Johdanto säteittäisille kondensaattoreille
Radiaaliset elektrolyyttiset kondensaattorit ovat yleisimpiä elektronisia komponentteja, joita löytyy nykyaikaisissa piirimalleissa. Näillä lieriömäisillä komponenteilla, joilla on kaksi samasta päästä syntyviä johtoja, on tärkeä rooli virtalähteen suodatus-, energianvarastointi- ja signaalikytkentäsovelluksissa. Toisin kuin heidän aksiaaliset vastineet, joiden viittaukset ovat vastakkaisissa päissä, radiaaliset kondensaattorit tarjoavat kompakti jalanjäljen, joka tekee niistä ihanteellisia tiheälle asutulle tulostetut piirilevyt (PCBS-A.
Termi "elektrolyyttinen" viittaa niiden rakennusmenetelmään, joka käyttää elektrolyyttiä saavuttamaan huomattavasti korkeammat kapasitanssiarvot kuin muut kondensaattorityypit. Tämä tekee niistä erityisen arvokkaita sovelluksissa, jotka vaativat huomattavaa energian varastointia tai tehokasta aaltoilu virran suodatus Virtalähdepiirissä.
Historiallinen kehitys
Nykyaikaisten elektrolyyttisten kondensaattorien kehitys alkoi 1900 -luvun alkupuolella. Samuel Ruben patentoi ensimmäisen käytännön elektrolyyttisen kondensaattorin vuonna 1925, jossa käytettiin tantaalipentoksididielektristä. Alumiinielektrolyyttiset kondensaattorit seurasivat pian sen jälkeen, kun ensimmäiset märät elektrolyyttiset kondensaattorit esiintyivät 1930 -luvulla. Radiaalinen lyijykokoonpano tuli suosituksi 1960 -luvulla, kun elektroniset laitteet alkoivat pienentyä kooltaan samalla kun se lisääntyi monimutkaisena.
Perusperiaatteet
Elektrolyyttiset kondensaattorit toimivat ytimessä samalla perusperiaatteella kuin kaikki kondensaattorit: energian varastointi sähkökentällä kahden johtavan levyn välillä, jotka on erotettu dielektrisellä materiaalilla. Mikä tekee elektrolyyttiset kondensaattorit ainutlaatuisen, on se, että yksi "levy" on oikeastaan elektrolyyttiliuos, ja dielektrisyys on erittäin ohut oksidikerros, joka muodostuu metallianodiin. Tämä rakenne mahdollistaa paljon korkeammat kapasitanssiarvot pienemmässä tilavuudessa verrattuna muihin kondensaattorityyppeihin.
Rakenne ja materiaalit
Radiaalisten elektrolyyttisten kondensaattorien sisäisen rakentamisen ymmärtäminen on välttämätöntä asianmukaiselle valinnalle ja levitykselle. Nämä kondensaattorit koostuvat useista avainkomponenteista:
Anodi- ja katodi
Anodi on tyypillisesti valmistettu alumiinista tai tantalfioista, joka on syövytetty sähkökemiallisesti sen pinta -alan lisäämiseksi. Tämä etsausprosessi luo mikroskooppiset huokoset ja laaksot, jotka lisäävät dramaattisesti tehokasta pinta -alaa, joskus kertoimella 100 tai enemmän. Katodi on tyypillisesti elektrolyyttejä liotettu paperi tai johtava polymeeri.
Dielektrinen kerros
Dielektrisyys on oksidikerros, joka muodostuu anodin pinnalle sähkökemiallisen prosessin kautta, jota kutsutaan "muodostumiseen". Alumiinielektrolytiikkaa varten tämä on alumiinioksidia (al₂o₃), jonka paksuus on noin 1 nanometri volttia nimellisjännitettä kohti. Tämä uskomattoman ohut kerros on se, mikä mahdollistaa korkeat kapasitanssiarvot.
Elektrolyytti
Elektrolyytti toimii todellisena katodina märissä elektrolyyttisissä kondensaattoreissa. Nykyaikaiset elektrolyyttit ovat monimutkaisia kemiallisia seoksia, jotka on optimoitu:
- Korkea johtavuus
- Matala viskositeetti hyvään kyllästymiseen
- Kemiallinen stabiilisuus lämpötilan yli
- Matala höyrynpaine kuivauksen minimoimiseksi
- Yhteensopivuus oksidikerroksen kanssa
Kapselointi ja tiivistys
Kondensaattorielementti suljetaan alumiinisäiliöön kumi- tai polymeeritiivisteellä pohjassa. Tiivistön on estettävä elektrolyyttivuoto samalla kun painevapautus on sisäisen kaasun muodostumisen yhteydessä. Nykyaikaiset kondensaattorit sisältävät usein turvallisuusaukoja, jotka repeytyvät hallitulla tavalla, jos sisäinen paine muuttuu liialliseksi.
