Elektrolytisk kondensator av aluminium

Elektrolytkondensatorer av aluminium med icke-fast elektrolyt har ett brett utbud av stilar, storlekar och serier

Elektrolytkondensatorer av aluminium är polariserade elektrolytkondensatorer vars anodelektrod (+) är gjord av en ren aluminiumfolie med en etsad yta . Aluminiumet bildar ett mycket tunt isolerande lager av aluminiumoxid genom anodisering som fungerar som kondensatorns dielektrikum . En icke-fast elektrolyt täcker den grova ytan av oxidskiktet och fungerar i princip som kondensatorns andra elektrod ( katod ) (-). En andra aluminiumfolie som kallas "katodfolie" kommer i kontakt med elektrolyten och fungerar som den elektriska anslutningen till kondensatorns negativa pol.

Elektrolytkondensatorer av aluminium är indelade i tre underfamiljer efter elektrolyttyp:

icke-fasta (flytande, våta) elektrolytiska kondensatorer av aluminium,
fast mangandioxid aluminium elektrolytiska kondensatorer , och
elektrolytiska kondensatorer av solid polymer aluminium .

Den billigaste typen av elektrolytkondensatorer av aluminium med icke-fast elektrolyt har också det bredaste utbudet av storlekar, kapacitans och spänningsvärden. De är gjorda med kapacitansvärden från 0,1 µF upp till 2 700 000 µF (2,7 F), och spänningsklasser från 4 V upp till 630 V. Den flytande elektrolyten tillhandahåller syre för omformning eller "självläkning" av det dielektriska oxidskiktet . Det kan dock avdunsta genom en temperaturberoende uttorkningsprocess, vilket får elektriska parametrar att driva, vilket begränsar kondensatorernas livslängd.

På grund av sina relativt höga kapacitansvärden har aluminiumelektrolytiska kondensatorer låga impedansvärden även vid lägre frekvenser som nätfrekvens . De används vanligtvis i nätaggregat , switchade strömförsörjningar och DC-DC-omvandlare för att utjämna och buffra likriktade DC-spänningar i många elektroniska enheter såväl som i industriella nätaggregat och frekvensomvandlare som DC-linkkondensatorer för frekvensomriktare , växelriktare för fotovoltaik , och omvandlare i vindkraftverk . Speciella typer används för energilagring, till exempel i fotoblixt- eller stroboskopapplikationer eller för signalkoppling i audioapplikationer.

Elektrolytiska kondensatorer av aluminium är polariserade kondensatorer på grund av deras anodiseringsprincip. De kan endast drivas med likspänning pålagd med korrekt polaritet. Att driva kondensatorn med fel polaritet eller med växelspänning leder till kortslutning och kan förstöra komponenten. Undantagen är den bipolära elektrolytiska kondensatorn av aluminium, som har en rygg-mot-rygg-konfiguration av två anoder i ett fall och kan användas i AC-applikationer.

Grundläggande information

Oxidskikt

Grundprincipen för anodisk oxidation, där ett oxidskikt bildas på en metallisk anod genom att applicera en spänning med en strömkälla

Elektrolytiska kondensatorer använder en kemisk egenskap hos vissa speciella metaller, tidigare kallade "ventilmetaller". Genom att anbringa en positiv spänning på anodmaterialet i ett elektrolytiskt bad bildas ett isolerande oxidskikt med en tjocklek som motsvarar den pålagda spänningen. Detta oxidskikt fungerar som dielektrikumet i en elektrolytisk kondensator. Egenskaperna för detta aluminiumoxidskikt jämfört med tantalpentoxiddielektriskt skikt anges i följande tabell:

Egenskaper för de olika oxidskikten i elektrolytiska kondensatorer av aluminium, tantal och niob
Anod- material	Dielektrisk	Oxidstruktur _	Relativ permittivitet	Genombrottsspänning (V/µm )	Elektriskt lagertjocklek (nm/V )
Aluminium	Aluminiumoxid Al ₂ O ₃	amorf	9.6	710	1.4
Aluminium	Aluminiumoxid Al ₂ O ₃	kristallin	11.6...14.2	800...1000	1,25...1,0
Tantal	Tantalpentoxid Ta ₂ O ₅	amorf	27	625	1.6

Efter att ha bildats en dielektrisk oxid på de grova anodstrukturerna måste en motelektrod matcha den grova isolerande oxidytan. Detta tillhandahålls av elektrolyten, som fungerar som katodelektrod för en elektrolytisk kondensator. Elektrolyter kan vara "icke-fasta" (våta, flytande) eller "fasta". Icke-fasta elektrolyter, som ett flytande medium som har en jonledningsförmåga orsakad av rörliga joner, är relativt okänsliga för spänningsspikar eller strömstötar. Fasta elektrolyter har en elektronledningsförmåga , vilket gör solida elektrolytkondensatorer känsliga för spänningstoppar eller strömstötar.

Det anodgenererade isolerande oxidskiktet förstörs om polariteten hos den pålagda spänningen ändras.

Ett dielektriskt material placeras mellan två ledande plattor (elektroder), var och en av area A , och med en separation d .

Varje elektrolytisk kondensator bildar i princip en "plattkondensator" vars kapacitans är större ju större elektrodarean A är och permittiviteten ε , och ju tunnare tjockleken (d) på dielektrikumet.

C=\varepsilon \cdot {\frac {A}{d}}

Kapacitansen är proportionell mot produkten av arean av en platta multiplicerad med permittiviteten, dividerat med tjockleken på dielektrikumet.

Elektrolytiska kondensatorer får sina stora kapacitansvärden genom en stor yta och liten dielektrisk tjocklek. Den dielektriska tjockleken hos elektrolytiska kondensatorer är mycket tunn, i intervallet nanometer per volt, men spänningsstyrkorna hos dessa oxidskikt är ganska höga. Alla etsade eller sintrade anoder har en mycket högre yta jämfört med en slät yta av samma yta. Detta ökar kapacitansvärdet med en faktor på upp till 200 för elektrolytkondensatorer av aluminium.

Konstruktion av elektrolytiska kondensatorer av icke-solid aluminium

Grundläggande konstruktion av elektrolytkondensatorer av aluminium med icke-fasta elektrolyter
Öppnad lindning av en kondensator med flera anslutna folier
Närbild i tvärsnitt av en elektrolytisk kondensatordesign av aluminium, som visar kondensatoranodfolie med oxidskikt, pappersdistans indränkt med elektrolyt och katodfolie
Konstruktion av en typisk enkeländad elektrolytisk kondensator av aluminium med icke-fast elektrolyt

En elektrolytkondensator av aluminium med en icke-fast elektrolyt består alltid av två aluminiumfolier separerade mekaniskt av en distans, mestadels papper, som är mättad med en flytande eller gelliknande elektrolyt. En av aluminiumfolierna, anoden, etsas (uppruggas) för att öka ytan och oxideras (bildas). Den andra aluminiumfolien, kallad "katodfolien", tjänar till att få elektrisk kontakt med elektrolyten. En pappersdistans separerar folierna mekaniskt för att undvika direkt metallisk kontakt. Både folierna och distansen är lindade och lindningen är impregnerad med flytande elektrolyt. Elektrolyten, som fungerar som katod för kondensatorn, täcker den etsade grova strukturen av oxidskiktet på anoden perfekt och gör den ökade anodytan effektiv. Efter impregnering monteras den impregnerade lindningen i en aluminiumlåda och förseglas.

Konstruerat har en elektrolytisk kondensator av icke-solid aluminium en andra aluminiumfolie, den så kallade katodfolien, för kontakt med elektrolyten. Denna struktur hos en elektrolytisk kondensator av aluminium resulterar i ett karakteristiskt resultat eftersom den andra aluminiumfolien (katod) också är täckt med ett isolerande oxidskikt naturligt bildat av luft. Därför består konstruktionen av den elektrolytiska kondensatorn av två enkla seriekopplade kondensatorer med kapacitans C _A på anoden och kapacitans C _K på katoden. Den totala kapacitansen för kondensatorn C _e-cap erhålls således från formeln för seriekopplingen av två kondensatorer:

C_{e-cap}={\frac {C_{A}\cdot C_{K}}{C_{A}+C_{ K}}}

Av detta följer att den totala kapacitansen hos kondensatorn C _e-cap huvudsakligen bestäms av anodkapacitansen CA _när katodkapacitansen C _{K är} mycket stor jämfört med anodkapacitansen _CA. Detta krav ges när katodkapacitansen CK _{är ungefär 10} gånger högre än anodkapacitansen _CA. Detta kan enkelt uppnås eftersom det naturliga oxidskiktet på en katodyta har en spänningssäkerhet på cirka 1,5 V och därför är mycket tunt.

Jämförelse av icke-fasta och solida typer

Även om den föreliggande artikeln endast i huvudsak hänvisar till elektrolytkondensatorer av aluminium med icke-fast elektrolyt, ges en översikt över de olika typerna av elektrolytkondensatorer av aluminium här för att belysa skillnaderna. Elektrolytkondensatorer av aluminium delas in i två undertyper beroende på om de använder flytande eller fasta elektrolytsystem. Eftersom de olika elektrolytsystemen kan konstrueras med en mängd olika material, inkluderar de ytterligare undertyper.

Elektrolytkondensatorer av aluminium med icke-fast elektrolyt
- kan använda en flytande elektrolyt baserad på etylenglykol och borsyra , så kallade "borax" elektrolyter, eller
- baserat på organiska lösningsmedel, såsom DMF , DMA , GBL , eller
- baserad på högvattenhaltiga lösningsmedel, för så kallade "låg impedans", "låg ESR" eller "hög rippelström" kondensatorer
Elektrolytkondensatorer av aluminium med fast elektrolyt
- har en fast mangandioxidelektrolyt, se solid aluminium kondensator (SAL) eller
- en fast polymerelektrolyt, se polymeraluminiumelektrolytkondensator , eller
- hybridelektrolyter, med både en fast polymer och en vätska, se även polymeraluminiumelektrolytisk kondensator

Principiella konstruktionsskillnader för de olika undertyperna av aluminiumelektrolytiska kondensatorer
Al-e-cap med icke-fast elektrolyt
Al-e-cap med fast manganoxidelektrolyt, grafit/silver katodanslutning
Al-e-cap med polymerelektrolyt
Al-e-cap med polymerelektrolyt, grafit/silver katodanslutning
Al-e-cap med polymer och icke-fast elektrolyt (Hybrid polymer)

Beskrivning av materialen

1: Anodfolie, 2: Anodoxidskikt (dielektrisk), 3: Katodfolie, 4: Katodoxidskikt, 5: Icke-fast elektrolyt, 6: Pappersdistans indränkt med elektrolyt, antingen icke-fast eller polymer, 7: ledande polymer, 8: Manganoxid (MnO ₂ ), 9: Grafit, 10: Silver

Följande tabell visar en översikt över de huvudsakliga egenskaperna hos de olika typerna av elektrolytkondensatorer av aluminium.

