle elektrolytiske kondensatorer "eldes" under produksjon ved å bruke den nominelle spenningen ved høy temperatur i tilstrekkelig tid til å reparere alle sprekker og svakheter som kan ha oppstått under produksjonen. Et spesielt problem med ikke-solide aluminiumsmodeller kan imidlertid oppstå etter lagring eller uten strøm. Kjemiske prosesser (korrosjon) kan svekke oksydlaget, noe som kan føre til høyere lekkasjestrøm. De fleste moderne elektrolytiske systemer er kjemisk inerte og viser ikke korrosjonsproblemer, selv etter lagringstid på to år eller lenger. Ikke-solide elektrolytkondensatorer som bruker organiske løsningsmidler som GBL som elektrolytt, har ikke problemer med høy lekkasjestrøm etter langvarig lagring. De kan lagres i opptil 10 år uten problemer

Lagringstider kan testes ved hjelp av akselerert testing av holdbarhet, som krever lagring uten påført spenning ved den øvre kategoritemperaturen i en bestemt periode, vanligvis 1000 timer. Denne holdbarhetstesten er en god indikator for kjemisk stabilitet og oksydlaget, fordi alle kjemiske reaksjoner akselereres av høyere temperaturer. Nesten alle kommersielle serier av ikke-solide elektrolytiske kondensatorer oppfyller 1000 timers holdbarhetstest. Imidlertid er mange serier spesifisert bare for to års lagring. Dette sikrer også loddbarhet av terminalene.

For antikt radioutstyr eller for elektrolytiske kondensatorer bygget på 1970 -tallet eller tidligere kan "forkondisjonering" være passende. Dette utføres ved å påføre den nominelle spenningen på kondensatoren via en seriemotstand på omtrent 1 kΩ i en time, slik at oksidlaget kan reparere seg selv gjennom selvhelbredelse. Kondensatorer som ikke klarer lekkasjestrømskrav etter forkondisjonering kan ha opplevd mekanisk skade.

Elektrolytkondensatorer med solide elektrolytter har ikke krav om forutsetning.

Tilleggsinformasjon

Kondensatorsymboler

Elektrolytiske kondensatorsymboler

• 

  Elektrolytisk kondensator

• 

  Elektrolytisk kondensator

• 

  Elektrolytisk kondensator

• 

  Bipolar elektrolytisk kondensator

Parallell tilkobling

Hvis en individuell kondensator i en bank med parallelle kondensatorer utvikler en kort, tømmes hele energien til kondensatorbanken gjennom den korte. Således bør store kondensatorer, spesielt høyspenningstyper, beskyttes individuelt mot plutselig utladning.

Seriekobling

I applikasjoner der det er behov for høy motstandsspenning, kan elektrolytiske kondensatorer kobles i serie. På grunn av individuell variasjon i isolasjonsmotstand, og dermed lekkasjestrømmen når spenning påføres, fordeles ikke spenningen jevnt over hver seriekondensator. Dette kan resultere i at spenningsverdien til en individuell kondensator overskrides. En passiv eller aktiv balansekrets må være tilveiebrakt for å utligne spenningen over hver enkelt kondensator.

Polaritetsmerking

• Polaritetsmerking for elektrolytiske kondensatorer i aluminium
• 

  Elektrolytiske kondensatorer med ikke-solid elektrolytt har en polaritetsmerking på katodens ( minus ) side, med en kortere ledning

• 

  Elektrolytiske kondensatorer med solid elektrolytt har en polaritetsmarkering på anode ( pluss ) side, bortsett fra sylindrisk bly (single-ended) og SMD polymer kondensatorer

Polaritetsmerking for polymerelektrolytiske kondensatorer

Rektangulære polymerkondensatorer, tantal så vel som aluminium, har en polaritetsmerking på anode ( pluss ) siden	Sylindriske polymerkondensatorer har en polaritetsmerking på katodens ( minus ) side

Påtrykte markeringer

Elektrolytiske kondensatorer, som de fleste andre elektroniske komponenter, er merket, med plass tillater det, med

• produsentens navn eller varemerke;
• produsentens typebetegnelse;
• polariteten til termineringene (for polariserte kondensatorer)
• nominell kapasitans;
• toleranse for nominell kapasitans
• nominell spenning og type forsyning (AC eller DC)
• klimakategori eller nominell temperatur;
• år og måned (eller uke) for produksjon;
• sertifiseringsmerker for sikkerhetsstandarder (for sikkerhet EMI/RFI -undertrykkelseskondensatorer)

Mindre kondensatorer bruker en stenografi -notasjon. Det mest brukte formatet er: XYZ J/K/M “V”, der XYZ representerer kapasitansen (beregnet som XY × 10 ^Z pF), bokstavene K eller M angir toleransen (± 10% og ± 20%) og “V” representerer arbeidsspenningen.