Keskeiset tekniset tiedot ja parametrit
Kondensaattorin eritelmien ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää komponenttien asianmukaiselle valinnalle. Tässä ovat kriittiset parametrit säteittäville elektrolyyttisille kondensaattoreille:
| Parametri | Kuvaus | Tyypillinen alue | Merkitys |
| Kapasitanssi | Varauskapasiteetti | 0,1 μf - 100 000 μF | Määrittää energian varastoinnin ja suodattamisen tehokkuuden |
| Nimellisjännite | Jatkuva tasavirtajännite | 6,3 V - 550 V | Kriittinen luotettavuuden ja turvallisuuden kannalta |
| Aaltoiluvirta | Suurin vaihtovirta määritellyllä taajuudella | Milliampia ampeereille | Määrittää virrankäsittelykyvyn |
| Vastaava sarjankestävyys (ESR) | Sisäinen vastus tietyllä taajuudella | 5MΩ - 5Ω | Vaikuttaa lämmöntuotantoon ja suodattamiseen |
| Vuotovirta | DC -virta dielektrisen kautta | Milliampia | Tärkeä energiaherkälle sovellukselle |
| Lensämpötila -alue | Käyttölämpötilarajat | -40 ° C -105 ° C (laajennettu 125 ° C: seen/150 ° C) | Määrittää ympäristön soveltuvuuden |
| Elinikäinen | Odotettu käyttöikä nimellislämpötilassa | 1 000 - 20 000 tuntia | Kriittinen ylläpidon suunnittelussa |
Kapasitanssitoleranssi
Elektrolyyttisissä kondensaattoreilla on tyypillisesti laajemmat toleranssit kuin muilla kondensaattorityypeillä, yleensä -20–80% vakioosissa. Tämä johtuu niiden valmistukseen osallistuvista monimutkaisista sähkökemiallisista prosesseista. Erittäin tarkkaa elektrolytiikkaa on saatavana tiukemmilla toleransseilla (± 10% tai parempi) sovelluksille, joissa tarkat kapasitanssiarvot ovat kriittisiä.
ESR ja impedanssi
Equivalent -sarjan vastus (ESR) on yksi tärkeimmistä parametreista nykyajan kondensaattorin valinnassa, etenkin kytkinmoodi virtalähde sovellukset. ESR edustaa kaikkien sisäisten resistiivisten häviöiden summaa ja aiheuttaa energian hajoamisen lämmön muodossa. Pienemmät ESR -arvot antavat kondensaattorit käsitellä suurempia aaltovirtauksia ja käyttää jäähdyttimiä.
Lämpötilavaikutukset
Lämpötilalla on merkittävä vaikutus elektrolyyttiseen kondensaattorin suorituskykyyn. Kun lämpötila laskee:
- Kapasitanssi vähenee (voi pudota 20-50% -40 ° C: ssa)
- ESR kasvaa huomattavasti (voi kasvaa vähintään 10 -40 ° C: ssa)
- Vuotovirta vähenee
Korkeissa lämpötiloissa tapahtuu päinvastoin, mutta kemialliset reaktiot kiihtyvät vähentäen käyttöelämää. Arrhenius -yhtälö ennustaa, että kondensaattorin käyttöikäiset jokaisen 10 ° C: n käyttölämpötilan nousun nimellislämpötilan yläpuolella.
Edut ja haitat
Edut
- Korkea kapasitanssi-tilavuussuhde: Tarjoa korkeimmat kapasitanssiarvot pieninä paketeissa
- Kustannustehokas: Yleensä halvempi mikrofaradia kohti kuin muut kondensaattoritekniikat
- Leveä jännitealue: Saatavana arvosanoilla muutamasta voltista useisiin satoihin volteihin
- Hyvät itsensä parantavat ominaisuudet: Pienet dielektriset viat voidaan korjata käytön aikana
- Helppokäyttöisyys: Yksinkertainen kaksiosainen kokoonpano selkeillä napaisuusmerkinnöillä
- Hyvä taajuusvaste: Sopii laajaan valikoimaan sovelluksia tasavirta- ja maltillisiin taajuuksiin
Haitat
- Polaarisuuden herkkyys: On kytkettävä oikealla napaisuudella vaurioiden välttämiseksi
- Rajoitettu säilyvyys: Elektrolyytti voi kuivua ajan myötä, etenkin korkeissa lämpötiloissa
- Korkeampi vuotovirta: Verrattuna elokuva- tai keraamisiin kondensaatioihin
- Rajoitettu käyttöikä: Elektrolyyttien haihtuminen aiheuttaa lopulta epäonnistumisen
- Lämpötilan herkkyys: Suorituskykyparametrit muuttuvat merkittävästi lämpötilan kanssa
- ESR -rajoitukset: Yleensä korkeampi ESR kuin polymeeri- tai keraamiset kondensaattorit
Radiaalisten kondensaatioiden sovellukset
Virtalähteen suodatus
Yleisin levitys säteittäisille elektrolyyttisille kondensaattoreille on virtalähdepiirissä, joissa ne tasoittavat korjatun vaihtojännitettä vakaan tasavirtasyötön luomiseksi. Ne absorboivat jännitteen vaihtelut ja tarjoavat hetkellisen virran huippuvaatimusten aikana.