Jämförelse av parametrarna för de olika elektrolytkondensatortyperna av aluminium
Elektrolyt	Kapacitansintervall (µF)	Märkspänningsområde ( V )	Typisk ESR ¹⁾ 100 kHz, 20 °C (mΩ)	Typisk rippelström ¹⁾ 100 kHz, 105 °C (mA)	Läckström ¹⁾ efter 2 minuter vid 10 V (µA)
Icke-fast borax eller ekologisk	0,1–2 700 000	4–630	800	130	<10
Icke-fast vattenbaserad	1–18 000	4–100	360	240	10
Fast mangandioxid	0,1–1 500	6,3–40	400	620	12
Fast ledande polymer	2,2–2 700	2–125	25	2 500	240
Fast och icke-fast hybridelektrolyt	6,8–1000	6,3–125	40	1 500	100

¹⁾ Värden för en typisk kondensator med 100 µF/10–16 V

Elektrolytkondensatorer av aluminium med icke-fast elektrolyt är de mest kända och mest använda elektrolytkondensatorerna. Dessa komponenter finns på nästan alla kort för elektronisk utrustning. De kännetecknas av särskilt billiga och lättbearbetade basmaterial.

Aluminiumkondensatorer med flytande elektrolyter baserade på borax eller organiska lösningsmedel har ett stort utbud av typer och betyg. Kondensatorer med vattenbaserade elektrolyter finns ofta i digitala enheter för massproduktion. Typer med fast mangandioxidelektrolyt har tidigare fungerat som en "tantalersättning". Elektrolytiska kondensatorer av polymeraluminium med solida ledande polymerelektrolyter blir allt viktigare, särskilt i enheter med platt design, såsom surfplattor och platta bildskärmar. Elektrolytiska kondensatorer med hybridelektrolyter är relativt nya på marknaden. Med sitt hybridelektrolytsystem kombinerar de polymerens förbättrade konduktivitet med fördelen med flytande elektrolyter för bättre självläkande egenskaper hos oxidskiktet, så att kondensatorerna har fördelarna med både låg ESR och låg läckström.

Material

Anod

Yta på en etsad lågspänningsanodfolie

Tvärsnittsvyn av etsade 10 V lågspännings- och 400 V högspänningsanodfolier visar den olika etsningsstrukturen

Ultratunt tvärsnitt av en etsad por i en lågspänningsanodfolie, 100 000 gångers förstoring, ljusgrå: aluminium, mörkgrå: amorf aluminiumoxid, vit: por i vilken elektrolyten är aktiv

Grundmaterialet i anoden för elektrolytiska kondensatorer av aluminium är en folie med en tjocklek på ~ 20–100 µm gjord av aluminium med en hög renhet på minst 99,99 %. Detta etsas (ruggas) i en elektrokemisk process för att öka den effektiva elektrodytan. Genom att etsa anodens yta, beroende på den erforderliga märkspänningen, kan ytarean ökas med en faktor på cirka 200 med avseende på en slät yta.

Efter etsning av aluminiumanoden är den grova ytan "anodisk oxiderad" eller "formad". Ett elektriskt isolerande oxidskikt Al ₂ O ₃ bildas därigenom på aluminiumytan genom applicering av en ström i korrekt polaritet om det införs i ett elektrolytiskt bad. Detta oxidskikt är kondensatorns dielektriska.

Denna process för oxidbildning utförs i två reaktionssteg, varvid syret för denna reaktion måste komma från elektrolyten. Först omvandlar en starkt exoterm reaktion det metalliska aluminiumet (Al) till aluminiumhydroxid , Al(OH) ₃ :

2 Al + 6 H ₂ O → 2 Al(OH) ₃ + 3 H ₂ ↑

Denna reaktion accelereras av ett högt elektriskt fält och höga temperaturer, och åtföljs av en tryckuppbyggnad i kondensatorhuset orsakad av den frigjorda vätgasen . Den gelliknande aluminiumhydroxiden Al(OH) ₃ , även kallad aluminiumoxidtrihydrat (ATH), omvandlas via ett andra reaktionssteg (vanligtvis långsamt under några timmar vid rumstemperatur, snabbare på några minuter vid högre temperaturer) till aluminium oxid , _Al2O3 : _ _{_}

2 Al(OH) ₃_→ 2 AlO(OH) + ₂ H2O _→ Al2O3 + 3 _H2O

Aluminiumoxiden fungerar som dielektrikum och skyddar även det metalliska aluminiumet mot aggressiva kemiska reaktioner från elektrolyten. Det omvandlade skiktet av aluminiumoxid är emellertid vanligtvis inte homogent. Den bildar ett komplext strukturerat flerskiktslaminat av amorf, kristallin och porös kristallin aluminiumoxid, mestadels täckt med små restdelar av okonverterad aluminiumhydroxid. Av denna anledning, vid bildningen av anodfolien, struktureras oxidfilmen genom en speciell kemisk behandling så att antingen en amorf oxid eller en kristallin oxid bildas. Den amorfa oxidvarianten ger högre mekanisk och fysisk stabilitet och färre defekter, vilket ökar den långsiktiga stabiliteten och sänker läckströmmen.

Tjockleken på det effektiva dielektrikumet är proportionell mot formningsspänningen

Amorf oxid har ett dielektriskt förhållande på ~ 1,4 nm/V. Jämfört med kristallin aluminiumoxid, som har ett dielektriskt förhållande på ~1,0 nm/V, har den amorfa varianten en 40% lägre kapacitans vid samma anodyta. Nackdelen med kristallin oxid är dess större känslighet för dragpåkänning, vilket kan leda till mikrosprickor när de utsätts för mekaniska (lindning) eller termiska (lödning) påfrestningar under efterformningsprocesserna.

De olika egenskaperna hos oxidstrukturer påverkar de efterföljande egenskaperna hos elektrolytkondensatorerna. Anodfolier med amorf oxid används främst för elektrolytkondensatorer med stabila långlivsegenskaper, för kondensatorer med låga läckströmsvärden och för e-caps med märkspänningar upp till ca 100 volt. Kondensatorer med högre spänning, till exempel fotoblixtkondensatorer, som vanligtvis innehåller anodfolier med kristallin oxid.

Eftersom tjockleken på det effektiva dielektrikumet är proportionell mot formningsspänningen, kan den dielektriska tjockleken skräddarsys till kondensatorns märkspänning. Till exempel, för lågspänningstyper har en 10 V elektrolytisk kondensator en dielektrisk tjocklek av endast ca 0,014 µm, en 100 V elektrolytisk kondensator på endast ca 0,14 µm. Således påverkar den dielektriska styrkan även storleken på kondensatorn. På grund av standardiserade säkerhetsmarginaler är emellertid den faktiska formspänningen för elektrolytiska kondensatorer högre än komponentens märkspänning.

Aluminiumanodfolier tillverkas som så kallade "moderrullar" på ca 500 mm i bredd. De är förformade för önskad märkspänning och med önskad oxidskiktstruktur. För att producera kondensatorerna måste anodbredderna och längderna, som krävs för en kondensator, skäras från moderrullen.

Katod

Anod- och katodfolier tillverkas som så kallade "moderrullar", från vilka bredder och längder skärs av, alltefter behov för kondensatortillverkning

Den andra aluminiumfolien i elektrolytkondensatorn, kallad "katodfolien", tjänar till att få elektrisk kontakt med elektrolyten. Denna folie har en något lägre renhetsgrad, ca 99,8%. Den är alltid försedd med ett mycket tunt oxidskikt, som uppstår genom kontakten mellan aluminiumytan och luften på ett naturligt sätt. För att minska kontaktmotståndet mot elektrolyten och försvåra oxidbildning under urladdning, legeras katodfolien med metaller som koppar , kisel eller titan . Katodfolien etsas också för att förstora ytan.

På grund av det extremt tunna oxidskiktet, vilket motsvarar en spänningssäkerhet på cirka 1,5 V, är deras specifika kapacitans dock mycket högre än för anodfolier. För att motivera behovet av en stor ytkapacitans på katodfolien, se avsnittet om laddnings-/urladdningsstabilitet nedan.

Katodfolierna, som anodfolierna, tillverkas som så kallade "moderrullar", från vilka bredder och längder skärs av vid behov för kondensatortillverkning.

Elektrolyt

Elektrolytkondensatorn har fått sitt namn från elektrolyten, den ledande vätskan inuti kondensatorn. Som vätska kan den anpassas till den porösa strukturen hos anoden och det odlade oxidskiktet med samma form och form som en "skräddarsydd" katod. En elektrolyt består alltid av en blandning av lösningsmedel och tillsatser för att uppfylla givna krav. Den huvudsakliga elektriska egenskapen hos elektrolyten är dess ledningsförmåga, som fysiskt är en jonledningsförmåga i vätskor. Utöver den goda ledningsförmågan hos driftelektrolyter är olika andra krav bland annat kemisk stabilitet, hög flampunkt , kemisk kompatibilitet med aluminium, låg viskositet , minimal negativ miljöpåverkan och låg kostnad. Elektrolyten ska också ge syre för formnings- och självläkningsprocesser, och allt detta inom ett så brett temperaturområde som möjligt. Denna mångfald av krav på den flytande elektrolyten resulterar i en mängd olika patentskyddade lösningar.

De elektrolytiska systemen som används idag kan grovt sammanfattas i tre huvudgrupper:

Elektrolyter baserade på etylenglykol och borsyra. I dessa så kallade glykol- eller boraxelektrolyt sker en oönskad kemisk kristallvattenreaktion enligt schemat: "syra + alkohol" ger "ester + vatten". Dessa boraxelektrolyter är standardelektrolyter, länge i användning och med en vattenhalt mellan 5 och 20 %. De arbetar vid en maximal temperatur på 85 °C eller 105 °C i hela spänningsområdet upp till 600 V. Även med dessa kondensatorer måste vattnets aggressivitet förhindras genom lämpliga åtgärder.
Nästan vattenfria elektrolyter baserade på organiska lösningsmedel, såsom dimetylformamid (DMF), dimetylacetamid (DMA) eller y-butyrolakton (GBL). Dessa kondensatorer med organiska lösningsmedelselektrolyter är lämpliga för temperaturområden från 105 °C, 125 °C eller 150 °C, har låga läckströmsvärden och har mycket bra långsiktigt kondensatorbeteende.
Vattenbaserade elektrolyter med hög vattenhalt, upp till 70 % vatten för så kallade "lågimpedans", "låg-ESR" eller "hög-rippelström" elektrolytkondensatorer med märkspänningar upp till 100 V för lågkostnadsmassa -marknadsapplikationer. Vattnets aggressivitet för aluminium måste förhindras med lämpliga tillsatser.

Eftersom mängden flytande elektrolyt under kondensatorernas drifttid minskar med tiden genom självläkning och genom diffusion genom tätningen, kan kondensatorernas elektriska parametrar påverkas negativt, vilket begränsar livslängden eller livslängden för "våta" elektrolytkondensatorer , se avsnittet om livslängd nedan.

