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紅寶石電容選型要素探討
電路系統(tǒng)性能的穩(wěn)定可靠,與選用的元器件參數(shù)、等級(jí)、質(zhì)量等密切相關(guān)。設(shè)計(jì)師應(yīng)針對(duì)產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境以及電性能的要求,準(zhǔn)確提出對(duì)元件參數(shù)的具體要求,包括標(biāo)稱值、精度和誤差要求、穩(wěn)定性要求、溫度范圍要求、安裝尺寸以及與電路性能密切相關(guān)的其它要求。因在所有的被動(dòng)元件中,鋁電解電容的失效率*高,所以選型尤為重要。紅紅寶石電容
容量,耐壓,溫度范圍,元件封裝形式與尺寸
紋波電流、紋波電壓
漏電流、ESR、散逸因數(shù)、阻抗/頻率特性
電容壽命
實(shí)際需要、性能和成本等綜合考量電子元件技術(shù)網(wǎng)通過調(diào)查工程師在鋁電解選型和應(yīng)用中碰到的問題提出,要關(guān)注耐壓、容量、溫度和尺寸幾個(gè)參數(shù),也要注意鋁電解電容對(duì)整個(gè)電路的穩(wěn)定性問題。紅寶石鋁電解電容是以經(jīng)過蝕刻的高純度鋁箔作為陽極,以浸有電解液的薄紙或布做陰極構(gòu)成的極性電容器。
優(yōu)點(diǎn):
容量大
耐壓高
價(jià)格便宜
缺點(diǎn):
漏電流大
誤差大
穩(wěn)定性差
壽命隨溫度的升高下降很快數(shù)字電路中使用的鋁質(zhì)電解電容一般用于電源平滑濾波,除容量、耐壓、容量誤差、工作溫度、封裝尺寸等熟知的參數(shù)外,還有兒個(gè)有關(guān)電容器品質(zhì)的重要參數(shù),包括損耗角正切、漏電流、等效串聯(lián)電阻ESR、允許的紋波電流、使用壽命等。這些參數(shù)不標(biāo)在成品封裝外皮上,只在產(chǎn)品規(guī)格書中體現(xiàn)的,但這些參數(shù)有可能是關(guān)系電路性能的關(guān)鍵。
容量和額定工作電壓
鋁電解電容本體上標(biāo)有的容量和耐壓,這兩個(gè)參數(shù)是很重要,是選用電容*基本的內(nèi)容。
在實(shí)際電容選型中,對(duì)電流變化節(jié)奏快的地方要用容量較大的電容,但并非容量越大越好,首先,容量增大,成本和體積可能會(huì)上升,另外,電容越大充電電流就越大,充電時(shí)間也會(huì)越長。這些都是實(shí)際應(yīng)用選型中要考慮的。
額定工作電壓:在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi),電容長期可靠地工作,它能承受的*大直流電壓。在交流電路中,要注意所加的交流電壓*大值不能超過電容的直流工作電壓值。常用的固定電容工作電壓有6.3V、10V、16V、25V、50V、63V、100V、2500V、400V、500V、630V。電容在電路中實(shí)際要承受的電壓不能超過它的耐壓值。
在濾波電路中,電容的耐壓值不要小于交流有效值的1.42倍。另外還要注意的一個(gè)問題是工作電壓裕量的問題,一般來說要在15%以上。例如某電容的額定電壓是50V,雖然涌浪電壓可能高至63V,但一般*高只會(huì)施加42V電壓。
讓電容器的額定電壓具有較多的余裕,能降低內(nèi)阻、降低漏電流、降低損失角、增加壽命。雖然說,48V的工作電壓使用50V的鋁電解電容短時(shí)間不會(huì)出現(xiàn)問題,但使用久了,壽命就有可能降低。
介質(zhì)損耗
電容器在電場(chǎng)作用下消耗的能量,通常用損耗功率和電容器的無功功率之比,即損耗角的正切值表示(在電容器的等效電路中,串聯(lián)等效電阻ESR 同容抗 1/ωC 之比稱之為 Tan δ,這里的 ESR 是在 120Hz下計(jì)算獲得的值。顯然,Tanδ隨著測(cè)量頻率的增加而變大,隨測(cè)量溫度的下降而增大)。損耗角越大,電容器的損耗越大,損耗角大的電容不適于高頻情況下工作。散逸因數(shù)dissipationfactor(DF)存在於所有電容器中,有時(shí)DF值會(huì)以損失角tanδ表示。此參數(shù)愈低愈好。但鋁電解電容此參數(shù)比較高。
DF值是高還是低,就同一品牌、同一系列的電容器來說,與溫度、容量、電壓、頻率...都有關(guān)系;當(dāng)容量相同時(shí),耐壓愈高的DF值就愈低。此外溫度愈高DF值愈高,頻率愈高DF值也會(huì)愈高。
外型尺寸
外型尺寸與重量及接腳型態(tài)相關(guān)。singleended是徑向引線式,screw是鎖螺絲式,另外還有貼片鋁電解電容等。至於重量,同容量同耐壓,但品牌不同的兩個(gè)電容做比較,重量一定不同;而外型尺寸更與外殼規(guī)劃有關(guān)。一般來說,直徑相同、容量相同的電容,高度低的可以代用高度大的電容,但是長度高的替代低的電容時(shí)就要考慮機(jī)構(gòu)干涉問題。
