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胡月 等级： / 门别币：20 |
| 发表：2016-12-6 1:22:21 查看：780 回复：2 次 | |
郑连军之电容器应用的各种注意事项（3） |
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续： 电容器应用的各种注意事项（2）
四、钽电解电容器应用注意事项
（一）、钽电解电容器介绍
1、钽电解电容器 - 概念
固体钽电容器是1956年由美国贝乐试验室首先研制成功的，它的性能优异，是所有电容器中体积小而又能达到较大电容量的产品。钽电容器外形多种多样，并容易制成适于表面贴装的小型和片型元件。适应了目前电子技术自动化和小型化发展的需要。虽然钽原料稀缺，钽电容价格较昂贵，但由于大量采用高比容钽粉（30KuF.g-100KuF.V/g)，加上对电容器制造工艺的改进和完善，钽电解电容器还是得到了迅速的发展，使用范围日益广泛。钽电容器不仅在军事通讯，航天等领域广泛使用，而且使用范围还在向工业控制，影视设备、通讯仪表等产品中大量使用。
目前生产的钽电解电容器主要有烧结型固体、箔形卷绕固体、烧结型液体等三种，其中烧结型固体约占目前生产总量的95%以上，而又以非金属密封型的树脂封装式为主体。小型化、片式化配合SMT技术下方兴未艾，片式烧结钽电容器已逐渐成主流。
2、钽电解电容器 - 特征
钽电解电容器的工作介质是在钽金属表面生成的一层极薄的五氧化二钽膜。
此层氧化膜介质完全与组成电容器的一端极结合成一个整体，不能单独存在。因此单位体积内所具有的电容量特别大。即比容量非常高，因此特别适宜于小型化。
在钽电解电容器工作过程中，具有自动修补或隔绝氧化膜中的疵点所在的性能，使氧化膜介质随时得到加固和恢复其应有的绝缘能力，而不致遭到连续的累积性破坏。这种独特自愈性能，保证了其长寿命和可靠性的优势。
钽电解电容器具有非常高的工作电场强度，并较任何类型电容器都大，以此保证它的小型化。
钽电解电容器可以非常方便地获得较大的电容量，在电源滤波、交流旁路等用途上少有竞争对手。
具有单向导电性，即所谓有“极性”，应用时应按电源的正、负方向接入电流，电容器的阳极（正极）接电源“+”极，阴极（负极）接电源的“-”极；如果接错不仅电容器发挥不了作用，而且漏电流很大，短时间内芯子就会发热，破坏氧化膜随即失效。
工作电压有一定的上限平值，但这方面的缺点对配合晶体管或集成电路电源，是不重要的。
电解电容器一般认为是一种性能优良，使用寿命长的电子元件，它的失效率正常时可达七级。但它总还是符合电子元器件的失效普遍规律，即澡盆形失效曲线，前期失效可在老炼过程中剔除。因此只有随机失效的可能性。而这种无效即有制造工艺控制问题，还常常伴随产品在使用过程的不当或超载所致，综合说来大约有三种模式即电流型、电压型和发热型。
钽电解电容器具有储藏电量、进行充放电等性能，主要应用于滤波、能量贮存与转换，记号旁路，耦合与退耦以及作时间常数元件等。在应用中要注意其性能特点，正确使用会有助于充分发挥其功能，其中诸如考虑产品工作环境及其发热温度，以及采取降额使用等措施，如果使用不当会影响产品的工作寿命。
3、钽电解电容器 - 优点
1.）体积小 由于钽电容采用了颗粒很细的钽粉，而且钽氧化膜的介电常数ε比铝氧化膜的介电常数高17，因此钽电容的单位体积内的电容量大。
2.）使用温度范围宽 一般钽电解电容器都能在－50℃~100℃的温度下正常工作，虽然铝电解也能在这个范围内工作，但电性能远远不如钽电解。
3.）寿命长、绝缘电阻高、漏电流小 钽电解电容器中钽氧化膜介质不仅耐腐蚀，而且长时间工作能保持良好的性能。
4.）阻抗频率特性好对频率特性不好的电容器，当工作频率高时电容量就大幅度下降，损耗（tgδ）也急剧上升。但固体电解电容器可工作在50kHz以上。钽电容随频率上升，也要出现容量下降现象，但下降幅度较小，有资料表明，工作在10kHz时钽电容容量下降不到20%，而铝电解电容容量下降达40%。
5.）可靠性高 钽氧化膜的化学性能稳定，又因钽阳极基体Ta2O5能耐强酸、强碱，所以它能使用固体或含酸的电阻率很低的液体电解质，这就使得钽电解的损耗要比铝电解电容小，而且温度稳定性良好。
（二）选择和使用钽电解电容器需要注意哪些方面
选择和使用钽电解电容器需要注意哪些方面
1、选择考虑因素