Separator

Anod- och katodfolierna måste skyddas från direktkontakt med varandra eftersom sådan kontakt, även vid relativt låga spänningar, kan leda till kortslutning. Vid direkt kontakt mellan båda folierna ger oxidskiktet på anodytan inget skydd. En distans eller separator gjord av ett speciellt högabsorberande papper med hög renhet skyddar de två metallfolierna från direkt kontakt. Detta kondensatorpapper fungerar också som en reservoar för elektrolyten för att förlänga kondensatorns livslängd.

Tjockleken på distansen beror på elektrolytkondensatorns märkspänning. Den är upp till 100 V mellan 30 och 75 µm. För högre spänningar används flera lager papper (duplexpapper) för att öka nedbrytningsstyrkan.

Inkapsling

Vy över tre olika tryckta förutbestämda brottpunkter (tryckavlastningsventiler) på undersidan av höljen med radiella elektrolytiska kondensatorer

Inkapslingen av aluminiumelektrolytiska kondensatorer är också gjord av aluminium för att undvika galvaniska reaktioner, normalt med en aluminiumlåda (burk, kar). För radiella elektrolytiska kondensatorer är den ansluten över elektrolyten med ett odefinierat motstånd till katoden (jord). För axiella elektrolytkondensatorer är dock höljet speciellt utformat med en direktkontakt med katoden.

I händelse av ett fel, överbelastning eller fel polaritet som fungerar inuti elektrolytkondensatorhuset, kan ett betydande gastryck uppstå. Badkaren är utformade för att öppna en tryckavlastningsventil och släppa ut högtrycksgas, inklusive delar av elektrolyten. Denna ventil skyddar mot att metallbaljan spricker, exploderar eller flyger bort.

För mindre hus är tryckavlastningsventilen utskuren i botten eller skåran på karet. Större kondensatorer som skruvterminalkondensatorer har en låsbar övertrycksventil och måste monteras i upprätt läge.

Tätning

Tätningsmaterialen för elektrolytiska kondensatorer av aluminium beror på de olika stilarna. För större skruv- och snäppkondensatorer är tätningsbrickan tillverkad av ett plastmaterial. Axiella elektrolytkondensatorer har vanligtvis en tätningsbricka gjord av fenolharts laminerad med ett lager av gummi. Radiella elektrolytiska kondensatorer använder en gummiplugg med en mycket tät struktur. Alla tätningsmaterial måste vara inerta mot elektrolytens kemiska delar och får inte innehålla lösliga föreningar som kan leda till kontaminering av elektrolyten. För att undvika läckage får elektrolyten inte vara aggressiv mot tätningsmaterialet.

Produktion

Processflödesdiagram för produktion av radiella aluminiumelektrolytiska kondensatorer med icke-fast elektrolyt

Tillverkningsprocessen börjar med moderrullar. Först skärs den etsade, uppruggade och förformade anodfolien på moderrullen såväl som distanspapperet och katodfolien till önskad bredd. Folierna matas till en automatisk upprullare, som gör en lindad sektion i en på varandra följande operation som involverar tre sekventiella steg: ändsvetsning, lindning och längdskärning. I nästa produktionssteg blötläggs den lindade sektionen som är fixerad vid utgångsterminalerna med elektrolyt under vakuumimpregnering. Den impregnerade lindningen byggs sedan in i ett aluminiumhölje, försett med en gummitätningsskiva, och försluts mekaniskt tätt genom curling. Därefter förses kondensatorn med en isolerande krymphylsfilm. Denna optiskt färdiga kondensator bringas sedan i kontakt med märkspänning i en högtemperaturs efterformningsanordning för att läka alla dielektriska defekter som är resultatet av skärnings- och lindningsproceduren. Efter efterformning sker en 100 % slutlig mätning av kapacitans, läckström och impedans. Tejpning stänger tillverkningsprocessen; kondensatorerna är klara för leverans.

Stilar

Olika stilar av elektrolytiska kondensatorer av icke-solid aluminium

Elektrolytkondensatorer i aluminium med icke-fast elektrolyt finns i olika stilar, se bilder ovan från vänster till höger:

SMD:er (V-chip) för ytmontering på kretskort eller substrat
Radiella ledningsterminaler (single ended) för vertikal montering på kretskort
Axiella ledningsterminaler för horisontell THT- montage på kretskort
Radiella stiftterminaler (snap-in) för krafttillämpningar
Stora skruvterminaler för krafttillämpningar

Historia

Den första publicerade elektrolytkondensatorn från 1914. Den hade en kapacitans på cirka 2 mikrofarad.

Vy över anoden på en "våt" elektrolytisk kondensator av aluminium, Bell System Technique 1929

År 1875 upptäckte den franska forskaren Eugène Ducretet att vissa "ventilmetaller" (aluminium och andra) kan bilda ett oxidskikt som blockerar en elektrisk ström från att flöda i en riktning men låter den flyta i motsatt riktning.

Karol Pollak , en tillverkare av ackumulatorer, fick reda på att oxidskiktet på en aluminiumanod förblev stabilt i en neutral eller alkalisk elektrolyt, även när strömmen var avstängd. 1896 fick han patent på en elektrisk vätskekondensator med aluminiumelektroder (de: Elektrischer Flüssigkeitskondensator mit Aluminiumelektroden ) baserad på idén att använda oxidskiktet i en polariserad kondensator i kombination med en neutral eller svagt alkalisk elektrolyt.

De första elektrolytkondensatorerna som realiserades industriellt bestod av en metalllåda som användes som katod, fylld med en boraxelektrolyt löst i vatten, i vilken en vikt aluminiumanodplatta sattes in. Genom att applicera en likspänning utifrån bildades ett oxidskikt på anodens yta. Fördelen med dessa kondensatorer var att de var betydligt mindre och billigare än alla andra kondensatorer vid denna tidpunkt med avseende på realiserat kapacitansvärde. Denna konstruktion med olika anodkonstruktioner men med ett hölje som katod och en behållare som elektrolyt användes fram till 1930-talet och kallades en "våt" elektrolytisk kondensator, med hänvisning till dess höga vattenhalt.

Några olika former av historiska anodstrukturer. För alla dessa anoder fungerar den yttre metallbehållaren som katod

Den första vanliga tillämpningen av elektrolytiska kondensatorer av våt aluminium var i stora telefonväxlar, för att minska relähash (brus) på 48 volt DC-strömförsörjningen. Utvecklingen av AC-styrda inhemska radiomottagare i slutet av 1920-talet skapade en efterfrågan på kondensatorer med stor kapacitans (för tiden) och högspänningskondensatorer för ventilförstärkartekniken, vanligtvis minst 4 mikrofarader och märkta på cirka 500 volt DC. Vaxat papper och oljade silkesfilmkondensatorer fanns tillgängliga, men enheter med den ordningen av kapacitans och spänningsklassning var skrymmande och oöverkomligt dyra.

En "torr" 100 µF elektrolytisk kondensator klassad för 150 VDC

Förfadern till den moderna elektrolytkondensatorn patenterades av Samuel Ruben 1925, som samarbetade med Philip Mallory , grundaren av batteriföretaget som nu är känt som Duracell International . Rubens idé antog den staplade konstruktionen av en silverglimmerkondensator . Han införde en separat andra folie för att komma i kontakt med elektrolyten intill anodfolien istället för att använda den elektrolytfyllda behållaren som katod för kondensatorn. Den staplade andra folien fick sin egen terminal utöver anodterminalen och behållaren hade inte längre någon elektrisk funktion. Denna typ av elektrolytkondensator med en anodfolie skild från en katodfolie av en vätske- eller gelliknande elektrolyt av icke-vattenhaltig natur, som därför är torr i betydelsen att ha en mycket låg vattenhalt, blev känd som "torr" " typ av elektrolytisk kondensator. Denna uppfinning, tillsammans med uppfinningen av lindade folier separerade med en pappersdistans 1927 av A. Eckel, Hydra-Werke (Tyskland), reducerade storleken och priset avsevärt, vilket bidrog till att göra de nya radioapparaterna överkomliga för en bredare kundgrupp.

William Dubilier , vars första patent för elektrolytkondensatorer lämnades in 1928, industrialiserade de nya idéerna för elektrolytiska kondensatorer och startade storskalig kommersiell produktion 1931 i Cornell-Dubilier (CD)-fabriken i Plainfield, New Jersey. Samtidigt i Berlin, Tyskland, startade "Hydra-Werke", ett AEG -företag, tillverkning av elektrolytkondensatorer i stora mängder.

Redan i sin patentansökan från 1886 skrev Pollak att kondensatorns kapacitans ökade om ytan på anodfolien blev uppruggad. Sedan dess har ett antal metoder utvecklats för uppruggning av anodytan, mekaniska metoder som sandblästring eller repning och kemisk etsning med syror och sura salter som tvingas fram av höga strömmar. Några av dessa metoder utvecklades i CD-fabriken mellan 1931 och 1938. Idag (2014) kan elektrokemisk etsning av lågspänningsfolier uppnå upp till en 200-faldig ökning av ytarean jämfört med en slät yta. Framsteg som rör etsningsprocessen är orsaken till den pågående minskningen av dimensionerna på aluminiumelektrolytiska kondensatorer under de senaste decennierna.

Miniatyrisering av elektrolytkondensatorer i aluminium från 1960 till 2005 i hölje 10x16 mm upp till faktor tio

Perioden efter andra världskriget är förknippad med en snabb utveckling inom radio- och tv-teknik samt inom industriella tillämpningar, vilket hade stort inflytande på produktionsmängder men också på stilar, storlekar och seriediversifiering av elektrolytkondensatorer. Nya elektrolyter baserade på organiska vätskor minskade läckströmmar och ESR, breddade temperaturintervall och ökade livslängder. Korrosionsfenomen orsakade av klor och vatten skulle kunna undvikas genom en högre renhet i tillverkningsprocesser och genom att använda tillsatser i elektrolyterna.

Utvecklingen av elektrolytkondensatorer av tantal i början av 1950-talet med mangandioxid som fast elektrolyt, som har en 10 gånger bättre ledningsförmåga än alla andra typer av icke-fasta elektrolyter, påverkade också utvecklingen av elektrolytkondensatorer av aluminium. 1964 dök de första elektrolytkondensatorerna av aluminium med fast elektrolyt ( Solid aluminium capacitor (SAL)) upp på marknaden, utvecklade av Philips .

Decennierna från 1970 till 1990 präglades av utvecklingen av olika nya professionella elektrolytiska kondensatorserier i aluminium med f. e. mycket låga läckströmmar eller med lång livslängd eller för högre temperaturer upp till 125 °C, som var speciellt lämpade för vissa industriella tillämpningar. Den stora mångfalden av de många serierna av aluminiumelektrolytiska kondensatorer med icke-fasta elektrolyter fram till nu (2014) är en indikator på kondensatorernas anpassningsförmåga för att möta olika industriella krav.

Ledningsförmåga hos icke-fasta och fasta elektrolyter

1983 uppnådde Sanyo en ytterligare minskning av ESR med dess " OS-CON " aluminiumelektrolytiska kondensatorer. Dessa kondensatorer använder som fast organisk ledare laddningsöverföringssaltet TTF-TCNQ ( tetracyanokinodimetan ), vilket gav en förbättring av konduktiviteten med en faktor 10 med avseende på mangandioxidelektrolyten.