Äänilaite
Äänipiirissä elektrolytiikkaa käytetään kytkentä- ja irrotussovelluksiin. Ne estävät DC: n ja sallivat vaihtovirtasignaalit kulkea, mahdollistaen vaiheen vaiheen kytkemisen vaikuttamatta esijänniteisiin.
Moottorin käynnistyspiirit
Yksivaiheiset vaihtovirtamoottorit käyttävät usein elektrolyyttisiä kondensaattoreita käynnistämiseen tarvittavan vaihesiirron luomiseen. Näiden kondensaattoreiden on käsiteltävä suuria ylijännityksiä ja ne on suunniteltu erityisesti moottorisovelluksiin.
DC-DC-muuntimet
Kytkentämoodin virtalähteet käyttävät elektrolytiikkaa sekä tulo- että lähtösuodatukseen. Kondensaattorin kyky käsitellä korkeaa aaltoilua tekee siitä ihanteellisen näihin sovelluksiin.
Energian varastointi
Sovelluksissa, jotka vaativat lyhytaikaisia tehon varmuuskopioita tai korkeita pulssivirtoja, elektrolytiikka tarjoaa kompakteja energian varastointiratkaisuja. Esimerkkejä ovat kameran salamapiirit ja virtalähteiden ilmastointijärjestelmät.
Signaalikytkentä
Analogisissa piireissä elektrolytiikkaa käytetään AC -signaalien läpäisemiseen estäen DC -komponentit. Niiden korkea kapasitanssi -arvot antavat heidän toimia tehokkaasti matalilla taajuuksilla.
Valintakriteerit
Oikean radiaalisen elektrolyyttisen kondensaattorin valitseminen vaatii useiden tekijöiden huolellista tarkastelua:
Jänniteaste
Valitse kondensaattori, jonka jänniteluokitus on vähintään 20-50% korkeampi kuin piirin suurin odotettu jännite. Tämä väheneminen vastaa jännitekohteista, transienteista ja pitkäaikaisesta luotettavuudesta. Toiminta nimellisjännitteellä tai sen jälkeen vähentää merkittävästi kondensaattorin käyttöikää.
Kapasitanssiarvo
Määritä vaadittu kapasitanssi sovelluksen perusteella:
- Laske virtalähteen suodattamiseksi hyväksyttävän aaltojännitteen perusteella
- Ajoituspiireissä laske vaadittujen aikavakioiden perusteella
- Seurataan irrottamista varten valmistajan suosituksia tietyille IC: ille
Lämpötilan näkökohdat
Valitse kondensaattorit, jotka ovat arvioitu sovelluksen maksimaaliseen käyttölämpötilaan. Muista, että sisälämpötilat voivat olla huomattavasti korkeammat kuin ympärist Valitse korkean luotettavuuden sovelluksista kondensaattorit, jotka on arvioitu 105 ° C: lle 85 ° C: n sijasta.
Elinikäiset vaatimukset
Laske odotettu elinikä käyttämällä kaavaa:
L 2 = L 1 × 2 (T 1 -T 2 )/10 × (VR 1 /VR 2 ) n
Jos t on lämpötila ° C: ssa, VR toimii jännitettä ja N on jännitteen kiihtyvyyskerroin (tyypillisesti 3-7).