设计师针对某个特定用途在选择电容器类型时， 必须考虑众多因素。 选择时，一般优先考虑应用需求的最重要特性，然后选择和协调其他特性。几个最重要因素如下，并给出列为最重要因素的原因。
1.1 温度
温度影响: A)电容量 介电常数的变化引起 导体面积或间距变化引起 B)漏电流:通过阻抗变化影响 C)高温击穿电压和频率对发热的影响 D)额定电流，当发热产生影响时 E)电解液从密封处泄漏
1.2 湿度
湿度影响:A)漏电流 B) 击穿电压 C) 对功率因数或品质因数的影响
1.3 低气压
低气压影响:A) 击穿电压 B)电解液从密封处泄漏
1.4 外加电压
外加电压影响:A)漏电流 B) 发热及伴随的影响 C)介质击穿:频率影响 D)电晕 E) 对外壳或底座的绝缘
1.5 振动
振动影响:A)机械振动引起的电容量变化 B)电容器芯子、引出端或外壳发生机械变形
1.6 电流
电流影响:A)对电容器的内部升温和寿命的影响 B)导体某发热点的载流能力
1.7 寿命
所有环境和电路条件对其都有影响。
1.8 稳定性
所有环境和电路条件对其都有影响。
1.9 恢复性能
电容量变化后，能否恢复到初始条件。
1.10 尺寸、体积和安装方法
在机械应力下， 当产品安装固定不当时， 容易导致引线承受较大应力或共振，严重时会产生引线断裂待现象。
2 、在选择和使用电容器时应考虑下列内容:
A)电路设计者为了设计出能在要求的时间内满意工作的电路，所使用的电容量允许偏差必须考虑: 符合规范规定的允许偏差: 电容量 --温度特性变化; 恢复特性; 电容量 --频率特性; 介质吸收; 电容量与压力、振动和冲击的关系; 电容量在电路中的老化和贮存条件。
B) 需考虑电容器引出端和外壳之间的电容量，如果此电容量会产生杂散电容和漏电流。
C) 可以用多种电容器组合获得要求的电容量，从而补偿电容量--温度特性等。
D)施加于电容器的峰值电压不能超过相应规范规定的额定值。通常，相同的峰值电压可能由于以下条件而降低: 老化;温升;介质区域增大;外加电压频率较高; 潮气进入电容器。 需要强调的一点是，不要忽视电容器在应用中的短时瞬态电压。
E) 当电容器在高于地电位的高压下工作时，并且对绝缘采用附加绝缘时， 电容器的一个引出端要接在外壳上， 因为电压分配取决于电容器芯子和外壳之间的电容量、 以及外壳和底盘之间的电容量。
F) 必须根据电路的时间常数考虑充电和放电的峰值电流。
G) 必须考虑内部发热和环境温度。
H) 必须考虑湿度、压力、腐蚀性大、霉菌、振动和冲击等环境因素影响。
I) 必须考虑绝缘电阻，尤其是在高温下的绝缘电阻。
J)在直流电路中串联工作时，必须考虑使用平衡电阻器。
K)大容量电容的有效电感量可以并联小电容器来降低。
L) 因为电容器具有电感，因此并联在电路中每一次工作或瞬时工作时可能产生瞬时振荡。
M)电接触不良在低压下可能开路或产生噪声。
N)电容器内储存的能量对人和设备有危险，对此应采取适当防范措施。
O) 充满液体的电容器不能被倒置，因其会导致内部电晕。
P) 非气密封电容器可能因“呼吸”过程中受潮。
3 、关于反向电压
钽电容器介质氧化膜具有单向导电性和整流特性，当施加反向电压时，就会有很大的电流通过，甚至造成短路而失效。因此，使用中应严格控制反向电压。
3.1 固体电解质极性钽电容量
一般不允许加反向电压，并且不可长期在纯交流电路中使用。若在不得已的情况下，允许在短时间内施加小量的反向电压，其值为:25℃以下:≤ 10%UR 或1V(取小者) ;85℃下;≤ 5%UR 或 0.5V(取小者) ;125℃下;≤ 1%UR 或 0.1V(取小者) 。 如果将电容器长期使用在有反向电压的电路中时，请选用双极性钽电容器，但也只能在极性变换而频率不太高的直流或脉动电路中使用。
3.2 非固体电解质钽电容器
a) 银外壳非固体电解质钽电容器不能承受任何反向电压。CAK38 、CAK39 型全钽电容器能承受 3V 反向电压。THC 型、TVC 型非固体电解质钽电容器不能承受任何反向电压。
b)原则上禁止使用三向电表阻挡对有钽电容器的电路或电容器本身进行不分极性的测试(容易施加反向电压) 。
c)在测量使用过程中， 如不慎对液体钽电容器施加了反向电压或对固体钽电容器施加了超过规定的反向电压，则该电容器应报废处理，即使其各项电参数仍然合格，因为产品由反向电压造成的质量隐患有一定的潜伏期，在当时并不一定能表现出来。
4、关于纹波电流
钽电容器在线路设计中当施加超过钽电容器所能承受的纹波电压、 纹波电流时会导致产品失效。
4.1 纹波电流
直流偏压与交流压峰之和不得超过电容器的额定电压.