ESR-värdena för TCNQ-kondensatorer reducerades avsevärt genom upptäckten av ledande polymerer av Alan J. Heeger , Alan MacDiarmid och Hideki Shirakawa . Konduktiviteten hos ledande polymerer som polypyrrol [14] eller PEDOT är bättre än för TCNQ med en faktor på 100 till 500 och ligger nära metallernas konduktivitet. 1991 släppte Panasonic sin "SP-Cap", en elektrolytisk kondensator av polymeraluminium, på marknaden. Dessa elektrolytiska kondensatorer med polymerelektrolyter uppnådde ESR-värden som är tillräckligt låga för att konkurrera med keramiska flerskiktskondensatorer ( MLCC). De var fortfarande billigare än tantalkondensatorer och användes en kort tid senare i enheter med platt design, som bärbara datorer och mobiltelefoner .

Nya vattenbaserade elektrolyter utvecklades i Japan från mitten av 1980-talet med målet att minska ESR för billiga icke-fasta elektrolytkondensatorer. Vatten är billigt, ett effektivt lösningsmedel för elektrolyter och förbättrar avsevärt elektrolytens ledningsförmåga.

Den japanska tillverkaren Rubycon var ledande inom utvecklingen av nya vattenbaserade elektrolytsystem med förbättrad konduktivitet i slutet av 1990-talet. Den nya serien av icke-fasta kondensatorer med vattenbaserad elektrolyt kallades i databladen "Low-ESR", "Low-Impedance", "Ultra-Low-Impedance" eller "High-Ripple Current"-serien.

Från 2000 till 2005 ledde ett stulet recept av en sådan vattenbaserad elektrolyt som saknade viktiga stabiliserande ämnen till problemet med masssprängande kondensatorer i datorer och strömförsörjning, som blev känd som "kondensatorplågan " . I dessa kondensatorer reagerar vattnet ganska aggressivt och till och med våldsamt med aluminium, åtföljt av stark värme- och gasutveckling i kondensatorn, och leder ofta till att kondensatorn exploderar.

Elektriska parametrar

Serieekvivalent kretsmodell av en elektrolytisk kondensator

De elektriska egenskaperna hos kondensatorer är harmoniserade av den internationella generiska specifikationen IEC 60384-1. I denna standard beskrivs kondensatorernas elektriska egenskaper av en idealiserad serieekvivalent krets med elektriska komponenter som modellerar alla ohmska förluster, kapacitiva och induktiva parametrar för en elektrolytisk kondensator:

C , kondensatorns kapacitans,
R _ESR , den ekvivalenta serieresistansen , som sammanfattar alla ohmska förluster hos kondensatorn, vanligtvis förkortad som "ESR".
L _ESL , motsvarande serieinduktans , som är kondensatorns effektiva självinduktans, vanligtvis förkortad som "ESL".
R _läckage , motståndet som representerar läckströmmen

Kapacitansstandardvärden och toleranser

Typisk kapacitans som funktion av temperatur

Den grundläggande enheten för elektrolytiska kondensatorer kapacitans är mikrofarad (μF, eller mindre korrekt uF).

Kapacitansvärdet som anges i tillverkarnas datablad kallas märkkapacitansen C _R eller nominell kapacitans C _N och är det värde som kondensatorn är konstruerad för. Standardiserade mätförhållanden för elektrolytkondensatorer är en AC -mätning med 0,5 V ^{[ förtydligande behövs ]} vid en frekvens på 100/120 Hz och en temperatur på 20 °C. ^{[ citat behövs ]}

Kapacitansvärdet för en elektrolytisk kondensator beror på mätfrekvensen och temperaturen. Värdet vid en mätfrekvens på 1 kHz är cirka 10 % mindre än 100/120 Hz-värdet. Därför är kapacitansvärdena för elektrolytiska kondensatorer inte direkt jämförbara och skiljer sig från dem för filmkondensatorer eller keramiska kondensatorer , vars kapacitans mäts vid 1 kHz eller högre.

Mätt med en AC-mätmetod med 100/120 Hz är det uppmätta kapacitansvärdet det värde som ligger närmast den elektriska laddningen som är lagrad i kondensatorn. Den lagrade laddningen mäts med en speciell urladdningsmetod och kallas DC- kapacitans. DC-kapacitansen är cirka 10% högre än 100/120 Hz AC-kapacitansen. DC-kapacitansen är av intresse för urladdningstillämpningar som fotoblixt .

Procentandelen av tillåten avvikelse för den uppmätta kapacitansen från märkvärdet kallas kapacitanstolerans. Elektrolytkondensatorer finns i olika toleransserier, vars värden anges i E-serien specificerad i IEC 60063. För förkortad markering i trånga utrymmen anges en bokstavskod för varje tolerans i IEC 60062.

nominell kapacitans, E3-serien , tolerans ±20%, bokstavskod "M"
nominell kapacitans, E6-serien , tolerans ±20%, bokstavskod "M"
nominell kapacitans, E12-serien , tolerans ±10%, bokstavskod "K"

Den erforderliga kapacitanstoleransen bestäms av den specifika applikationen. Elektrolytiska kondensatorer som ofta används för att filtrera och förbikoppla kondensatorer behöver inte snäva toleranser eftersom de inte används för exakta frekvenstillämpningar, till exempel för oscillatorer .

Märk- och kategorispänning

Förhållandet mellan märk- och kategorispänning och märk- och kategoritemperatur

I IEC 60384-1 kallas den tillåtna driftspänningen "märkspänningen" U _R eller "nominell spänning" U _N . Märkspänningen är den maximala DC-spänningen eller topppulsspänningen som kan appliceras kontinuerligt vid vilken temperatur som helst inom märktemperaturområdet.

Spänningsbeständigheten för elektrolytiska kondensatorer, som är direkt proportionell mot det dielektriska skiktets tjocklek, minskar med ökande temperatur. För vissa applikationer är det viktigt att använda ett högt temperaturområde. Att sänka spänningen som appliceras vid en högre temperatur upprätthåller säkerhetsmarginalerna. För vissa kondensatortyper specificerar därför IEC-standarden en andra "temperaturnedsatt spänning" för ett högre temperaturområde, "kategorispänningen" U _C . Kategorispänningen är den maximala likspänningen, topppulsspänningen eller överlagrade växelströmsspänningen som kan appliceras kontinuerligt på en kondensator vid vilken temperatur som helst inom kategoritemperaturområdet.

Överspänning

Elektrolytkondensatorer av aluminium kan appliceras under en kort tid med en överspänning, även kallad överspänning. Överspänningen indikerar det maximala spänningsvärdet inom temperaturområdet som kan appliceras under livstiden med en frekvens på 1000 cykler (med en uppehållstid på 30 sekunder och en paus på 5 minuter och 30 sekunder i varje tillfälle) utan att orsaka någon synlig skada på kondensatorn eller en kapacitansförändring på mer än 15 %.

Vanligtvis, för kondensatorer med en märkspänning på ≤ 315 volt, är överspänningen 1,15 gånger märkspänningen och för kondensatorer med en märkspänning som överstiger 315 volt är överspänningen 1,10 gånger märkspänningen.

Transient spänning

Elektrolytkondensatorer av aluminium med icke-fast elektrolyt är relativt okänsliga för höga och kortvariga transientspänningar högre än överspänningen, om transienternas frekvens och energiinnehåll är lågt. Denna förmåga beror på märkspänningen och komponentstorleken. Transientspänningar med låg energi leder till en spänningsbegränsning som liknar en zenerdiod .

De elektrokemiska oxidbildande processerna äger rum när spänning med korrekt polaritet appliceras och genererar ytterligare en oxid när transienter uppstår. Denna formation åtföljs av värme- och vätgasgenerering. Detta är acceptabelt om transientens energiinnehåll är lågt. Men när en transient toppspänning orsakar en elektrisk fältstyrka som är för hög för dielektrikumet, kan det direkt orsaka en kortslutning. En entydig och generell specifikation av tolererbara transienter eller toppspänningar är inte möjlig. I varje fall övergående uppstår måste ansökan noggrant godkännas.

Elektrolytiska kondensatorer med fast elektrolyt tål inte transienter eller toppspänningar högre än överspänningen. Transienter för denna typ av elektrolytisk kondensator kan förstöra komponenten.

Omvänd spänning

En exploderad elektrolytisk kondensator på ett PCB

Elektrolytiska kondensatorer är polariserade kondensatorer och kräver i allmänhet en anodelektrodspänning för att vara positiv i förhållande till katodspänningen. Katodfolien hos elektrolytiska kondensatorer av aluminium är dock försedd med ett mycket tunt, naturligt luft-ursprunget oxidskikt. Detta oxidskikt har en spänningssäkerhet på cirka 1 till 1,5 V. Därför kan elektrolytkondensatorer av aluminium med icke-fast elektrolyt kontinuerligt motstå en mycket liten backspänning och kan till exempel mätas med en växelspänning på cirka 0,5 V, som specificeras i relevanta standarder. ^{[ citat behövs ]}

Vid en backspänning lägre än −1,5 V vid rumstemperatur börjar katodaluminiumfolien bygga upp ett oxidskikt motsvarande den pålagda spänningen. Detta är i linje med att generera vätgas med ökande tryck. Samtidigt börjar oxidskiktet på anodfolien upplösas av oxiden, vilket försvagar spänningssäkringen. Det är nu en fråga om den yttre kretsen om det ökande gastrycket från oxidation leder till att höljet spricker, eller om den försvagade anodoxiden leder till ett haveri med en kortslutning . Om den yttre kretsen är högohmig går kondensatorn sönder och ventilen öppnas på grund av högt gastryck. Om den yttre kretsen är lågohmsk är en intern kortslutning mer sannolikt. I alla fall kan en backspänning lägre än -1,5 V vid rumstemperatur göra att komponenten misslyckas katastrofalt på grund av ett dielektriskt genombrott eller övertryck, vilket gör att kondensatorn brister, ofta på ett spektakulärt dramatiskt sätt. Moderna elektrolytkondensatorer har en säkerhetsventil som vanligtvis antingen är en skårad del av höljet eller en specialdesignad ändtätning för att ventilera ut den heta gasen/vätskan, men brott kan fortfarande vara dramatiska.

För att minimera sannolikheten för att en polariserad elektrolytikum ska sättas in felaktigt i en krets, är polariteten mycket tydligt angiven på höljet, se avsnittet "Polaritetsmärkning".

