铝电解电容的失效分析

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2017-08-23
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摘要 : 电容器的常见失效模式有:击穿、开路、电参数变化(包括电容量超差、损耗角正切值增大、绝缘性能下降或漏电流上下班升等)、漏液、引线腐蚀或断裂、绝缘子破裂或表面飞弧等.引起电容器失效的原因是多种多样的。各类电容器的材料、结构、制造工艺、性能和使用环境各不相同,失效机理也各不一样。

重庆达标:铝电解电容的失效分析

一、铝电解电容概念blob.png

  铝电解电容是电工行业的一种装置,由铝圆筒做负极,里面装有液体电解质,插入一片弯曲的铝带做正极制成。铝电解电容需要经过直流电压处理,使正极片上形成一层氧化膜做介质。铝电解电容特点是容量大,单位体积的电容量非常大,比其它种类的电容大几十到数百倍。价格比其它种类具有压倒性优势,因为电解电容的组成材料都是普通的工业材料,比如铝等等。但是漏电大、稳定性差,有正负极性,适宜用于电源滤波或者低频电路中;使用时,正负极不要接反。


二、铝电解电容常见的失效模式
  电容器的常见失效模式有:击穿、开路、电参数变化(包括电容量超差、损耗角正切值增大、绝缘性能下降或漏电流上下班升等)、漏液、引线腐蚀或断裂、绝缘子破裂或表面飞弧等.引起电容器失效的原因是多种多样的。各类电容器的材料、结构、制造工艺、性能和使用环境各不相同,失效机理也各不一样。各种常见失效模式的主要产生机理归纳如下。


三、失效模式及其引发原因分析

1、击穿
  铝电解电容器击穿是由于阳极氧化铝介质膜破裂,导致电解液直接与阳极接触而造成的。氧化铝膜可能因各种材料,工艺或环境条件方面的原因而受到局部损伤。在外加电场的作用下工作电解液提供的氧离子可在损伤部位重新形成氧化膜,使阳极氧化膜得以填平修复。但是如果在损伤部位存在杂质离子或其他缺陷,使填平修复工作无法完善,则在阳极氧化膜上会留下微孔,甚至可能成为穿透孔,使铝电解电容器击穿。

  此外,随着使用和储存时间的增长,电解液中溶剂逐渐消耗和挥发,使溶液酸值上升,在储存过程中对氧化膜层发生腐蚀作用。同时,由于电解液老化与干涸,在电场作用下已无法提供氧离子修补氧化膜,从而丧失了自愈作用,氧化膜一经损坏就会导致电容器击穿。工艺缺陷也是铝电解电容器击穿的一个主要原因。如铆接工艺不佳时,引出箔条上的毛剌严重剌伤氧化膜,刺伤部位漏电流很大,局部过热使电容器产生热击穿。在使用上过温,过纹波电流或过机械应力都有可能使电容击穿失效。


  2、漏液
  漏液,是电容器失效的原因之一,而铝电解电容也不例外。铝电解电容其工作电解液呈现酸性,如果溢出,则会严重污染和腐蚀电容器周围的其他元器件和印刷电路板。同时电解电容器内部,由于漏液而使工作电解液逐渐干涸,丧失修补阳极氧化膜介质的能力,导致电容器击穿或电参数恶化而失效。产生漏液的原因是很多的,如:

  ①铝电解电容器密封不佳;
  ②采用橡胶塞密封铝电解电容器的,则可能因为使用太久,导致橡胶老化、龟裂而引起漏液现象;
  ③机械密封工艺存在问题;
  ④安装问题,一般生产厂商会考虑到漏液问题,他们会在企标中明确规定要立式安装,而有些企业则采用了卧式安装等。


  3、爆炸
  铝电解电容器在工作电压中交流成分过大,或氧化膜介质有较多缺陷,或存在氯根、硫酸根之类有害的阴离子,以致漏电流较大时电解作用产生气体的速率较快,工作时间愈长,漏电流愈大,壳内气体愈多,温度愈高。电容器金属壳内外的气压差值将随工作电压和工作时间的增加而增大。如果密封良好,又没有任何防爆措施,则气压增大到一定程度就会引起电容器爆炸。

  目前,已普遍采用防爆外壳结构,在金属外壳上部增加一道褶缝,气压高时将褶缝顶开,增大壳内容积,从而降低气压,减少爆炸危险。在使用上如加过载电压,对电容急速充放电,施加反向电压等都有可能使电容爆炸。