ESR
一只電容器會(huì)因其構(gòu)造而產(chǎn)生各種阻抗、感抗。ESR等效串聯(lián)電阻及ESL等效串聯(lián)電感是一對(duì)重要參數(shù)─這就是容抗的基礎(chǔ)。一個(gè)等效串聯(lián)電阻(ESR)很小的電容相對(duì)較大容量的外部電容能很好地吸收快速轉(zhuǎn)換時(shí)的峰值(紋波)電流。用ESR 大的電容并聯(lián)更具成本效益。然而,這需要在 PCB 面積、器件數(shù)目與成本之間尋求折衷。
紋波電流和紋波電壓
在有的資料中稱作漣波電流和漣波電壓,其實(shí)就是 ripple current,ripplevoltage。含義就是電容器所能耐受紋波電流/電壓值。紋波電壓等于紋波電流與ESR的乘積。
當(dāng)紋波電流增大的時(shí)候,即使在 ESR保持不變的情況下,紋波電壓也會(huì)成倍提高。換言之,當(dāng)紋波電壓增大時(shí),紋波電流也隨之增大,這也是要求電容具備更低 ESR值的原因。疊加入紋波電流后,由于電容內(nèi)部的等效串連電阻(ESR)引起發(fā)熱,從而影響到電容器的使用壽命。一般的,紋波電流與頻率成正比,因此低頻時(shí)紋波電流也比較低。額定紋波電流是在*高工作溫度條件下定義的數(shù)值。而實(shí)際應(yīng)用中電容的紋波承受度還跟其使用環(huán)境溫度及電容自身溫度等級(jí)有關(guān)。規(guī)格書目通常會(huì)提供一個(gè)在特定溫度條件下各溫度等級(jí)電容所能夠承受的*大紋波電流。甚至提供一個(gè)詳細(xì)圖表以幫助使用者迅速查找到在一定環(huán)境溫度條件下要達(dá)到某期望使用壽命所允許的電容紋波量。
漏電流
電容器的介質(zhì)對(duì)直流電流具有很大的阻礙作用。然而,由于鋁氧化膜介質(zhì)上浸有電解液,在施加電壓時(shí),重新形成的以及修復(fù)氧化膜的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一種很小的稱之為漏電流的電流。通常,漏電流會(huì)隨著溫度和電壓的升高而增大。它的計(jì)算公式大致是:I=K×CV。漏電流I的單位是μA,K是常數(shù)。一般來說,電容器容量愈高,漏電流就愈大。從公式可得知額定電壓愈高,漏電流也愈大,因此降低工作電壓亦可降低漏電流。
壽命
首先要明確一點(diǎn),紅寶石鋁電解電容一定會(huì)壞,只是時(shí)間問題。影響電容壽命的原因有很多,過電壓,逆電壓,高溫,急速充放電等等,正常使用的情況下,*大的影響就是溫度,因?yàn)闇囟仍礁唠娊庖旱膿]發(fā)損耗越快。需要注意的是這里的溫度不是指環(huán)境或表面溫度,是指鋁箔工作溫度。廠商通常會(huì)將電容壽命和測(cè)試溫度標(biāo)注在電容本體。
因電容的工作溫度每增高10℃壽命減半,所以不要以為2000小時(shí)壽命的鋁電解電容就比1000小時(shí)的好,要注意確認(rèn)壽命的測(cè)試溫度。每個(gè)廠商都有溫度和壽命的計(jì)算公式,在設(shè)計(jì)電容時(shí)要參照實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。需要了解的是要提高鋁電解電容的壽命,**要降低工作溫度,在PCB上遠(yuǎn)離熱源,**考慮使用*高工作溫度高的電容,當(dāng)然價(jià)格也會(huì)高一些。
阻抗:
在特定的頻率下,阻礙交流電流通過的電阻即為所謂的阻抗。它與電容等效電路中的電容值、電感值密切相關(guān),且與ESR也有關(guān)系。電容的容抗在低頻率范圍內(nèi)隨著頻率的增加逐步減小,頻率繼續(xù)增加達(dá)到中頻范圍時(shí)電抗降至ESR的值。當(dāng)頻率達(dá)到高頻范圍時(shí)感抗變?yōu)橹鲗?dǎo),所以阻抗是隨著頻率的增加而增加。
開關(guān)電源中的輸出濾波電解電容器,其鋸齒波電壓頻率高達(dá)數(shù)十kHz,甚至是數(shù)十MHz,這時(shí)電容量并不是其主要指標(biāo),衡量高頻鋁電解電容優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是“阻抗-頻率”特性,要求在開關(guān)電源的工作頻率內(nèi)要有較低的等效阻抗,同時(shí)對(duì)于半導(dǎo)體器件工作時(shí)產(chǎn)生的高頻尖峰信號(hào)具有良好的濾波作用。
總結(jié)
從表面上來看DF、漏電流、ESR愈低,紋波電流愈高,鋁電解電容性能越好,但是性能提高的代價(jià)是體型的肥大和價(jià)格的提高。因此,鋁電解電容的選擇必須慎重,既要兼顧性能要求,又要考慮封裝尺寸,在設(shè)計(jì)時(shí)一定要針對(duì)系統(tǒng)要求,仔細(xì)查閱相關(guān)的產(chǎn)品手冊(cè),認(rèn)真確定適宜的型號(hào),并進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。