Speciella bipolära kondensatorer designade för AC-drift, vanligtvis kallade "bipolära", "icke-polariserade" eller "NP" typer, finns tillgängliga. I dessa har kondensatorerna två anodfolier med motsatt polaritet kopplade i serie. På var och en av de alternativa halvorna av AC-cykeln fungerar en anod som ett blockerande dielektrikum, vilket förhindrar att backspänning skadar den motsatta anoden. Spänningen behöver inte vara symmetrisk; "halvpolära" kondensatorer kan tillverkas med olika tjocklekar av oxidbeläggningar, så att de tål olika spänningar i varje riktning, men dessa bipolära elektrolytiska kondensatorer är inte anpassningsbara för huvudväxelströmstillämpningar istället för kraftkondensatorer med metalliserad polymerfilm eller pappersdielektrisk. ^{[ förtydligande behövs ]}

Impedans

Förenklad serieekvivalent krets av en kondensator för högre frekvenser (ovan); vektordiagram med elektriska reaktanser X _ESL och X _C och resistans ESR och för illustration impedansen Z och dissipationsfaktorn tan δ

Generellt sett ses en kondensator som en lagringskomponent för elektrisk energi. Men detta är bara en kondensatorfunktion. En kondensator kan också fungera som ett AC- motstånd . Speciellt elektrolytiska kondensatorer av aluminium används i många applikationer som avkopplingskondensatorer för att filtrera eller förbikoppla oönskade förspända AC-frekvenser till marken eller för kapacitiv koppling av audio AC-signaler. Då används dielektrikumet endast för att blockera DC. För sådana applikationer är AC- resistansen , impedansen lika viktig som kapacitansvärdet.

Impedansen är vektorsumman av reaktans och resistans ; den beskriver fasskillnaden och förhållandet mellan amplituder mellan sinusformad varierande spänning och sinusformad varierande ström vid en given frekvens i en växelströmskrets. I denna mening kan impedans användas som Ohms lag

Z={\frac {\hat {u}}{\hat {\imath }}}={\frac {U_{\mathrm {eff} }}{I_{\mathrm {eff} }}}.

Med andra ord är impedans ett frekvensberoende AC-resistans och har både magnitud och fas vid en viss frekvens.

Typiska impedanskurvor för olika kapacitansvärden som funktion av frekvensen visar den typiska formen med minskande impedansvärden under resonans och ökande värden över resonans. Ju högre kapacitans desto lägre resonansfrekvens.

I kondensatordatablad, endast impedansstorleken |Z| anges och skrivs helt enkelt som "Z". I denna mening är impedansen ett mått på kondensatorns förmåga att passera växelströmmar.

Impedansen kan beräknas med hjälp av de idealiserade komponenterna i en kondensators serieekvivalenta krets, inklusive en idealkondensator $\scriptstyle C$ , ett motstånd $\scriptstyle ESR$ och en induktans ${\ displaystyle \scriptstyle ESL}$ . I detta fall ges impedansen vid vinkelfrekvensen $\omega$ därför av den geometriska (komplexa) additionen av ESR, av en kapacitiv reaktans ( Kapacitans )

X_{C}=-{\frac {1}{\omega C}}

och genom en induktiv reaktans ( Induktans )

X_{L}=\omega L_{\mathrm {ESL} }

.

Sedan ges ${\displaystyle Z} av$

Z={\sqrt {{ESR}^{2}+(X_{\mathrm {C}}+(-X_{\ mathrm {L} }))^{2}}}

.

I det speciella fallet av resonans , där de båda reaktiva motstånden $\scriptstyle X_{C}$ och $\scriptstyle X_{L}$ har samma värde ( ${\ displaystyle \scriptstyle X_{C}=X_{L}}$ ), då bestäms impedansen endast av $\scriptstyle ESR$ .

Den impedans som anges i databladen för olika kondensatorer visar ofta typiska kurvor för olika kapacitansvärden. Impedansen vid resonansfrekvensen definierar den bästa arbetspunkten för koppling eller frånkoppling av kretsar. Ju högre kapacitans desto lägre är det funktionella frekvensområdet. På grund av sina stora kapacitansvärden har elektrolytkondensatorer av aluminium relativt goda avkopplingsegenskaper i det lägre frekvensområdet upp till ca 1 MHz eller lite mer. Detta och det relativt låga priset är ofta anledningen till att använda elektrolytkondensatorer i 50/60 Hz standard- eller switchade nätaggregat .

ESR och dissipationsfaktor tan δ

Typiska impedans- och ESR-kurvor som funktion av frekvens och temperatur
Typisk impedans och ESR som funktion av frekvens
Typisk impedans som funktion av temperatur

Ekvivalent serieresistans (ESR) sammanfattar alla resistiva förluster hos kondensatorn. Dessa är terminalresistanserna, kontaktresistansen för elektrodkontakten, linjeresistansen för elektroderna, elektrolytresistansen och dielektriska förluster i det dielektriska oxidskiktet.

ESR beror på temperatur och frekvens. För elektrolytkondensatorer av aluminium med icke-fast elektrolyt minskar ESR i allmänhet med ökande frekvens och temperatur. ESR påverkar den återstående överlagrade AC- rippeln bakom utjämningen och kan påverka kretsens funktionalitet. Relaterat till kondensatorn, är ESR ansvarig för intern värmealstring om en rippelström flyter över kondensatorn. Denna interna värme minskar kondensatorns livslängd.

Med hänvisning till IEC/EN 60384-1-standarden, mäts impedansvärdena för elektrolytiska kondensatorer vid 10 kHz eller 100 kHz, beroende på kondensatorns kapacitans och spänning.

förlustfaktorn tan δ av historiska skäl i de relevanta databladen istället för $\scriptstyle ESR$ . Dissipationsfaktorn bestäms av tangenten för fasvinkeln mellan den kapacitiva reaktansen $\scriptstyle X_{C}$ minus den induktiva reaktansen $\scriptstyle X_{L}$ och $\scriptstyle ESR$ . Om induktansen $\scriptstyle ESL$ är liten, kan dissipationsfaktorn för en given frekvens approximeras som:

\tan \delta ={\mbox{ESR}}\cdot \omega C

Ripple ström

Den höga rippelströmmen över utjämningskondensatorn C1 i en strömförsörjning med halvvågslikriktning orsakar betydande intern värmegenerering motsvarande kondensatorns ESR

En rippelström är RMS- värdet för en överlagrad växelström av vilken frekvens och vilken vågform som helst av strömkurvan för kontinuerlig drift. Den uppstår, till exempel, i strömförsörjningar (inklusive switchade strömförsörjningar ) efter att ha likriktat en växelspänning och flyter som förspänd laddnings- och urladdningsström genom frånkopplings- eller utjämningskondensatorn .

På grund av kondensatorns ESR orsakar rippelströmmen I _R elektriska effektförluster P _{V el}

P_{Vel}=I_{R}^{2}\cdot \ ESR

vilket resulterar i värmegenerering inuti kondensatorlindningskärnan.

Denna internt genererade värme, tillsammans med omgivningstemperatur och eventuellt andra externa värmekällor, leder till att en kondensatorkärntemperatur vars hetaste område är placerad i lindningen, har en temperaturskillnad på Δ T jämfört med omgivningstemperaturen. Denna värme måste fördelas som termiska förluster P _{V th} över kondensatorns yta A och det termiska motståndet β mot den omgivande miljön.

P_{Vth}=\Delta T\cdot A\cdot \beta

Den termiska resistansen β beror på höljesstorleken på den relevanta kondensatorn och om tillämpligt på ytterligare kylningsförhållanden.

Rippelström orsakar intern värme, som måste avledas till den omgivande miljön

Om de internt genererade effektförlusterna P _{V el} som försvinner av värmestrålning , konvektion och värmeledning till den omgivande miljön motsvarar de termiska förlusterna P _{V th} , så ges en temperaturbalans mellan kondensatortemperatur och omgivningstemperatur.

Typiskt beräknas det specificerade märkvärdet för maximal rippelström i tillverkarnas datablad för en uppvärmning av kondensatorkärnan (cellen) på 10 °C för 85 °C-serien, 5 °C för 105 °C-serien och 3 °C för 125 °C-serien.

Den nominella rippelströmmen för elektrolytkondensatorer av aluminium med icke-fast elektrolyt motsvarar den specificerade livslängden för kondensatorserien. Denna ström kan flyta permanent över kondensatorn upp till den maximala temperaturen under den specificerade eller beräknade tiden. Ripplingsström lägre än specificerat eller forcerad kylning förlänger kondensatorns livslängd.

Livslängden för elektrolytiska kondensatorer med icke-fast elektrolyt beror på förångningshastigheten och därför på kondensatorns kärntemperatur. Med forcerad kylning eller speciell placering av kondensatorn på kretskortet kan livslängden påverkas positivt.

Rippelströmmen anges som ett effektivt (RMS) värde vid 100 eller 120 Hz eller vid 10 kHz vid övre kategoritemperatur. Icke-sinusformade rippelströmmar måste analyseras och separeras i sina enstaka sinusformade frekvenser med hjälp av Fourier-analys och sammanfattas genom kvadrataddition av de enskilda strömmarna.

I_{R}={\sqrt {{i_{1}}^{2}+{i_{2}}^{2 }+{i_{3}}^{2}+{i_{n}}^{2}}}

Periodiskt uppträdande höga strömpulser, som kan vara mycket högre än den nominella rippelströmmen, måste analyseras i samma sak.

Eftersom ESR minskar med ökande frekvenser. rippelströmdatabladets värde, specificerat vid 100/120 Hz, kan vara högre vid högre frekvenser. I fall som detta anger tillverkare korrigeringsfaktorer för rippelströmvärden vid högre frekvenser. Till exempel kan rippelströmmen vid 10 kHz vanligtvis uppskattas till att vara 30 till 40 % högre än 100/120-värdet.

Om rippelströmmen överstiger märkvärdet överskrider motsvarande värmegenerering kondensatorns temperaturgräns och kan förstöra kondensatorernas inre struktur (spänningssäker, kokpunkt). Då tenderar komponenterna att kortslutas, ventileringsöppning eller explosion. Ripplingsströmmar högre än märkvärdena är endast möjliga med forcerad kylning.

Laddnings-/urladdningsstabilitet

Under urladdning ändras strömriktningen i kondensatorn, katoden (-) får en anod (+), två interna spänningar med motsatt polaritet uppstår. Konstruktionsregeln för kondensatorn - C _K >> C _A - säkerställer ingen efterformning av katodfolien under urladdning.

Elektrolytkondensatorer av aluminium med icke-fasta elektrolyter innehåller alltid, förutom anodfolien, en katodfolie som fungerar som elektrisk kontakt till elektrolyten. Denna katodfolie är försedd med ett mycket tunt, naturligt, luft-ursprunget oxidskikt, som också fungerar som ett dielektrikum. Sålunda bildar kondensatorkonstruktionen en seriekrets av två kondensatorer, kapacitansen för anodfolien CA _och katodfolien _CK . Såsom beskrivits ovan bestäms kapacitansen hos kondensatorn C _e-cap huvudsakligen av anodkapacitansen CA _när katodkapacitansen C _{K är} ungefär 10 gånger högre än anodkapacitansen _CA.

Elektrolytkondensatorer av aluminium med icke-fasta elektrolyter kan normalt laddas upp till märkspänningen utan någon strömbegränsning. Denna egenskap är ett resultat av den begränsade jonrörligheten i den flytande elektrolyten, som saktar ner spänningsrampen över dielektrikumet och kondensatorns ESR.