4、电参数恶化
  ①电容量下降与损耗增大
  铝电解电容器的电容量在工作早期缓慢下降,这是由于负荷过程中工作电解液不断修补并增厚阳极氧化膜所致。铝电解电容器在使用后期,由于电解液耗损较多、溶液变稠,电阻率因黏度增大而上升,使工作电解质的等效串联电阻增大,导致电容器损耗明显增大。同时,黏度增大的电解液难于充分接触经腐蚀处理的凹凸不平铝箔表面上的氧化膜层,这样就使铝电解电容器的极板有效面积减小,引起电容量急剧下降。这也是电容器使用寿命临近结束的表现。

此外,如果工作电解液在低温下黏度增大过多,也会造成损耗增大与电容量急剧下降的后果。在使用上过温,过纹波电流都有可能使电容量下降与损耗增大。

  ②漏电流增加
  漏电流增加往往导致铝电解电容器失效。工艺水平低,氧化膜损伤与沾污严重,工作电解液配方不佳,原材料纯度不高,电解液的化学性质与电化学性质难以长期稳定,铝箔纯度不高,杂质含量多等等这些因素均可能造成漏电流超差失效。铝电解电容器中氯离子沾污严重,漏电流导致沾污部位氧化膜分解,造成穿孔,促使电流进一步增大。总之,铝箔中金属杂质的存在,会使铝电解电容器漏电流增大,从而缩短电容器的寿命.在使用上过压等有可能使电容的漏电流增加。

  

5、烧毁
  铝电解电容发生烧毁,一般是以下原因引起:
  ①正负极接反 铝电解电容器是一种有正负极的电容器,如果安装铝电解电容器时正负极接错就会发生电容烧毁现象;
  ②耐压不够 当电压超过铝电解电容器的本身的耐压值时,也会发生电容烧毁的现象;
  ③质量不合格 一些生产厂家生产的铝电解电容不合格,也可能引发电容的烧毁等。


  6、开路
  铝电解电容器在高温或潮热环境中长期工作时可能出现开路失效,其原因在于阳极引出箔片遭受电化学腐蚀而断裂。对于高压大容量电容器,这种失效模式较多。

  此外,阳极引出箔片和阳极箔铆接后,未经充分平,则接触不良会使电容器出现间歇开路。在使用上,过机械应力有可能使电容开路。


四、选型要点

1、额定电压

铝电解电容本体上标有的容量和耐压,这两个参数是很重要,是选用电容最基本的内容。

在实际电容选型中,对电流变化节奏快的地方要用容量较大的电容,但并非容量越大越好,首先,容量增大,成本和体积可能会上升,另外,电容越大充电电流就越大,充电时间也会越长。这些都是实际应用选型中要考虑的。

额定工作电压:在规定的工作温度范围内,电容长期可靠地工作,它能承受的最大直流电压。在交流电路中,要注意所加的交流电压最大值不能超过电容的直流工作电压值。常用的固定电容工作电压有6.3V、10V、16V、25V、50V、63V、100V、200V、250V、400V、450V、475V、500V、600V、630V。电容在电路中实际要承受的电压不能超过它的耐压值。

在滤波电路中,电容的耐压值不要小于交流有效值的1.42倍。另外还要注意的一个问题是工作电压裕量,一般来说要在15%以上。

让电容器的额定电压具有较多的余裕,能降低内阻、降低漏电流、降低损失角、增加寿命。虽然说, 48V的工作电压使用50V的铝电解电容短时间不会出现问题,但使用久了,寿命就有可能降低。

2、介质损耗

电容器在电场作用下消耗的能量,通常用损耗功率和电容器的无功功率之比,即损耗角的正切值表示(在电容器的等效电路中,串联等效电阻ESR 同容抗 1/ωC 之比称之为 Tan δ,这里的 ESR 是在 120Hz 下计算获得的值。显然,Tan δ随着测量频率的增加而变大,随测量温度的下降而增大)。损耗角越大,电容器的损耗越大,损耗角大的电容不适于高频情况下工作。散逸因数dissipationfactor(DF)存在于所有电容器中,有时DF值会以损失角tanδ表示。此参数愈低愈好。但铝电解电容此参数比较高。

DF值是高还是低,就同一品牌、同一系列的电容器来说,与温度、容量、电压、频率……都有关系;当容量相同时,耐压愈高的DF值就愈低。此外温度愈高DF值愈高,频率愈高DF值也会愈高。

3、外型尺寸

外型尺寸与重量及接脚型态相关。single ended是径向引线式,screw是锁螺丝式,另外还有贴片铝电解电容等。至於重量,同容量同耐压,但品牌不同的两个电容做比较,重量一定不同;而外型尺寸更与外壳规划有关。一般来说,直径相同、容量相同的电容,高度低的可以代用高度大的电容,但是长度高的替代低的电容时就要考虑机构干涉问题。


好了,今天关于铝电解电容的讨论就到此。

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