Condensatoare electrolitice - Noțiuni de bază și proprietăți
Condensatoarele electrolitice oferă o capacitate mai mare pentru un volum dat decât alte tehnologii de condensatoare. Condensatoarele electrolitice specificate corect pot atinge o durată de viață de peste 20 de ani în aplicații industriale solicitante. Acest articol explică structura unui condensator electrolitic și caracteristicile sale de funcționare.
Condensatoarele electrolitice sunt incluse în mod obișnuit în această categorie „Componente pasive” clasificate. Specificarea condensatoarelor de uz general pentru sectorul consumatorilor este de obicei relativ ușoară. În aplicațiile industriale care necesită un condensator cu o durată de viață mai mare, procesul de selecție este mai complex și trebuie luați în considerare diferiți parametri din aplicație.
Principiul de bază al unui condensator
Un condensator este format din două plăci metalice care sunt separate de un dielectric. Suprafețele plăcilor metalice (A), dielectricul și decalajul dintre plăci (d) determină caracteristicile condensatorului: ε0 este permisivitatea spațiului liber (8,85. 10-12 F/m) și εr permitivitatea Dielectric (oxid, hârtie, electrolit).
Aceasta este teoria. În practică, plăcile metalice sunt folie de aluminiu, iar dielectricul este un strat de oxid pe anod. Folie catodică se află între straturile de hârtie îmbibate cu electrolit și servește ca un fel de placă de capăt. Foliile și hârtiile sunt înfășurate și plasate într-un cilindru pentru a minimiza volumul. Urechile de conectare conectează înfășurarea la bornele montate pe placa de acoperire a condensatorului. Majoritatea condensatoarelor electrolitice sunt polarizate. Dar există și situații speciale în care se găsesc electroliți nepolarizați, de ex. în aplicațiile de pornire a motorului.
Fabricarea și construcția condensatoarelor electrolitice
Folia de aluminiu este utilizată pentru anod și catod. Folie anodică este o parte importantă a condensatorului electrolitic din punct de vedere al performanței și reprezintă de obicei mai mult de 75% din costul total al condensatorului. Folia este măsurată prin cantitatea sa de capacitate pe zonă și tensiunea de formare a oxidului. Pentru a crește suprafața, folia este gravată pentru a forma tuneluri. Acest proces este utilizat pentru a determina grosimea filmului.
Film de bază este format din 99,9% aluminiu și are de obicei o grosime de 100 µm. Gravarea tunelului se realizează utilizând un proces electrochimic; diametrul tunelului este de obicei 1 până la 2 µm și o lungime de 50 µm. Densitatea tunelului este apoi de 25 de milioane pe cm 2, iar suprafața foliei gravate este de aproximativ 100 de ori mai mare decât cea a unei folii netede.
După ce folia anodică a fost gravată, aceasta este apoi „modelată” prin aplicarea unui strat de oxid de aluminiu fără pori pe suprafața foliei gravate. Acest strat de oxid este dielectricul condensatorului. Stratul de oxid este depus de o tensiune aplicată și grosimea oxidului este proporțională cu stresul de formare. Capacitatea este invers proporțională cu grosimea oxidului.
Cu alte cuvinte, cu cât este mai mare stresul de formare, cu atât este mai mică capacitatea pe zonă. Pentru condensator, aceasta înseamnă tensiuni mai mici pentru valori de capacitate relativ mari și o reducere a capacității cu tensiuni crescânde. Caracteristica oxidului aluminiului este sensibilă la polaritate și, prin urmare, polaritatea inversată duce de obicei la eșec catastrofal.
Straturile de hârtie separă foliile anodice și catodice. Hârtia este utilizată pentru a ține electrolitul și pentru a preveni căderile de tensiune cu acesta. Lucrările au, de asemenea, un efect asupra VSH (rezistență efectivă în serie). Cu cât tensiunea este mai mare, cu atât hârtia trebuie să fie mai robustă, deci ESR crește. Prin urmare, parametrii ESR sunt mai mari pentru condensatorii electrolitici cu o tensiune nominală mai mare.