Under urladdning vänder den interna konstruktionen av kondensatorn den inre polariteten. Katoden (-) får en anod (+), och ändrar strömflödesriktningen. Två spänningar uppstår över dessa elektroder. I princip uppträder spänningsfördelningen över båda elektroderna som den reciproka CV-produkten för varje elektrod.

Konstruktionsregeln för hög katodkapacitans säkerställer att spänningen som uppträder över katoden under urladdning inte är högre än ungefär 1,5 V, det vill säga dess naturliga luft-ursprungliga spänningssäkra. Ingen ytterligare efterformning av katodfolien äger rum, vilket kan leda till kapacitansförsämring. Då är kondensatorerna urladdningssäkra.

Strömstöt, topp- eller pulsström

Små (diameter <25 mm) elektrolytkondensatorer av aluminium med icke-fasta elektrolyter kan normalt laddas upp till märkspänningen utan någon strömstöt, topp- eller pulsbegränsning upp till ett toppströmvärde på ca 50 A. Denna egenskap är ett resultat av den begränsade jonrörligheten i den flytande elektrolyten, som saktar ner spänningsrampen över dielektrikumet, och kondensatorns ESR. Endast frekvensen av toppar integrerade över tiden får inte överstiga den maximalt specificerade rippelströmmen.

Läckström

allmänt läckagebeteende hos elektrolytiska kondensatorer: läckström

I_{leak}

som funktion av tiden

t

för olika typer av elektrolyter

icke fast, hög vattenhalt

icke fast, organisk

fast, polymer

Typisk läckströmskurva för en industriell elektrolytisk kondensator med lång livslängd med icke-fast elektrolyt

En karakteristisk egenskap hos elektrolytiska kondensatorer är "läckströmmen". Denna DC-ström representeras av motståndet R- _läckage parallellt med kondensatorn i den serieekvivalenta kretsen av elektrolytiska kondensatorer, och flyter om en spänning appliceras.

Läckströmmen inkluderar alla svaga defekter i dielektrikumet orsakade av oönskade kemiska processer och mekaniska skador och är den likström som kan passera genom dielektrikumet efter att ha anbringat en spänning med korrekt polaritet. Det beror på kapacitansvärdet, på pålagd spänning och temperatur på kondensatorn, på mättid, på typen av elektrolyt och på förutsättningar som tidigare lagringstid utan pålagd spänning eller termisk påkänning från lödning. (Alla icke-fasta elektrolytkondensatorer behöver en återhämtningstid på några timmar efter lödning innan läckströmmen mäts. Icke-solida chipkondensatorer behöver en återhämtningstid efter återflödeslödning på cirka 24 timmar.) Läckströmmen reduceras genom att pålägga driftspänning på egen hand. -läkningsprocesser.

Läckströmmen sjunker under de första minuterna efter applicering av DC-spänning. Under denna tid kan det dielektriska oxidskiktet reparera alla svagheter genom att bygga upp nya skikt i en självläkande process. Hur lång tid det tar för läckströmmen att sjunka beror i allmänhet på typen av elektrolyt. Fasta elektrolyters läckström sjunker mycket snabbare än för icke-fasta typer, men den ligger kvar på en något högre nivå. Våta elektrolytkondensatorer med hög vattenhalt elektrolyter under de första minuterna har i allmänhet högre läckström än de med organisk elektrolyt, men efter flera minuter når de samma nivå. Även om läckströmmen för elektrolytiska kondensatorer är högre jämfört med strömflödet över isolationsmotståndet vid keramiska eller filmkondensatorer, kan självurladdningen av moderna icke-solida elektrolytiska kondensatorer ta flera veckor.

Läckström I _{läckspecifikation} i tillverkarnas datablad avser kondensatorns kapacitansvärde C _R , märkspänning U _R , en korrelationsfaktor och ett minimiströmvärde. Till exempel,

I_{\mathrm {Leak} }=0{.}01\,\mathrm {{A} \över {V\cdot F}} \ cdot U_{\mathrm {R} }\cdot C_{\mathrm {R} }+3\,\mathrm {\mu A}

Efter en mättid på 2 eller 5 minuter, beroende på databladsspecifikationen, måste det uppmätta läckströmvärdet vara lägre än det beräknade värdet. Normalt är läckströmmen alltid lägre ju längre kondensatorspänningen påläggs. Läckströmmen under drift efter till exempel en timme är driftläckström. Detta värde beror starkt på tillverkarens serieegenskaper. Det kan vara lägre än 1/100 av det angivna värdet.

Läckströmmen beror på den pålagda spänningen och den omgivande temperaturen. Värdet vid kontinuerlig drift vid 85 °C är cirka fyra gånger högre än vid 20 °C. Annars är värdet ungefär hälften, vilket minskar den pålagda spänningen till 70 % av märkspänningen.

Elektrolytiska kondensatorer av icke-solid aluminium som läckström efter en drifttid på till exempel en timme ligger kvar på en högre nivå än vad som anges. Oftast har de blivit mekaniskt skadade invändigt på grund av hög mekanisk påfrestning under monteringen.

Dielektrisk absorption (blötning)

Dielektrisk absorption uppstår när en kondensator som har varit laddad under lång tid laddas ur endast ofullständigt när den urladdas kortvarigt. Även om en idealisk kondensator skulle nå noll volt efter urladdning, utvecklar riktiga kondensatorer en liten spänning från tidsfördröjd dipolurladdning, ett fenomen som också kallas dielektrisk relaxation , "blötläggning" eller "batteriverkan".

Värden för dielektrisk absorption för vissa ofta använda kondensatorer
Typ av kondensator	Dielektrisk absorption
Tantalelektrolytiska kondensatorer med fast elektrolyt	2 till 3 %, 10 %
Elektrolytisk kondensator av aluminium med icke-fast elektrolyt	10 till 15 %

Dielektrisk absorption kan vara ett problem i kretsar som använder mycket små strömmar i elektroniska kretsar, såsom långtidskonstanta integratorer eller samplings -och-håll- kretsar. Dielektrisk absorption är inte ett problem i de flesta tillämpningar av elektrolytiska kondensatorer som stöder strömförsörjningsledningar.

Men speciellt för elektrolytiska kondensatorer med hög märkspänning kan spänningen vid terminalerna som genereras av den dielektriska absorptionen utgöra en säkerhetsrisk för personal eller kretsar. För att förhindra stötar levereras de flesta mycket stora kondensatorer med kortslutningskablar som måste tas bort före användning.

Tillförlitlighet, livslängd och fellägen

Tillförlitlighet (felfrekvens)

Badkarskurva med tider av "tidiga fel", "slumpmässiga fel" och "nötningsfel". Tiden för slumpmässiga fel är tiden för konstant felfrekvens och motsvarar livslängden för icke-solida elektrolytiska kondensatorer.

Tillförlitlighetsprognosen för aluminiumelektrolytiska kondensatorer uttrycks i allmänhet som en felfrekvens λ, förkortat FIT (Failures In Time) . Det är ett mått på antalet fel per timme under tiden med konstanta slumpmässiga fel i badkarskurvan . Den platta delen i badkarskurvan motsvarar den beräknade livslängden eller livslängden för icke-solida elektrolytkondensatorer. Felfrekvensen används för att beräkna en överlevnadssannolikhet för en önskad livslängd för en elektronisk krets i kombination med andra deltagande komponenter.

FIT är antalet fel som kan förväntas under en miljard (10 ⁹ ) komponenttimmars drift vid fasta arbetsförhållanden (t.ex. 1000 komponenter under 1 miljon timmar eller 1 miljon komponenter under 1000 timmar) (1 ppm /1000 timmar) ) var och en under perioden med konstanta slumpmässiga misslyckanden. Denna felfrekvensmodell antar implicit idén om "slumpmässigt misslyckande". Enskilda komponenter misslyckas vid slumpmässiga tillfällen men i en förutsägbar takt. Fel är kortslutningar, öppna kretsar och degraderingsfel (som överskrider specificerade gränser för elektriska parametrar).

Det ömsesidiga värdet av FIT är MTBF, medeltiden mellan misslyckanden .

Standarddriftsförhållandena för felfrekvensen FIT är 40 °C och 0,5 U _R . För andra förhållanden med pålagd spänning, strömbelastning, temperatur, kapacitansvärde, kretsresistans (för tantalkondensatorer), mekanisk påverkan och fuktighet kan FIT-siffran räknas om med accelerationsfaktorer standardiserade för industriella eller militära sammanhang. Ju högre temperatur och pålagd spänning, desto högre felfrekvens.

Det är bra att veta att för kondensatorer med fasta elektrolyter uttrycks felfrekvensen ofta som procent felaktiga komponenter per tusen timmar (n %/1000 h), och specificeras vid referensförhållanden 85 °C och märkspänning U _R . Det vill säga "n" antal felaktiga komponenter per 10 ⁵ timmar, eller i FIT det tiotusenfaldiga värdet per 10 ⁹ timmar men för olika referensförhållanden. För dessa andra förhållanden kan siffran "%I1000 h" räknas om med accelerationsfaktorer som är standardiserade för industriella eller militära sammanhang.

De flesta moderna elektrolytkondensatorer av aluminium med icke-fasta elektrolyter är nuförtiden mycket pålitliga komponenter med mycket låga felfrekvenser, med förväntad livslängd på årtionden under normala förhållanden. Det är bästa praxis att låta elektrolytkondensatorer klara ett efterformningsprocesssteg efter produktion, liknande en " burn in ", så att tidiga fel elimineras under produktionen. FIT-värdena som anges i databladen är beräknade utifrån den långa erfarenheten av tillverkaren, baserat på livstidstestresultaten Typiska referensvärden för felfrekvens för aluminiumelektrolytiska kondensatorer med icke-fasta elektrolyter är för lågspänningstyper (6,3–160 V) FIT-hastigheter i intervallet 1 till 20 FIT och för högspänningstyper (>160–550 V) FIT-hastigheter i intervallet 20 till 200 FIT. Fältfelsfrekvenser för aluminiumkondensatorer ligger i intervallet 0,5 till 20 FIT.

Data för specifikationen "felfrekvens" är baserad på resultaten av livstidstestning (uthållighetstestning). Dessutom anges ibland en "fältfelfrekvens". Dessa siffror kommer från stora kunder som märkte misslyckanden på fältet i sin applikation. Felfrekvensen på fältet kan ha mycket lägre värden. För elektrolytiska kondensatorer av aluminium ligger de i intervallet 0,5 till 20 FIT. Fältfelsfrekvensvärdena är i linje med de vanliga storleksordningarna för elektroniska komponenter.

Livstid, livslängd

De elektriska värdena för elektrolytkondensatorer med icke-fasta elektrolyter förändras över tiden på grund av avdunstning av elektrolyten. När specificerade gränser för de elektriska parametrarna uppnås, räknas kondensatorerna som "nötningsfel". Grafen visar detta beteende i ett 2000 h uthållighetstest vid 105 °C.