交流负峰值与直流偏压之和不得超过电容器所允许的反向电压值.纹波电流流经电容器产生有功功率损耗, 导致产品自身温度增加致使热击穿概率增大,有必要在电路中对纹波电流或是器允许功率损耗进行限制(钽电容器不应长期使用于交流分量较大或交流电路中)功率损耗(P 有)与纹波电流(Irms) 的关系由下式表示: P 有=V -·I 漏+I2 rms ·R ≈ I2 rms .Rs 其中:V -:直流偏压(V) ;I 漏:漏电流(μ A) ;Rs:等效串联电阻(Ω) ;I rms :纹波电流(mA) 由上式可以看出:当 Rs 增大或当 I rms 增大时，功率损耗增大。因此，在高频线路中要求通过钽电解电容器的纹波电流小和选用等效串联电阻小的钽电解电容器。各种非固体钽电容器按壳号允许最大纹波电流有效值(+85℃ 40KHZ0.66UR) ， 在不同使用电压、频率下纹波电流系数。
4.2 产品额定电压(UR)是指在额定温度
85℃下施加在电容器上的最高工作电压。若超过额定电压使用，则超过了介质氧化膜 Ta2O5 的抗电强度，将导致产品性能劣化，严重时甚至产生介质击穿、失效。所以在电路设计中，一般都采用了降额设计。 当环境温度不大于 85℃时，降额的基准为额定电压; 当环境温度大于 85℃时，降额的基准为类别电压约为额定电压的 0.65 倍; 若是低阻抗电路，建议使用电压设定在额定电压的 1/3 以下。工作电压随温度变化的关系。
4.3 电容器在低阻抗电路中并联使用时
将增加直流浪涌电流或大电流冲击失效的危险，同时应注意并联电容器中贮存的电荷通过其它电容器放电。
4.4 钽电器在电路中，应控制瞬间大电流对电容器的冲击。
建议串联电阻以缓解这种冲击，推荐串联电阻 R＞ 3Ω /V，以限制电流在 300mA 以下;当串联电阻小于 3Ω/V 时， 则应考虑进一步的降额设计， 否则产品可靠性将相应降低 (如果将电路电阻从 3Ω /V 降到≤ 0.1Ω /V，则失效率提高约 10 倍) 。当电容器用于纹波电路时，降额系数至少应为 0.5。选用高频钽电容器时，限流串联电阻阻值可适当降低(建议 R＞ 2Ω /V) 。
4.5 电容器在出厂前都进行了可焊性检测，不存在可焊性问题
上机前不需要进行浸锡预处理。如果必要时(如贮存两年以上，或受潮，或受酸气污染等)可作浸锡处理。全密封固体钽电容器无论是焊接，还是浸锡处理，处理距离都应控制在技术规范规定的离封口锡包的 3.2mm 处外，温度不高于 260℃，时间不小于 5 秒。因为全密封固体钽电容器的密封材料是焊锡(我厂使用封口焊锡为HISNPB58-2 ，熔点为 235℃) ，如果时间过长， 温度过高，或焊接距离本体太近＜3.2mm ，都有可能造成封口锡包熔化，导致电容器受潮、不密封，影响电性能和可靠性;严重时，电容器受热后内部产生负压，把封口处焊锡吸入内部，造成腔内有多余物并短路。进行浸锡处理后的钽电容器，最好在额定电压、85℃下老化 4~8H，然后进行电性能测量(双极性产品应每小时换向一次，漏电流量也应两个方向分别测量) 。
4.6 钽电容器一般可贮存 14 年以上(可焊接除外)
但贮存 2 年以上或进行浸锡处理的钽电容器，在使用前最好施加额定电压、电源内阻不大于 3Ω(非固体钽需通过一个 1100Ω(最大)的电阻器)85℃老化 4~8 小时，并进行电性能测量(双极性产品应每小时换向一次，漏电流测量也应两个方向分别测量) 。
4.7 电路的开或关，都会产生过渡状态下的瞬时电压