Înfășurarea este impregnată cu electrolitul. Aceasta are o valoare neutră a pH-ului, conductivitate ridicată și este stabilă la temperaturi ridicate. În legătură cu hârtiile de eliberare, electrolitul are o tensiune de scintilație ridicată. Scintilația este precursorul căderii de tensiune între anod și folia catodică. Electrolitul are capacitatea de a forma oxid (pentru a reduce curentul de scurgere) și este ignifug. Electroliții de înaltă tensiune sunt de obicei mai vâscoși decât electroliții de joasă tensiune. Pentru a susține procesul de impregnare, se adaugă un strat suplimentar de hârtie, care este foarte absorbant și acționează ca un fitil pentru electrolitul vâscos. Cu toate acestea, acest strat suplimentar de hârtie crește din nou valoarea ESR. După ce înfășurarea a fost impregnată cu electrolitul, este introdusă într-o cutie de aluminiu și placa de acoperire este sigilată cu o garnitură de cauciuc.
La producătorul Itelcond, o mare parte din activitatea de cercetare și dezvoltare se concentrează pe dezvoltarea electroliților. Interacțiunea electrolitului cu hârtiile și folia anodică este un domeniu intens de studiu, astfel încât Itelcond are conexiuni cu diverse universități de cercetare, grupuri de inovare și centre de cercetare și dezvoltare din Italia și Japonia.
Procesul de îmbătrânire a condensatoarelor electrolitice
De îndată ce condensatorul este montat în carcasă și placa de acoperire este sigilată, condensatorul suferă un proces de îmbătrânire artificială. Îmbătrânirea are loc prin aplicarea controlată a tensiunii, curentului și temperaturii și poate dura între una și 20 de ore, în funcție de dimensiunea condensatorului. Îmbătrânirea este importantă pentru a „vindeca” daunele minore ca urmare a prelucrării în stratul de oxid de pe folia anodică. Efecte de fabricație suplimentare pot fi văzute pe marginile tăiate ale filmului, la punctele de conectare ale clemelor și pe partea inferioară a clemelor. Procesul de îmbătrânire aduce curentul de scurgere, numit și curent de scurgere, la un anumit nivel. Într-o lume ideală, nu curge curent printr-un condensator, dar în practică curge un curent de scurgere și procesul de îmbătrânire minimizează acest lucru la un anumit nivel.
Acest nivel indică un nivel acceptabil de curent de scurgere pentru ca condensatorul să funcționeze corect într-o aplicație. Curentul de scurgere continuă să scadă în timp până la un nivel care este doar o fracțiune din valoarea specificată. Cu un condensator cu șurub mare, reducerea într-o singură aplicație poate fi de câteva sute de ore de funcționare. După îmbătrânire, fiecare condensator este testat pentru a se conforma specificațiilor și apoi este învelit într-un material izolant, de obicei din PVC sau PET. Condensatorul este acum gata să fie livrat clientului.
Luarea în considerare a toleranței condensatoarelor electrolitice
La fel ca amprentele digitale, nu există doi condensatori electrolitici identici. Acest lucru se datorează naturii electrochimice a unui condensator electrolitic. Datorită acestei variații, condensatorii electrolitici sunt specificați cu toleranțe de obicei de ± 20% sau -10%/+ 30%. Dar ce înseamnă asta în practică? Figura 6 prezintă două diagrame gaussiene ale unui lot tipic de condensatori.
Pentru un condensator cu o toleranță de ± 20%, capacitatea nominală este de obicei de la 8% la 10% peste limita procentuală inferioară. Majoritatea valorilor de capacitate dintr-un lot de condensatoare se situează între limita procentuală inferioară și capacitatea nominală. Acesta este un compromis foarte popular între valoarea reală a capacității și preț și poate fi găsit pe multe piețe din întreaga lume.
Cu un condensator cu o toleranță de –10%/+ 30%, capacitatea este apropiată de valoarea nominală a capacității. Majoritatea valorilor capacității într-un lot de condensatoare vor fi aproape de ambele părți ale valorii nominale. Acest lucru oferă designerului opțiuni mai bune atunci când o anumită performanță este importantă.
Această distribuție de 40% se datorează formării variațiilor în folia anodică. Cu mulți ani în urmă, o toleranță de ± 50% era standard, dar progresele în tehnologia de formare au redus acest lucru și o răspândire de 30% nu este neobișnuită în desenele personalizate. Etanșeitatea reprezentării Gaussiene depinde de calitatea foliei anodice. Foile mai bune provin de obicei din Europa și Japonia. Itelcond folosește doar filme europene.