Elektrolytkondensatorer av aluminium med icke-fasta elektrolyter har en exceptionell position bland elektroniska komponenter eftersom de arbetar med en elektrolyt som flytande ingrediens. Den flytande elektrolyten bestämmer det tidsberoende beteendet hos elektrolytiska kondensatorer. De åldras med tiden när elektrolyten avdunstar. Detta innebär också att det sker en kraftig minskning av livslängden med stigande temperatur. Som en tumregel halverar livslängden var 10:e graders höjning. Denna mycket långsamma uttorkning av elektrolyten beror på seriekonstruktion, omgivningstemperatur, spänning och krusningsströmbelastning. Att sänka elektrolyten över tiden påverkar kondensatorernas kapacitans, impedans och ESR. Kapacitansen minskar och impedansen och ESR ökar med minskande mängder elektrolyt. Läckströmmen minskar eftersom alla svagheter är läkta efter den långa formningstiden. Till skillnad från elektrolytkondensatorer med fasta elektrolyter, har "våta" elektrolytkondensatorer ett "slut på livslängden" när komponenterna når specificerade maximala förändringar av kapacitans, impedans eller ESR. Tidsperioden till "slutet på livet" kallas "livslängd", "nyttig livslängd", "lastlivslängd" eller "livslängd". Den representerar tiden för konstant felfrekvens i badkarskurvan för felfrekvens.

Under normala omgivningsförhållanden kan elektrolytiska kondensatorer ha mer än 15 års livslängd, men detta kan begränsas beroende på nedbrytningsbeteendet hos gummitappen (som vanligtvis inte åldras under livstidstestning). Denna klassificering testas med ett accelererat åldringstest som kallas "uthållighetstest" enligt IEC 60384-4-1 med märkspänning vid den övre kategoritemperaturen. En av utmaningarna med detta åldringstest är den tid som krävs för att få fram några meningsfulla resultat. Som svar på krav på lång livslängd, hög temperaturprestanda från fordonsindustrin och miljöanpassade applikationer (solenergimikrovinvertrar, lysdioder, vindturbiner, etc.), kräver vissa kondensatorer mer än ett års testning (10 000 timmar) innan de kan kvalificeras. På grund av denna begränsning har det funnits ett ökande intresse för metoder för att påskynda testet på ett sätt som fortfarande ger relevanta resultat.

Grafen till höger visar beteendet hos de elektriska parametrarna hos elektrolytkondensatorer av aluminium med icke-fasta elektrolyter på grund av avdunstning av elektrolyten i ett 2000 timmars uthållighetstest vid 105 °C. Torkningsprocessen kan också upptäckas genom viktminskning.

Efter detta uthållighetstest är de specificerade parametergränserna för att klara testet å ena sidan inga totala fel (kortslutning, öppen krets) och å andra sidan att inte uppnå degraderingsfel, en minskning av kapacitansen över 30 % och en ökning av ESR, impedans eller förlustfaktor med mer än en faktor 3 jämfört med initialvärdet. Parametrar för den testade komponenten utanför dessa gränser kan räknas som bevis på nedbrytningsfel.

Testtiden och temperaturen beror på den testade serien. Det är anledningen till de många olika livstidsspecifikationerna i tillverkarnas datablad, som ges i form av en tids-/temperaturindikering, till exempel: 2000 h/85 °C, 2000 h/105 °C, 5000 h/ 105°C, 2000 h/125°C. Dessa siffror anger den minsta livslängden för kondensatorerna i en serie, när de exponeras vid den maximala temperaturen med pålagd märkspänning.

Med hänvisning till uthållighetstestet inkluderar denna specifikation inte att kondensatorerna laddas med det nominella rippelströmvärdet. Men den extra interna värmen på 3 till 10 K, beroende på serien, som genereras av rippelströmmen, tas vanligtvis med i beräkningen av tillverkaren på grund av säkerhetsmarginalerna vid tolkning av resultaten av dess uthållighetstester. Ett test med en faktisk applicerad rippelström är överkomligt för alla tillverkare.

En kondensators livslängd för olika driftsförhållanden kan uppskattas med hjälp av speciella formler eller grafer som anges i databladen från seriösa tillverkare. De använder olika sätt att uppnå specifikationen; vissa tillhandahåller speciella formler, andra specificerar sin kondensatorlivslängdsberäkning med grafer som tar hänsyn till påverkan av applicerad spänning. Grundprincipen för att beräkna tiden under driftsförhållanden är den så kallade "10-gradersregeln".

Denna regel är också välkänd som Arrhenius-regeln . Det kännetecknar förändringen av termisk reaktionshastighet. För varje 10 °C lägre temperatur halveras förångningen. Det betyder att kondensatorernas livslängd fördubblas för varje 10 °C lägre temperatur.

L_{x}=L_{\text{Spec}}\cdot 2^{\frac {T_{0}-T_{A}}{10}}

L _x = livslängd som ska uppskattas
L _Spec = specificerad livslängd (livslängd, lastlivslängd, livslängd)
T ₀ = övre kategoritemperatur (°C)
TA = temperatur ₍ °C) på höljet eller omgivningstemperatur nära kondensatorn

Om en livstidsspecifikation för en elektrolytisk kondensator är till exempel 2000 h/105 °C, kan kondensatorns livslängd vid 45 °C "beräknas" till 128 000 timmar – ungefär 15 år – genom att använda 10-gradersregeln. Även om resultatet av den längre livslängden vid lägre temperaturer kommer från en matematisk beräkning, är resultatet alltid en uppskattning av det förväntade beteendet hos en grupp av liknande komponenter.

Livslängden för elektrolytiska kondensatorer med icke-fasta elektrolyter beror på förångningshastigheten och därför på kondensatorns kärntemperatur. Denna kärntemperatur beror å andra sidan på rippelströmbelastningen. Att använda 10-gradersregeln med kondensatorhusets temperatur ger ett bra förhållningssätt till driftsförhållandena. Vid högre rippelströmmar kan livslängden påverkas positivt med kraftkylning.

Nära slutet av kondensatorns livslängd börjar degraderingsfel uppstå. Samtidigt upphör området för den konstanta felfrekvensen. Men även efter överskridandet av kondensatorns specificerade livslängd är den elektroniska kretsen inte i omedelbar fara; endast kondensatorns funktionalitet reduceras. Med dagens höga renhetsnivåer vid tillverkning av elektrolytkondensatorer är det inte att förvänta att kortslutningar inträffar efter livslängden med progressiv avdunstning i kombination med parameternedbrytning.

Fellägen

Felaktiga elektrolytkondensatorer av aluminium med öppen ventil orsakad av användning av fel elektrolyt

Elektrolytkondensatorer av aluminium med icke-fasta elektrolyter har kvalitetsmässigt en relativt negativ bild av allmänheten. Detta strider mot industriell erfarenhet, där elektrolytkondensatorer anses vara pålitliga komponenter om de används inom deras specificerade specifikationer under den beräknade livslängden. Den negativa offentliga bilden kan bland annat bero på att felaktiga elektrolytkondensatorer i enheter är lätta och omedelbart synliga. Detta är exceptionellt och inte fallet med andra elektroniska komponenter.

Som med alla industriprodukter är specifika orsaker till fellägen kända för elektrolytkondensatorer av aluminium med icke-fasta elektrolyter. De kan särskiljas i fel som orsakas av kondensatorutveckling och produktion, av enhetsproduktion, av kondensatorapplikation eller av yttre påverkan under användning.

Kondensatortillverkningsindustrin kan bara påverka det första felläget. De flesta tillverkare har haft välstrukturerade kvalitetskontrollavdelningar i decennier, som övervakar alla utvecklings- och tillverkningssteg. Flödesscheman för felläge visar detta. Ett typiskt fysiskt eller kemiskt orsakat större felläge under applicering, såsom "fältkristallisation" för tantalkondensatorer, är dock inte känt för elektrolytiska kondensatorer av icke-solid aluminium.

Kondensatorns beteende efter förvaring eller ur bruk

På många håll anses elektrolytiska kondensatorer vara mycket opålitliga komponenter jämfört med andra passiva komponenter. Detta är delvis en funktion av dessa komponenters historia. Kondensatorer tillverkade under och före andra världskriget led ibland av kontaminering under manuell tillverkning, och i synnerhet klorsalter var ofta orsaken till att korrosiva processer ledde till höga läckströmmar. Klor verkar på aluminium som en katalysator för bildandet av instabil oxid utan att själv bindas kemiskt.

Efter andra världskriget var detta problem känt men mätutrustningen var inte tillräckligt noggrann för att detektera klor i mycket låg ppm-koncentration. Situationen förbättrades under de kommande 20 åren och kondensatorerna blev tillräckligt bra för applikationer med längre livslängd. Detta leder i sin tur till en tidigare obemärkt vattendriven korrosion, som försvagar det stabila dielektriska oxidskiktet under lagring eller ur bruk. Detta leder till höga läckströmmar efter lagring. De flesta av elektrolyterna på den tiden innehåller vatten, och många av kondensatorerna når sin livslängd genom att torka ut. Vattendriven korrosion var anledningen till rekommenderade förutsättningsanvisningar.

Den första lösningen på 1970-talet var utvecklingen av vattenfria elektrolytsystem baserade på organiska lösningsmedel. Deras fördelar var bland annat lägre läckströmmar och nästan obegränsad hållbarhet, men detta ledde till ett annat problem: Den växande massproduktionen med automatiska insättningsmaskiner kräver en tvättning av PCB:erna efter lödning; dessa rengöringslösningar innehöll kloralkan ( CFC ) medel. Sådana halogenlösningar tränger ibland igenom tätningen av en kondensator och initierar klorkorrosion. Återigen var det ett läckströmsproblem.

Användningen av CFC som lösningsmedel för kemtvätt har fasats ut, till exempel genom IPPC- direktivet om växthusgaser 1994 och genom EU :s direktiv om flyktiga organiska föreningar (VOC) 1997. Under tiden har elektrolytiska system utvecklats med tillsatser för att hämma reaktionen mellan anodisk aluminiumoxid och vatten, vilket löser de flesta problem med höga läckströmmar efter lagring.

Förmågan hos elektrolytiska kondensatorer av icke-solid aluminium att ha ett stabilt beteende under längre lagringstider kan testas genom att använda ett accelererande test av lagring av kondensatorerna vid dess övre kategoritemperatur under en viss period, vanligtvis 1000 timmar utan pålagd spänning. Detta "hållbarhetstest" är en bra indikator på ett inert kemiskt beteende hos det elektrolytiska systemet mot det dielektriska aluminiumoxidskiktet eftersom alla kemiska reaktioner accelereras av höga temperaturer. Nästan alla dagens serier av kondensatorer klarar hållbarhetstestet på 1000 timmar, vilket motsvarar minst fem års lagring i rumstemperatur. Moderna elektrolytiska kondensatorer behöver inte förkonditioneras efter sådan lagring. Men många kondensatorserier specificeras endast för två års lagringstid, men gränsen sätts av oxidation av terminaler och resulterande lödbarhetsproblem.

