军用电解电容器的应用可靠性选择
发布时间：2010-9-26 14:19
发布者：eetech
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电容器一般由两个接近并相互绝缘的导体构成，是军用电子整机不可缺少的基础元件。在军用电子产品中，电解电容器占有相当大的比重，其可靠性在整机中起着至关重要的作用。 根据国内有关部门的统计，在整机故障原因中，由电容器选择和应用方面的原因造成的故障约占电容器总失效率的55～85％；电容器自身质量造成的失效约占15～45％。从以上数据可以看出，电容器失效的主要原因与选择和使用不当有关。因此，做好电解电容器的选择和应用，对保证军工产品质量和可靠性具有重要的意义。 1 电解电容器的选择 在军用电子产品中，为了保证整机系统的可靠性，选用电解电容器时，应遵从以下原则： (1)尽量选用列入军用电子元器件合格清单(QPL)的元器件； (2)尽量选用优选元器件清单的产品(PPL)； (3)正确选择元器件的质量等级； (4)尽量选用标准和通用元器件，慎重选用新品种和非标准元器件； (5)在提供元器件清单时，必须清楚元器件标志的含义，避勉采购回来的元器件不符合整机系统的可靠性要求。 设计人员在选择电容器时，要对电解电容器的主要技术性能进行了解，对它的电容量、工作电压、漏电流、损耗角正切值、温度特性、阻抗频率特性、反向耐电压、储存性能以及价格等方面进行比较。同时要注意电容器所使用的材质，最常用的材质是Z5U，这种材质性能稳定，介电系数高，电容器容量大，自谐振频率可达到1～20MHz；最高可用到50 MHz。另一种常用的材质是NPO，这种材质具有很好的高频特性，但介电常数低、容量小，一般不在10 MHz以下使用。 电解电容器分铝电解电容器和钽电解电容器两大类。钽电解电容器又分固体钽电解电容器和液体钽电容器。三种电容器各有特点，选择时应有所区别。 铝电解电容器的优点是铝材在我国分布广、价格低、产量大、重量轻、有自愈特性。其缺点是介质损耗大、绝缘性能差(漏电流大)、容量偏差大，并有搁置效应。再加之一般是用铝作外壳的非气密封元件，故可靠性较差。适应环境温度范围窄，尤其是负温特性差，一般为-20℃(个别种品可达-40℃，国军标CDK系列为-55℃)。适用于对环境条件要求不高的一般民用电子产品及对可靠性要求不高的部分地面军用电子整机。 钽电解电容器与铝电解电容器相比，其优点是环境温度范围宽，一般为-55℃～+125℃；钽氧化膜的绝缘电阻是铝氧化膜的2倍，故漏电流小；在半导体器件工作电压范围内(指150 V以下)，相同容量的钽电容器比铝电解电容器体积小2倍，并具有损耗小、性能稳定、寿命长、可靠性高等优势。钽解电容器适用于军用电子设备，其缺点是价格高，受到成本的限制，所以用量极少。由于CA42钽解电容器采用了环氧树脂包封，因而大大降低了固体钽电容器的价格，所以，部分民用整机也已批量采用。由于CA42环氧树脂固体钽电容器是非密封元件，不适宜使用环境条件恶劣的军用整机，故在军用产品上应采用全密封钽的解电容器。 电解电容器介质损耗大，容量误差大、绝缘性能差，只适合用在各种50～100 Hz电子设备工频电源中的滤波以及低频电路中的旁路、耦合电容、或对容量误差要求不高的低频电路中。 液体钽电容器漏电流较小，单位体积电容量与工作电压的乘积特别大，尤其适合在中高压条件下的大容量电路中。但是，这种电容器有酸性液体，如果一旦发生漏液，可能使印制板连线短路，从而引起整机发生严重故障，所以，军用电子设备禁止使用液钽电容器。 然而，随着科技的发展，有些单位已经基本上解决了液钽电容器的密封问题，液钽电容器已达到国军标要求，其可靠性也已达到了六级水平。目前，在航天产品中已开始采用，其它军工产品可以参考。但是，液体钽电容器在上机前一定要进行密封检漏筛选，并在设计时采用较大的降额。以保证其可靠性。 2 电解电容器的可靠性应用 2.1 适当降低工作电压 降低电解电容器的工作电压是延长电容器使用寿命，提高可靠性的最有效方法。因为电解电容器的失效率与外加电压和电容器额定电压之比的二次方成正比。电解电容器用于电源滤波电路的场合最多，输入电压发生变化或负载突然开路，滤波电容器两端的电压都会随之发生变化，如果不进行降额设计，很可能使电容器击穿。此外，从输入端进来的交流电压并非是正弦波电压，一般非正弦波的峰值电压要比正弦波电压高，可对电容器的寿命和可靠性造成较大影响，所以，在设计时，使用时要对电解电容器的工作电压进行较大幅度的降额。 对电解电容器电压的降额幅度要根据整机的可靠性要求及电容器使用的具体电路而定。一般可分三级，一级为额定电压的50％；二级为60％；三级为70％。高压大容量的电容器应选择较大的降额幅度。电容器的容量越大，氧化膜的面积越大，出现介质缺陷的机率也越大，可靠性越低。 2.2 充分考虑纹波电压 一般电解电容器都有正负极之分。当用于既有直流电压又有交流电压分量的脉动电路中时，其工作特性应特别注意。