Influențe asupra capacității
Există o anumită influență asupra capacității cauzată de frecvență, temperatură și modul în care este măsurată capacitatea. Capacitatea va scădea cu frecvența așa cum se arată în formula C = 1/(2 π. F. Z)). La această temperatură, capacitatea la 50 ° C este cu aproximativ 2% mai mare decât la 20 ° C. Această creștere este mai mare la tensiuni nominale mai mici și cu folii gravate adânc. Modul în care este măsurată capacitatea are cel mai mare efect, fie capacitatea de curent alternativ conform metodei punții LCR, fie capacitatea de curent continuu conform metodei de încărcare-descărcare C = Q/V. Metoda încărcare-descărcare poate duce la valori cu 10% până la 30% mai mari comparativ cu metoda punții LCR.
Utilizarea condensatoarelor
Performanța specificată de condensator poate varia în funcție de industrie. Condensatorii ieftini pentru aplicațiile de consum nu ar trebui, în general, să funcționeze la limita de performanță. Chiar dacă specificația acestor condensatori este dată de 400 V și 85 ° C, din motive de cost, acestea sunt de obicei proiectate astfel încât să funcționeze la o tensiune și o temperatură mai mici.
Condensatoarele pentru aplicații industriale, care sunt fabricate de producători de calitate precum Itelcond, sunt proiectate în așa fel încât să poată fi acționate cu puterea specificată fără probleme, ceea ce se remarcă și în preț. Uneori proiectanții doresc să acționeze condensatorii la valori reduse de putere, fie prin alegerea personală, fie prin cerințele prescrise de piața finală, ca un fel de tampon de siguranță. De exemplu, puteți lua un condensator de 450V și îl puteți folosi într-o aplicație de 350V. Ce folos ne aduce asta?
Din diagramă se poate observa că nu există niciun alt avantaj în reducerea condensatorului sub 80% din tensiunea nominală. Factorul de tensiune are un efect mai puternic la temperaturi mai ridicate ale condensatorului și este un parametru care este inclus într-un calcul al duratei de viață. Valoarea 1,4 corespunde unei creșteri a duratei de viață preconizate de 40%. Și aici, condensatoarele electrolitice sunt supuse unui compromis; costurile suplimentare pentru tensiunea mai mare pot fi justificate pentru o durată de viață mai lungă?
Influențe asupra curentului de scurgere (curent de scurgere)
Am vorbit despre curenții de scurgere și despre procesul de îmbătrânire în timpul fabricării. Aici putem arunca o altă privire asupra curentului de scurgere și a influenței temperaturii. Curentul de scurgere este curentul de defect care continuă să curgă după ce un condensator a fost încărcat complet. Curentul de scurgere este dependent de tensiune și temperatură. Așa cum se poate vedea în Figura 8, curentul de scurgere este scăzut până ajunge la un punct în care crește rapid. Tensiunea nominală este specificată în punctul în care curentul de scurgere crește rapid (acest punct este valoarea limită specificată). Intervalele de temperatură sunt de obicei descrise ca 85 ° C și 105 ° C.
Dacă aceste temperaturi sunt depășite, curba se deplasează efectiv spre stânga și curentul de scurgere crește drastic la tensiunea nominală specificată. Cu toate acestea, în condiții speciale, această curbă poate fi utilizată și deplasată spre dreapta; dacă condensatorul este rece, tensiunea nominală poate fi depășită. Acest truc poate fi folosit în aplicații fotovoltaice în care invertorul este situat în spațiul de acoperiș neîncălzit. Tensiunea unui panou solar poate fi cu aproximativ 20% mai mare dacă este expusă la lumina puternică a soarelui într-o dimineață rece de iarnă, dar înainte de alimentarea cu energie electrică. Această tensiune cu 20% mai mare este indicată de circuitul intermediar al invertorului și condensatorii electrolitici trebuie să poată rezista acestei tensiuni crescute.
Dacă sunt reci, de obicei 0 ° C, iar condensatorii sunt în spațiul rece al acoperișului, tensiunea nominală poate fi mărită. De obicei, un condensator electrolitic de 500 V poate funcționa la 550 V în aceste condiții. Cu toate acestea, se recomandă prudență, deoarece ESR este foarte ridicat la frig, invertorul trebuie încălzit într-un mod controlat pentru a limita curentul de ondulare. Panoul solar va ajuta aici, deoarece tensiunea scade imediat ce produce electricitate.
Figura 9 prezintă curbele ESR pentru un condensator electrolitic tipic. Puteți vedea cum ESR crește drastic la temperaturi mai scăzute. Într-o aplicație fotovoltaică, încălzirea este necesară în condiții controlate, deoarece ESR este atât de mare. Prea mult curent de ondulare și condensatorul supraîncălzit. O încălzire ușoară crește, de asemenea, temperatura condensatorului, dar ESR este redus și odată cu acesta încălzirea internă din nou.