För att återställa antik radioutrustning med hjälp av äldre elektrolytkondensatorer byggda på 1970-talet eller tidigare, rekommenderas ofta "förkonditionering". För detta ändamål appliceras märkspänningen på kondensatorn via en serieresistans på cirka 1 kΩ under en period av en timme. Genom att lägga på en spänning via ett säkerhetsmotstånd repareras oxidskiktet genom att självläka, men långsamt, vilket minimerar intern uppvärmning. Om kondensatorer fortfarande inte uppfyller läckströmskraven efter förkonditionering kan det vara en indikation på permanent skada.

Ytterligare information

Kondensatorsymboler


Elektrolytisk kondensator	Elektrolytisk kondensator	Elektrolytisk kondensator	Bipolär elektrolytisk kondensator

Kondensatorsymboler

Parallellkoppling

Mindre eller lågspänningselektrolytiska kondensatorer av aluminium kan kopplas parallellt utan någon säkerhetskorrigering. Kondensatorer i stora storlekar, särskilt stora storlekar och högspänningstyper, bör skyddas individuellt mot plötslig energiladdning av hela kondensatorbanken på grund av ett misslyckat prov.

Serieanslutning

Vissa applikationer som AC/AC-omvandlare med DC-länk för frekvensreglering i trefasnät kräver högre spänning än vad elektrolytkondensatorer vanligtvis erbjuder. För sådana applikationer kan elektrolytiska kondensatorer anslutas i serie för ökad spänningsmotståndsförmåga. Under laddning är spänningen över var och en av de seriekopplade kondensatorerna proportionell mot inversen av den individuella kondensatorns läckström. Eftersom varje kondensator skiljer sig något i individuell läckström, kommer kondensatorerna med högre läckström att få mindre spänning. Spänningsbalansen över de seriekopplade kondensatorerna är inte symmetrisk. Passiv eller aktiv spänningsbalans måste tillhandahållas för att stabilisera spänningen över varje enskild kondensator.

Påtryckta markeringar

Elektrolytiska kondensatorer, liksom de flesta andra elektroniska komponenter, har präglade märkningar för att indikera tillverkaren, typen, de elektriska och termiska egenskaperna samt tillverkningsdatum. I det ideala fallet, om de är tillräckligt stora, bör kondensatorn märkas med:

Tillverkarens namn eller varumärke;
Tillverkarens typbeteckning;
Polariteten hos anslutningarna (för polariserade kondensatorer)
Nominell kapacitans;
Tolerans på nominell kapacitans
Märkspänning och matningstyp (AC eller DC)
Klimatkategori eller nominell temperatur;
Tillverkningsår och månad (eller vecka);

Mindre kondensatorer använder en förkortning för att visa all relevant information på det begränsade utrymmet. Det vanligaste formatet är: XYZ K/M VOLTS V, där XYZ representerar kapacitansen i µF, bokstäverna K eller M indikerar toleransen (±10% respektive ±20%) och VOLTS V representerar märkspänningen. Exempel:

En kondensator med följande text på kroppen: 10K 25 har en kapacitans på 10 µF, tolerans K = ±10% med en märkspänning på 25 V.

Kapacitans, tolerans och tillverkningsdatum kan också identifieras med en kort kod enligt IEC 60062. Exempel på kortmärkning av den nominella kapacitansen (mikrofarader):

µ47 = 0,47 µF, 4µ7 = 4,7 µF, 47µ = 47 µF

Tillverkningsdatumet är ofta tryckt enligt internationella standarder i förkortad form.

Version 1: kodning med år/vecka sifferkod, "1208" är "2012, vecka nummer 8".
Version 2: kodning med årskod/månadskod,

Årskod: "R" = 2003, "S" = 2004, "T" = 2005, "U" = 2006, "V" = 2007, "W" = 2008, "X" = 2009, "A" = 2010 , "B" = 2011, "C" = 2012, "D" = 2013, "E" = 2014, "F" = 2015 etc. Månadskod: "1" till "9" = januari till september, " O" = oktober, "N" = november, "D" = december "C5" är då "2012, maj"

Polaritetsmärkning

Polaritetsmärkning för elektrolytiska kondensatorer av icke-solid och solid aluminium

Elektrolytkondensatorer av aluminium med icke-fast elektrolyt har en polaritetsmarkering på katodsidan (minus)
Elektrolytkondensatorer av aluminium med fast elektrolyt har en polaritetsmärkning på anoden (plus) sidan

Polaritetsmärkning på en SMD-V-chipkondensator

SMD- typ elektrolytiska kondensatorer med icke-solid elektrolyt (vertikala chips, V-chips) har en färgad fylld halvcirkel eller en minusstapel på toppen av höljets sida som är synlig för att indikera minusterminalen. Dessutom använder den isolerande plattan under kondensatorkroppen två sneda kanter för att indikera att minuspolen är på komplementpositionen.

Radiella eller enkeländade elektrolytiska kondensatorer har en stapel tvärs över kondensatorns sida för att indikera minuspolen. Den negativa polkabeln kan vara kortare än den positiva polkabeln (liknar lysdioder ). Dessutom kan minuspolen ha en räfflad yta stansad på toppen av anslutningsklacken.

Axiella elektrolytiska kondensatorer har en stapel tvärs över eller runt höljet som pekar mot den negativa ledningsänden för att indikera minuspolen. Den positiva terminalen på kondensatorn är på sidan av tätningen. Den negativa ledningen är kortare än den positiva ledningen.

På ett tryckt kretskort är det vanligt att indikera den korrekta orienteringen genom att använda en kvadratisk genomgående kudde för den positiva ledningen och en rund dyna för den negativa.

Standardisering

Standardiseringen för alla elektriska , elektroniska komponenter och relaterade teknologier följer reglerna från International Electrotechnical Commission (IEC), en icke-vinstdrivande , icke-statlig internationell standardiseringsorganisation .

Definitionen av egenskaperna och förfarandet för testmetoderna för kondensatorer för användning i elektronisk utrustning anges i den allmänna specifikationen:

IEC/EN 60384-1— Fasta kondensatorer för användning i elektronisk utrustning

De tester och krav som ska uppfyllas av elektrolytiska kondensatorer av aluminium för användning i elektronisk utrustning för godkännande som standardiserade typer anges i följande avsnittsspecifikationer:

IEC/EN 60384-3— Ytmonterade fasta tantalelektrolytiska kondensatorer med mangandioxid fast elektrolyt
IEC/EN 60384-4— Elektrolytkondensatorer av aluminium med fast (MnO ₂ ) och icke-fast elektrolyt
IEC/EN 60384-18— Fasta elektrolytiska ytmonterade kondensatorer av aluminium med fast (MnO ₂ ) och icke-fast elektrolyt
IEC/EN 60384-25— Ytmonterad fasta elektrolytkondensatorer av aluminium med ledande polymer fast elektrolyt
IEC/EN 60384-26— Fasta elektrolytkondensatorer av aluminium med ledande fast polymerelektrolyt

Applikationer och marknad

Ansökningar

Typiska tillämpningar av elektrolytkondensatorer av aluminium med icke-fast elektrolyt är:

Ingångs- och utgångsavkopplingskondensatorer för utjämning och filtrering i växelströmsförsörjning och strömförsörjning med switchat läge, såväl som i DC/DC-omvandlare
DC-länkkondensatorer i AC/AC-omvandlare för frekvensomriktare och frekvensväxlare samt i avbrottsfri strömförsörjning
Korrektionskondensatorer för effektfaktorkorrigering
Energilagring för krockkuddar , fotoblixtenheter , civila detonatorer
Motorstartkondensatorer för AC-motorer
Bipolära kondensatorer för ljudsignalkoppling
Blixtkondensator för kamerablixtar

Fördelar och nackdelar

Fördelar:

Billiga kondensatorer med höga kapacitansvärden för filtrering av lägre frekvenser
Högre energitäthet än filmkondensatorer och keramiska kondensatorer
Högre effekttäthet än superkondensatorer
Ingen toppströmbegränsning krävs
Otillgänglig för transienter
Mycket stor variation i stilar, serier med skräddarsydda livslängder, temperaturer och elektriska parametrar
Många tillverkare

Nackdelar:

Begränsad livslängd på grund av avdunstning
Relativt dåligt ESR- och Z-beteende vid mycket låga temperaturer
Känslig för mekanisk påfrestning
Känslig för kontaminering med halogenater
Polariserad applikation

Marknadsföra

Marknaden för aluminiumelektrolytiska kondensatorer 2010 var cirka 3,9 miljarder USD (cirka 2,9 miljarder euro), cirka 22 % av värdet på den totala kondensatormarknaden på cirka 18 miljarder USD (2008). I antal stycken täcker dessa kondensatorer cirka 6 % av den totala kondensatormarknaden på cirka 70 till 80 miljarder stycken.

Tillverkare och produkter

*Världsomspännande verksamma tillverkare och deras produktprogram för elektrolytiska kondensatorer i aluminium"*
Tillverkare	Tillgängliga stilar
Tillverkare	SMD-	Radiell	Axial	Snap-in	Skruvterminal _	Bipolärt ljud	Motorstart _	Polymer	Polymer- Hybrid
CapXon ,	X	X	–	X	X	X	–	X	X
Daewoo, (Partsnic)	X	X	–	X	–	–	–	–	–
Cornell Dubilier, (CDE)	X	X	X	X	X	–	X	X	X
Kondensatorindustrier	–	–	–	X	X	–	X	–	–
Chinsan, (elit)	–	X	–	X	X	X	X	X	–
Elna	X	X	–	X	X	X	–	X	–
Frolyt	X	X	X	–	X	–	–	–	–
Fischer & Tausche	–	X	X	X	X	-	X	–	–
Hitachi	–	–	–	X	X	–	–	–	–
Hitano	X	X	X	X	–	–	–	–	–
Illinois kondensator	X	X	X	X	X	X	–	–	–
Itelcond	–	–	–	X	X	–	–	–	–
Jackcon	X	X	X	X	–	X	–	–	–
Jianghai	X	X	–	X	X	–	–	X	–
Lelon	X	X	–	X	X	X	–	X	–
Kaimei Electronic Corp, (Jamicon)	X	X	–	X	X	X	–	X	–
KEMET-Evox-Rifa Group	X	X	X	X	X	–	X	–	–
MAN YUE, (Capxon)	X	X	–	X	X	X	–	–	–
Nantung	X	X	–	X	–	X	–	–	–
Nippon Chemi-Con, (NCC, ECC, UCC)	X	X	X	X	X	X	–	X	X
NIC	X	X	–	X	–	X	–	X	X
Nichicon	X	X	–	X	X	X	–	X	X
Panasonic, Matsushita	X	X	X	X	–	X	–	X	X
Richey Capacitor Inc. Richey	X	X	X	X	–	–	–	–	–
Rubycon	X	X	–	X	X	X	–	X	–
SUN Electronic Industry	–	X	–	–	–	–	–	X	–
Solbränna	X	X	X	X	X	X	–	X	–
TDK EPCOS	–	X	X	X	X	–	–	–	–
Vishay, (BCc, Roederstein)	X	X	X	X	X	–	–	–	–
Würth Elektronik eiSos	X	X	-	X	X	X	–	X	–
Yageo	X	X	–	X	X	–	–	X	–