一般其值要大于工作电压，而且产生相应冲击电流。如果电源和负载的电阻均较小，这样瞬时电流值相当大，容易引起电解电容器氧化膜的损伤，特别固体钽电容器更为严重。因为固体钽电容器不耐大的冲击电流， 容易在氧化膜的薄弱区域发热促使氧化膜晶化提早发生，并降低耐压能力。所以为提高使用寿命， 电容器应避免发生频繁的充、放电。
4.8 产品应避免超温使用
超温下会使材料的性能发生改变，因产品用的各种材料热膨胀系数不同，可能产生内部应力而使产品失效;产品在高温下长时间贮存，产品可能产生内部应力导致失效。因此，产品必须在标准规定的温度范围内使用。
4.9 钽电容器的失效率是对直流额定值而言(85℃、额定电压)
因使用条件(环境温度、施加电压、电路电阻等)的不同而不同。在实际电路中，往往存在电压或电流的峰值冲击及纹波电流，或其它意外电冲击，所以实际使用中降低额设计是必要的。建议一般降额至 65%UR 以下，这样才能保证产品及线路的完全性。当环境温度大于 85℃时，应考虑第 3 条降额基准下的降额。
4.10 非固体电解质钽电容器在用湿 PH 试纸检漏前应充分放电
将会因电容器放电不完全使试纸与电容器阳极接触处呈红色 (阳极的正电荷使试纸水中的 OH 失去电荷，水中的 H+过剩所致) ;试纸与电容器阴极接触处呈兰色(是水中的 H+得到电子而使 OH-过剩所致的虚假现象) ，导致电容器被误判为漏酸。
4.11 片式钽电容器
无论是手工焊还是再流焊，都应避免使用活性高、酸性强的助焊剂，以免清洗不干净后渗透、腐蚀和扩散，进而影响其可靠性。建议用免清洗助焊剂。若要清洗，建议使用溶剂:异丙醇，时间应不超过 5 分钟;建议不要用超声波清洗。
4.12 钽电容器的引线(包括片式钽电容器引出端)
在测量、使用过程中应注意避免赤手直接接触，以免汗渍、油渍等污染引起可焊性不良。
4.13 产品标志符号说明
有可靠性指标的产品(以 CAK35-M 型产品为例)
4.14 推荐的钽电容器安装方法
钽电容器若安装固定不当或固定效果差，都容易使整机在机械应力(振动、冲击)作用下，导致钽电容器引线承钽电解电容器应用指导受绝大部分机械应力或共振，最终导致其断裂，产品失效。
(1)轴向引出钽电解电容器
A)轴向引出产品的母体必须与线路板紧配合，尽量无缝隙，然后用胶或树脂固定，否则机械应力产生共振导致引线断裂失效。
B)引线弯折处离本或(焊点)6mm 以上，并有 R(R 至少为线径的 2 倍) ，弯折处不能有伤痕。
C)大壳号产品，由于本体重，在振动环境中，引线无法承受全部应力。安装时本体必须加固，否则机械应力易振断引线失效，推荐的紧固件。
(2)单向引出钽电解电容器(如 GCA41、GCA44 型)
(3)在不影响整体线路设计的前堤下，建议线路板上安装的元器件匀分布;若分布的元器件一边轻，一边重，整机做机械试验容易产生共振而易导致产品引线断裂失效。
五、低压补偿电容器的特点及安装时的注意事项是什么？
压补偿电容器特点是补偿容量大，可以在低压母线侧集中补偿，不会过补偿，没其他特殊的要求，补偿柜体积小，和其他低压开关柜一样，可以自控补偿。注意事项是安装固定要牢靠
低压补偿电容器特点是补偿容量大，补偿柜体积小，可以自控补偿，不会过补偿，可以在低压母线侧集中补偿。注意事项是安装固定要牢靠，和其他低压开关柜一样，没其他特殊的要求。
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