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    電解電容器中的紋波電流和額定紋波電流

    時間: 2021-01-27 瀏覽次數:
    1、電解電容器的紋波電流 電解電容器 在使用過程,加在電解電容器兩端的電壓隨時間波動變化,忽高忽低,電容器就產生充放電,有電荷流動,形成電流,電解電容器上這個高低不停
    1、電解電容器的紋波電流
           電解電容器在使用過程,加在電解電容器兩端的電壓隨時間波動變化,忽高忽低,電容器就產生充放電,有電荷流動,形成電流,電解電容器上這個高低不停變化的電壓,其隨時間變化的曲線類似在平靜的池塘面投下一塊石子,石子在水面激起的一圈圈鏈漪有波峰也有波谷。于是人們形象地把電解電容器兩端的這種電壓稱紋波電壓,由紋波電壓所加在電容器上,電容器就進行充放電,由此在電容器中形成的電流就形象的稱之為紋波電流。電解電容器中的紋波電流I和其兩端的紋波電壓V及容量C,其上的電量Q有下面的關系:
        因為C=Q⁄V=(dQ⁄dt)/(dV⁄dt) dQ⁄dt=I
        所以I=C×(dV⁄dt)
     
    2、電解電容器的額定紋波電流
           電解電容器在使用過程中有一個重要參數,即電解電容器的額定紋波電流,該參數不同的廠家有不同的值,就是同一廠家同一規格不同系列的產品,其額定的紋波電流也不一定相同。它是由電解電容器制造商給出的。電解電容器中的紋波電流和其額定紋波電流是兩個不同的概念?! ?/div>
           電解電容器的額定紋波電流的確定,主要是根據該規格電解電容器的用途及使用條件及工作時間(俗稱壽命)和電容器自身的材料性能由電解電容制造商來確定的。
     
    3、確定某一規格電解電容器的額定紋波電流需要考慮的因素
      (1)電解電容器的壽命
      壽命是電解電容器制造商對用戶的承諾,簡單點講就是電容器在一定使用條件所能有效工作的時間,也是用戶進行電解電容選型的重要關注點之一,這個一般各制造商在其產品手冊上都會給出。
         (2)電解電容的等效串聯電阻ESR
      ESR大小決定了紋波電流在電解電容器中的發熱量的大小。理論上講紋波電流在電解電容器中產生的熱量(單位時間里):這里I是紋波電流的有效值,ESR是電容器的等效串聯電阻。
         (3)電解電容在上限溫度時,電解電容內部的壓力
      當工作時,電解電容工作時所處的環境溫度比較高。由于電解電容器自身的損耗發熱,其內部的溫度比所處的環境溫度要高,一般的濕式電解電容器的液態電解液都會產生汽化,產生一定的蒸汽壓,該蒸汽壓和被封在電解電容器內部的空氣所產生的壓力構成了電解電容內部的總壓力,各種分壓的大小遵從道爾頓分壓定理。內部總壓力不能大于電解電容器鋁殼安全閥的抗壓強度,否則安全閥會開啟,電解電容器失效。電解電容器內部壓力和外部壓力差是造成電解液泄漏的原因。
         (4)電解電容的密封特性
      由于電解電容的電解液是液態的,電解電容在工作時,電解液汽化產生蒸汽壓,為防止電解液逃逸造成電解失效,就用鋁殼和膠蓋將芯子密封起來,膠蓋與鋁殼和芯子鋁梗的密封,是一種非匹配密封,都會有一定的泄露,泄露的大小除與膠蓋材質封接表面光潔度,鋁殼鋁梗表面光潔度,封口工藝,鋁梗與膠蓋孔配合程度之外還和電解液在電解電容工作時產生的飽含蒸汽壓有關,飽和蒸汽壓越大,電解電容內部與鋁殼外界的壓力差就越大,電解液的泄露也就越快,相對而言,電解電容的壽命就會縮短?!?/div>
      