Eksempler:

• 105 kB 330V innebærer en kapasitans på 10 x 10 ⁵ pF = 1 uF (K = ± 10%) med en merkespenning på 330 V.
• 476M 100V innebærer en kapasitans på 47 × 10 ⁶ pF = 47 µF (M = ± 20%) med en merkespenning på 100 V.

Kapasitans, toleranse og produksjonsdato kan angis med en kort kode spesifisert i IEC/EN 60062. Eksempler på kortmerking av den nominelle kapasitansen (mikrofarader): µ47 = 0,47 µF, 4µ7 = 4,7 µF, 47µ = 47 µF

Produksjonsdatoen skrives ofte ut i henhold til internasjonale standarder.

• Versjon 1: koding med tall/årskode, "1208" er "2012, uke nummer 8".
• Versjon 2: koding med årskode/månedskode. Årskodene er: "R" = 2003, "S" = 2004, "T" = 2005, "U" = 2006, "V" = 2007, "W" = 2008, "X" = 2009, "A" = 2010, "B" = 2011, "C" = 2012, "D" = 2013, "E" = 2014 osv. Månedskoder er: "1" til "9" = januar til september, "O" = Oktober, "N" = november, "D" = desember. "X5" er da "2009, mai"

For svært små kondensatorer er ingen merking mulig. Her er det bare sporbarheten til produsentene som kan sikre identifisering av en type.

Standardisering

Standardiseringen for alle elektriske , elektroniske komponenter og relaterte teknologier følger reglene gitt av International Electrotechnical Commission (IEC), en ideell , ikke-statlig internasjonal standardorganisasjon .

Definisjonen av egenskapene og fremgangsmåten for testmetodene for kondensatorer for bruk i elektronisk utstyr er angitt i den generiske spesifikasjonen :

• IEC/EN 60384-1 - Faste kondensatorer for bruk i elektronisk utstyr

Testene og kravene som skal oppfylles av aluminium- og tantalelektrolytkondensatorer for bruk i elektronisk utstyr for godkjenning som standardiserte typer er beskrevet i følgende seksjonale spesifikasjoner :

• IEC/EN 60384-3— Utenpåliggende faste tantalelektrolytkondensatorer med mangandioksid fast elektrolytt
• IEC/EN 60384-4— Elektrolytkondensatorer i aluminium med fast (MnO ₂ ) og ikke-fast elektrolytt
• IEC/EN 60384-15— Faste tantalkondensatorer med ikke-solid og fast elektrolytt
• IEC/EN 60384-18— Faste aluminiumelektrolytiske overflatemonterte kondensatorer med solid (MnO ₂ ) og ikke-solid elektrolytt
• IEC/EN 60384-24— Utenpåliggende faste tantalelektrolytkondensatorer med ledende polymer fast elektrolytt
• IEC/EN 60384-25— Utenpåliggende faste elektrolytiske kondensatorer i aluminium med ledende polymer fast elektrolytt
• IEC/EN 60384-26— Faste elektrolytiske kondensatorer i aluminium med ledende polymer fast elektrolytt

Marked

Markedet for elektrolytkondensatorer i 2008 var omtrent 30% av det totale verdimarkedet

• Elektrolytkondensatorer i aluminium - 3,9 milliarder dollar (22%);
• Tantalelektrolytkondensatorer - 2,2 milliarder dollar (12%);

I antall stykker dekker disse kondensatorene omtrent 10% av det totale kondensatormarkedet, eller omtrent 100 til 120 milliarder stykker.

Produsenter og produkter

Dato for tabellen: mars 2015

Se også

• E-serie med foretrukne tall
• Typer kondensatorer

Referanser

Videre lesning

• Den elektrolytiske kondensatoren ; 1. utgave; Alexander Georgiev; Murray Hill Books; 191 sider; 1945. (arkiv)

Eksterne linker