Asennus ja käsittely
Oikea asennus ja käsittely ovat tärkeitä luotettavuuden kannalta:
PCB: n asettelun näkökohdat
Suunnitellessasi säteittäistä elektrolytiikkaa varten:
- Pidä riittävä puhdistuma kondensaattoreiden välillä ilmanvaihtoa varten
- Pidä poissa lämpölähteistä mahdollisuuksien mukaan
- Seuraa valmistajan suosituksia tyynyn koosta ja etäisyydestä
- Varmista riittävä kuparialue lämmön hajoamiseksi
Juotostekniikat
Oikea juotos on välttämätöntä vaurioiden estämiseksi:
- Käytä lämpötilan ohjaamia juotosraudat (enintään 350 ° C)
- Rajoita juottamisaika 3-5 sekuntiin lyijyä kohti
- Vältä liiallista mekaanista rasitusta johdoissa
- Älä koskaan juota lämmittämällä kondensaattorirunko
- Seuraa valmistajan palautusprofiileja SMD -versioille
Säilytys- ja säilytysikä
Elektrolyyttiset kondensaattorit hajoavat varastoinnin aikana:
- Säilytä viileissä, kuivissa ympäristöissä (alle 30 ° C)
- Kierrä varastossa FIFO: n (ensimmäinen, ensimmäinen Out) -järjestelmä
- Uudistuskondensaattorit, joita on varastoitu pitkään (> 1 vuosi)
- Vältä kemikaalien tai liuottimien säilyttämistä
Vikatilat ja vianetsintä
Yleisten epäonnistumismoodien ymmärtäminen auttaa vianetsinnässä ja ehkäisyssä:
Yleiset vikamekanismit
Elektrolyyttiset kondensaattorit epäonnistuvat useiden mekanismien kautta:
- Elektrolyyttien haihtuminen: Yleisin vikatila, etenkin korkeissa lämpötiloissa
- Tuuletus: Paineenrakentaminen aiheuttaa turva-aukon avautumisen
- ESR: n lisäys: Elektrolyytin menetyksen tai hajoamisen vuoksi
- Kapasitanssin menetys: Asteittainen varastointikapasiteetti
- Lyhyt piirit: Dielektrinen hajoaminen aiheuttaen katastrofaalista vikaantumista
- Johtava korroosio: Etenkin korkean kosteassa ympäristöissä
Ennaltaehkäisevä huolto
Kondensaattorin elämän maksimointi:
- Toimi alle enimmäislämpötilan arvosanat
- Varmista riittävä ilmavirta komponenttien ympärillä
- Testaa säännöllisesti ESR ja kapasitanssi kriittisissä sovelluksissa
- Toteuta jännitteen aiheuttamat käytännöt
- Tarkkaile fyysisiä merkkejä ahdistuksesta (pullistuvat topit, elektrolyyttivuoto)
Tulevaisuuden trendit
Radiaalinen elektrolyyttinen kondensaattoritekniikka kehittyy edelleen:
Johtava polymeerielektrolyytti
Kiinteät polymeerikondensaattorit tarjoavat pienemmän ESR: n, pidemmän käyttöikän ja paremman lämpötilan stabiilisuuden kuin perinteiset nestemäiset elektrolyyttiset. Nämä korvaavat yhä enemmän standardia elektrolytiikkaa vaativissa sovelluksissa.
Hybriditekniikka
Nestemäisen elektrolyytin yhdistäminen polymeerimateriaaleihin luo kondensaattorit, joilla on molempien tekniikoiden parhaat ominaisuudet - korkea kapasitanssitiheys, jolla on alhainen ESR ja pidennetty elinaika.
Miniatyrisointi
Meneillään oleva tutkimus keskittyy kapasitanssitiheyden lisäämiseen pienentämällä pakettien kokoa. Tähän sisältyy parannettuja etsaustekniikoita, korkeamman tukevia materiaaleja ja parannettuja elektrolyyttiformulaatioita.
Pidennetyt lämpötila -alueet
Uudet elektrolyyttimuotot mahdollistavat kondensaattorit, jotka toimivat luotettavasti lämpötiloissa 150 ° C: seen, vastaavat auto-, ilmailu- ja teollisuussovellusten vaatimuksia.
Johtopäätös
Radiaaliset elektrolyyttiset kondensaattorit ovat edelleen välttämättömiä komponentteja nykyaikaisessa elektroniikassa huolimatta vaihtoehtoisten tekniikoiden syntymisestä. Heidän ainutlaatuinen yhdistelmä korkeita kapasitanssiarvoja, kustannustehokkuutta ja saatavuutta monissa eritelmissä varmistaa niiden jatkuvan merkityksen virtalähteen suunnittelussa, äänilaitteissa ja lukemattomista muista sovelluksista.
Kun valitset säteittäistä elektrolytiikkaa, suunnittelijoiden on harkittava huolellisesti jännitearvoja, aaltoilevien virran eritelmiä, ESR: tä, lämpötilavaatimuksia ja odotettua käyttöiän. Asennus-, käsittely- ja ylläpitokäytännöt vaikuttavat merkittävästi luotettavuuteen ja suorituskykyyn. Teknologian kehityksen myötä uudet formulaatiot ja rakenteet jatkavat aiempien rajoitusten ratkaisemista varmistaen, että nämä komponentit pysyvät elintärkeinä sähköisissä malleissa lähitulevaisuudessa.
