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铝电解电容器如何才能使用寿命更长?

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发表于 2018-2-7 01:27 PM | 显示全部楼层 |阅读模式

铝质电容器通常用于当紧凑型设计,不过这种电容器是众所周知的大损耗电容器,然而它的工作寿命对应用可以是至关重要的,只是要在规格表中找出它的具体寿命,倒是要花上一些工夫滴。

采购长工作寿命铝电解电容器并非易事,因为不同的生产商的规格表的格式各有差异,每家公司都希望把产品的最佳性能放在最当眼的位置,来突出自己产品的优秀,使得要把各种产品放在同一条在线比较变得迂回曲折。




就如其它电容器一样,铝电解电容器必须标明其电压和电容值,一般地来说数值越高,产品越好。另外通常需要更小尺寸和等效串联电阻(ESR),这都会造成更高成本。而这4个因素往往是互相关联的。这些数字通常都可以在规格表中找到,但是一旦加入长寿命这一考虑因素,事情便变得异常复杂,因为电容器的工作寿命与工作温度有关:某一个制造商可能指在+85˚C的工作温度下能实现一定的工作时数,而另一制造商的工作寿命则可能基于+105˚C的工作温度。




很明显,起始点是找出要求的器件工作时数,然后再查看它们的工作环境条件。正常状况下,在较低的温度会延长工作寿命,如果工作环境不会出现更高的温度,选择一个较低工作温度而寿命较长的器件会是个正确的决定。虽然价格也是一个重要因素,但这需要和故障成本一并考虑。例如需要长工作寿命电容器的其中一个理由是有关设备将会安装到诸如离岸油井等等较难接触的地点,这样,电容器价格相较于电容器失效所需的巨大维护成本可说是微不足道。




设计人员也需要查找工作寿命终结的具体意义。不少元器件老化后性能减退,但是其工作参数仍然在可接受的范围。不过,某一应用的可接受参数不一定适用于另一应用。以电源应用为例,当电容器作为输入缓冲器使用时,寿命终结意味着在输出电压过低时,电容会下降到低于足够为DC-DC转换器提供能量的水平。而在输出缓冲器应用中,寿命终结则代表阻抗上升,超越输出电压和纹波电压的交叉点,使得电源驱动的电路出现问题。




电解电容器最普遍的失效原因是电解质本身随时间蒸发的特性,使电气特性出现变化。电容器是由两个中间以一层介电质分隔的导电层组成,其阳极是一块经扩大表面面积的铝片,而上面的氧化层则用作介电层。工作的电解质是导电液体,因而有蒸发的问题。第二块铝片是阴极片,用于把电流传到工作电解质。阳极氧化是用于延长电容器寿命的制造工艺,以确保使用的材质带高纯度。





在正常工作温度范围,环境气温每下降10˚C,电容器的工作寿命便会延长一倍。增加电压以减小电介质失误会使ESR增加,进而使电容器温度上升,因而缩短工作寿命。气温下降也会增加ESR,使得输出电压纹波和环路增益变大。在电源应用中,这会造成震荡和不稳定。



现阶段提供长寿命铝电解电容器有3家主要生产商:松下(Panasonic)、威世(Vishay)和爱普科斯(Epcos)。
以下我们将列出这些生产商的产品特点作例子,指出它们的产品寿命和耐久性描述差异。

产品与应用


松下Panasonic
松下的EEU-FR 系列是长寿命电解电容器的一个好例子。这一径向引线型铝质器件所标示的寿命为10,000小时@ +105˚C,比上一代产品系列高一倍,电容量也高出三分之一。它们适用于开关模式适配器、线路噪声消除、LCD背光、LED系统、替代能源设备和家用电器等。
这一产品系列的电容量由22到8200µF,全工作温度范围为-40 到+105˚C。而10,000小时工作寿命其实是引用直径10mm或更大尺寸外売的产品的数值,但是这一系列的尺寸是介乎于5mm到16mm。直径10mm以下的产品,其耐久性会显著减小,因而必须在规格表中找出具体的工作寿命。例如 EEU-FR1E470 的直径尺寸为5mm,额定电容量47µF,规格表列出的寿命为2000小时。
另一具有长寿命的产品是松下的EEU-TP 系列径向铝电解电容器。它在+125˚C 工作温度下的寿命为5000小时,在+135˚C的最高工作温度仍然提供2000小时的寿命。这一系列的电容值为100 到 5100µF。除了电源应用外,也适用于汽车电动转向应用。


威世Vishay
威世提供多个长寿命产品系列,其中128 SAL-RPM径向引线型铝电解电容器引用的产品寿命数字为10,000小时,即使在+125˚C其有效寿命也长达20,000小时。不过当温度升到+175˚C,其有效寿命显著下跌到2000小时。鉴于只有非常少数的应用要求这样高工作温度,威世的数据表也特别指出在+40˚C的最佳工作温度下,产品能够实现300,000小时以上的寿命。


这些器件的电容值介乎于0.22 到 68µF之间,最佳工作温度为-55˚C;取决于具体电压,最大工作温度则为+85 或 +125˚C。这一系列的应用非常广泛,包括视频音频设备、汽车、高温工业应用和电信等等,可用于小功率电源和DC-DC转换器的谐波、滤波和缓冲应用。


爱普科斯Epcos
另外一款长寿命产品为爱普科斯B41554系列带螺栓端接的铝电解电容器。它们的电容值介乎于1500 到 220,000µF之间,在+125˚C的寿命测试结果为2000小时。在这一温度下的可用寿命则比测试结果略高,51.56mm 以下直径尺寸的产品寿命为2500小时以上,大于64.3mm 直径的产品则为5000小时以上。不过可用寿命在较低温度下显著延长,例如在+85˚C则分别为15,000和25,000小时。而在+40˚C下所有尺寸的产品寿命可达到200,000小时。
不过这一类型电容器的最佳应用并不是高工作温度环境,而是基于全转换拓朴的发电风机,它有助于减省机械变速箱,防止机械磨损而引致的故障。要在发电机组总体寿命期间实现工作成本效益──说的是在典型工作条件下使用超过20年──风机内的组件保持零维护的可靠性是至关重要的。

爱普科斯B43564 和 B43584带螺栓端接的铝电解电容器能够为这些严苛要求提供所需要的电容量和可靠性、长寿命和温度范围。它们拥有尺寸受限的风能发电环境所需要的高能量密度,并且支持配合风能设备的串联和平行连接。它们的最高工作温度为+85˚C,取决于电压,在这一温度的可用寿命达12000或15000小时以上。在+40˚C 温度下,工作寿命可延长至250,000 小时。电容量范围为820到33,000µF。


总结

铝电解电容器一般用于低频或高频滤波和能量存储。这些应用需要高电容量值和额定电压。相较于其它技术,这些器件有小尺寸和小电压尖峰敏感度的优点。它们宽泛的尺寸范围足够配合大部分应用。不过这些优点也反映在价格上,因而电容器成为电源应用中最昂贵的无源器件之一──虽然铝电解电容器已是其中最便宜的选择。
不过正如上面的例子显示,选择合适的铝质电容器是个颇花时间的工作,往往牵涉在不同格式的规格表中寻找有用信息。电路仿真程序某程度上可以提供帮助,但是遇上一些频率相关的器件特点时则作用不大。设计人员需要了解频率相关行为如何随时间改变,因为这些行为会对长寿命应用有关键影响。

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