În multe aplicații de energie cu curenți de undă între 50 și 500 Hz, proprietatea ESR a unui condensator electrolitic este importantă. VSH este rezistența la ondulare a curentului alternativ. După cum sa menționat deja, VSH este dependentă de temperatură și frecvență, dar și de durata de utilizare. Va crește ușor pe parcursul întregului timp de funcționare. Cu toate acestea, atunci când condensatorul ajunge la sfârșitul vieții sale, rata de creștere se accelerează. De obicei, se presupune că acest lucru este cazul de îndată ce ESR a atins de trei ori valoarea inițială. Dacă condensatorul este acționat mai departe, ESR crește și până când încălzirea internă atinge temperatura maximă a condensatorului.
Dependențe reciproce într-un condensator electrolitic
În timp ce folia anodică, capacitatea, tensiunea și curentul de scurgere sunt strâns legate, ESR și electrolitul sunt, de asemenea, împletite. Când se folosește condensatorul electrolitic, curentul de ondulare și ESR conduc la încălzirea I 2 R și, astfel, la degazarea electrolitului. Ca urmare, presiunea internă crește și există o anumită difuzie prin etanșare între placa de acoperire și cupă. Acest lucru face ca condensatorul să se usuce în timp, ceea ce duce la o creștere a ESR. Un electrolit stabil reduce excesul de gaz și, astfel, rata ESR crește. Un curent de scurgere prea mare poate duce, de asemenea, la încălzire și degajare, accelerând astfel creșterea ESR.
Condensatoarele electrolitice respectă legea lui Arrhenius: dacă temperatura ambiantă scade cu 10 K, durata de viață este dublată. Un condensator electrolitic poate fi proiectat pentru utilizare într-o aplicație solicitantă și cu cât este mai sofisticat, cu atât costul condensatorului este mai mare. De obicei, este mai ieftin să folosiți un ventilator pentru a accelera disiparea căldurii de la un condensator electrolitic într-un mediu fierbinte și, astfel, pentru a limita creșterea generală a temperaturii.
Cu alte cuvinte, capacitate, ESR și curent de scurgere, temperatură, tensiune și frecvență. Merge în sus? Merge în jos? Confuz? Tabelul rezumă diferitele aspecte atunci când se utilizează condensatorul electrolitic.
Alte caracteristici de luat în considerare sunt designul inițial al condensatorului. Am văzut deja unde valorile capacității scad odată cu creșterea tensiunii nominale. VSH va crește pe măsură ce crește tensiunea nominală din cauza hârtiei și a electrolitului mai groase. Pentru aplicații cu curenți mari de ondulare, avem opțiunea de a folosi o peliculă cu câștig redus care are un ESR mai mic sau o peliculă standard care permite unei tensiuni mai mari să profite de avantajele de reducere a tensiunii (reducere). Fiecare soluție are avantajele și dezavantajele sale.
Adesea se pun întrebări cu privire la termenul de valabilitate. Așa-numita perioadă de valabilitate sau durata de valabilitate este determinată de stocarea statică a condensatorului electrolitic, fie în cadrul aplicației, fie nu este instalat separat. Timpul și temperatura au un efect asupra unui condensator inactiv în care curentul de scurgere crește încet în timp, fără a fi aplicată o tensiune. Procesul de îmbătrânire este inversat atunci când are loc o schimbare chimică. Prin urmare, îmbătrânirea este necesară din nou înainte de utilizare.
Într-un depozit tipic, termenul de valabilitate ar trebui să fie de cel puțin doi ani. În plus, curentul de scurgere poate depăși valorile limită. Dacă este necesară maturarea, aceasta trebuie făcută la temperatura camerei. Pentru a face acest lucru, conectați o sursă de tensiune care corespunde tensiunii nominale, dar curentul este limitat la valoarea maximă a curentului de scurgere a condensatorului. În funcție de starea inițială, poate fi necesară o post-îmbătrânire de una până la patru ore.
În rezumat, se poate spune că condensatoarele electrolitice nu sunt simple componente pasive cu puțini parametri. Un condensator electrolitic reprezintă multe compromisuri în ceea ce privește performanța, prețul și durata de viață. Experiența și cunoștințele tehnice în legătură cu materiale de înaltă calitate garantează în cele din urmă un produs care îndeplinește cerințele tehnice cu durata de viață așteptată.
* Falko Ladiges este liderul echipei PEMCO la WDI AG.
* Christopher Spence este director de produs la Itelcond SRL.