           (5) 電解液的穩定性
        電解液在電解電容工作時,溫度本身就比較高,電解液除修復正箔氧化膜之外,自身還進行著一些化學反應。例如以乙二醇為溶劑的電解液在高溫下會發生脂化反應,因此電解液的穩定性對電解的壽命也有主要的影響,但是一般來說,穩定性越好,導電率就越差,這是一對矛盾,故長壽命高溫電解的ESR不能過分要求太小。
        (6)其他因素
           總體來說影響電解電容的額定紋波電流的因素很多,除以上5點比較重要的因素之外,電解液修復氧化膜的能力,正極箔的損耗都要考慮。此外還要考慮到電解電容的可靠性,電解電容器的額定紋波電流是在一定溫度頻率下,電解上施壓的電壓不超過額定值,其在電解上產生的紋波電流不超過額定紋波電流則可保證電解電容器壽命不低于廠商承諾的值,電解電容器的額定紋波電流不是能直接計算出來的,也不是簡單的測試幾個參數就能確定,必須進行一定的批量的壽命試驗才能確定的,這樣是要花費相當的成本和時間,流傳的用測試電解電容內部芯子最高溫升來確定紋波電流的方法很不全面,只考慮了電解的發熱,沒有考慮其它眾多因素。比如,若電解電容器的密封性差,即使電解溫升不高,在較高環境溫度下,電解液也會很快逃逸,電解失效,另外,電解電容內部的最高溫度如何確定,測試帶來的誤差如何確定等都未明確給出方法。
           用戶在使用電解電容器的過程中,為了保證電解電容器的壽命應根據工作的實際情況使電解上的紋波電流不超過廠家規定的額定值,也就是說電解電容的額定紋波電流就是在廠家規定的條件下為保證工作壽命在電解電容上所能施加的最大紋波電流。
     
    4、頻率修正系數
           在電解電容器的實際使用中,有多種多樣的情況,用于功率電子方面的電解電容,一般是用于市電整流后的的濾波和高頻整流后濾波的場合(f≤100kHz)濾波。但大多數電解電容制造商都會直接給出的是100kHz或120Hz時的額定紋波電流。電解電容器額定的紋波電流在不同的頻率下有不同的值,一般電解電容制造商都給出了頻率修正系數,在不同頻率下使用時,其額定紋波電流都要作以修正。
           紋波電流修正系數是貼片鋁電解電容廠家根據自己產品的設計及性能和材料制造工藝來確定,在考慮這些情況后再實際測試電解電容器的ESR隨頻率的變化,根據不同頻率下額定紋波電流發熱是相等的原則,即:If12(f1)×ESR(f1)=I2f2(f2) ×ESR(f2)
           其中,f1,f2是不同紋波電流的頻率。
           ESR(f1),ESR(f2)是電解電容器分別在f1,f2頻率下的等效串聯電阻。If1,If2是電解電容器分別在f1,f2頻率下的額定紋波電流。
           實際上通過電解電容上的紋波電流是很復雜的很少有簡諧波,對各種頻率不連續的紋波電流,其是否超過額定紋波電  流,可按以下公式來確定:紋波電流在電解中單位時間里的發熱量(Q) 各頻率簡諧紋波電流單位時間里發熱量的總和為:Q=∑Ifi2× ESR(fi )(i=0,1,23。。。N)
           這Ifi 分別是電解電容器上通過頻率為fi 時該頻率紋波電流的分量,ESR(fi)是電解電容是在該頻率下的等效串聯電阻。
      在f0頻率下額定紋波電流I0(f0),在電解中單位時間里的發熱量Qf0:Qf0=I02(f0)× ESR(f0)若Q≤Qf0 則說明電解中通過的紋波電流沒有超過額定值,制造商提供的在額定溫度下額定電壓的壽命能保證達到。
           若 Q﹥Qf0則說明電解電容器中的紋波電流超過其額定值。即在額定溫度電壓壽命不能達到廠家承諾的壽命。
      Ifi是紋波電流的各個頻率的分量,通過對紋波電流做頻譜分析可獲得。
      上面的式子也可以變成:
           Q/Qf0 –{∑[ESR(fi )/ ESR(f0)]}/ I02(f0)
      實際上,因電解電容的ESR是隨使用時間變化的,它隨使用時間而增加,同時也為了保證可靠性一般ESR都取得比實際要大些值,ESR(fi)隨電解使用時間的變化規律相同,只要測出ESR(fi) 的變化規律求出其相對某頻率(f0)的相對值ESR(fi)/ ESR(f0)即可。
      若Q/Qf0。>1,說明電解電容器中的紋波電流大于其額定值。
      若Q/Qf0。<1,說明電解電容器中的紋波電流小于其額定值。
      若Q/Qf0。=1,說明電解電容器中的紋波電流等于其額定值。
      在實際使用中,考慮到可靠性的要求,一般電解電容中的紋波電流為其額定值的80%。
      以上的方法是理論推導,在實際工程中,利用廠家提供的紋波修正系數亦可方便地確定電解中的紋波電流是否超過其額定值。
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