电解电容在使用时，一定要符合电解电容器两端规定的电压极性要求。当用于级间耦合或脉冲电路时，在电容器上施加的直流电压还要叠加交流电压成分的幅值，在某些情况下有可能使交流分量的负峰值电压超过正直流电压值，从而使极性电容器处在反向工作状态，这样会使电容器的漏电流剧增，进而破坏正向工作特性而造成失效。因此，当电容器两端存在脉动交流成分时，交流峰值电压与所加直流电压之和不应超过电容器的额定工作电压。其原因是交流成分引起电容器的温升发热比直流成分严重的多，所以要严格控制纹波的大小，一般不应超过电容器额定工作电压的百分之二十。即可对于钽电解电容器，也应控制在百分之十以内。由于纹波电压可使电解液极化，且对损耗电阻RS影响很大，所以要对加到电容器上的纹波峰值电压进行有效的控制。一般技术条件规定允许的交流分量是指工频50 Hz条件下的允许值，如果使用频率超过上述条件，可按下面公式进行计算：  式中，Ssh为电容器外壳表面积(单位cm2)，t为一定环境温度下允许的温升(℃)，f伪纹波电压的正弦频率(Hz)，C为电容量(μF)，tgδ为实际使用频率下的损耗角正切值。 要保证电容器可靠的工作，加到电容器上的纹波电压应小于上式计算出来的纹波峰值电压。由于一般有极性电容器不能承受反向电压，所以。有极性电容器在有极性变换或纯交流电路中是不容许的，而应选用无极性钽解电容器(如CA74全密封固体钽电容器)。无极钽电容器实际上是用两只有极性的钽电容器背靠背串联起来的，即使电容器在交流电路中始终有一支钽电容处在正极性状态。 2.3 电解电容器的工作频率 电解电容器最适宜在工频条件下做电源的滤波或在低频电路中做旁路或级间耦合。而且电路阻抗愈低愈可靠。电解电容器工作时，相当于一个电解槽，其中一个电极是电解液。由于电解液的电阻比一般金属电极高得多，因此，电解电容器的串联等效电阻较大。在直流或低频率条件下，等效串联电阻RS和等效电感L与实际电容器的介质绝缘电阻尺RP相比可以忽略不计。而随着频率的升高，等效串联电阻RS和等效电感L都会随着增大。等效串联电阻RS增大是由于"集肤效应"引起的。等效电感L是与频率成正比的磁场引起的。一般情况下，频率增加时，容抗XC的值减小，而感抗XL则增加，这表明(XC-XL)2将随频率的增加而减小，当频率增加到某个频率点(XC-XL)2=0时，阻抗Z=RS。此时电容器将出现谐振。这是电容器对电路呈现纯电阻时的谐振点。当频率高于电容器谐振点时，电容器实际上已变成一个电感而起不到电容器的作用了，所以要求一般电解电容器的使用频率不应超过20 kHz。由于大多数材料的介电常数在频率的影响下，其容量随频率的提高会大幅度下降。故当使用频率超过20 kHz时，其所允许的交流分量已很小，电容器的容量损失非常严重，此时一般可选择一只高频瓷介或云母电容器与之并联来作为高频通路，电解电容器由于容量大，可作为低频通路，其容量应大于高频电容器容量的100倍以上。由于电容器的大多数特性都在某种程度上受到频率的影响，所以要求使用频率应在谐振频率的1／2以上。使用频率过高不仅会损耗电路中的大量能量。而且可造成电容器内芯发热，从而影响电容器的可靠性。一般电解电容器应工作在10 kHz以下。如果使用频率超过10 kHz，有效容量将迅速下降，直到电容阻抗变成纯电阻。一般在100 Hz～100kHz范围内，其容量随频率的变化，固体钽电容器的频率特性优于液体钽电容器，而液体钽电容器则在1 kHz～3 kHz范围内，其容量随频率变化的下降幅度为6％，当频率增加10 kHz以上时，下降幅度将高达65％左右。这主要是由介质材料性质所决定的。如果电解电容器不能满足使用要求，可以采用四线电解电容器或其它介质的电容器。 2.4 适当降低使用环境温度 在相同电压情况下，电解电容器的漏电流及损耗随温度的升高而变大，当温度从室温25℃上升到85℃时，漏电流通常将增大3倍。电容器的漏电流及损耗是造成电容器发热的主要原因，所以降低电容器的使用环境温度，是延长电容器使用寿命，提高可靠性的有利措施，一般可按此温度降额要求进行设计。铝电解电容器应降低额定温度20～40℃；固体钽电容器可降低额定温度15～25℃；液体钽电容器应降低额定温度15～30℃。铝电解电容器由于在负温下的损耗会急剧上升，所以一般额定温度为-20℃。 2.5 防止瞬间的大电流冲击和电路阻抗 在使用中，随着环境温度的增加，电容器漏流也在增大，当有大浪涌电流通过时，漏电流可能发生"雪崩"现象而使电容器损坏。为了防止这种现象发生，应增加电路的阻抗，使回路的阻抗不小于3 Ω／V。否则可靠性就会相应降低。 2.6 电容器安装和焊接的可靠性 如果电容器是近期出厂的产品，而且可焊性已达到要求，一般不需要浸锡预处理。而如果储存时间较长则在使用前需进行浸锡处理，浸锡处理应控制在技术规范规定的封口3.2 mm以外，并避免时间过长或温度过高，造成封口熔化或引线与电极脱焊。对于片式电容器，还应避免使用活性高、酸性强的助焊剂，以免清洗不干净、渗透、腐蚀和扩散而影响产品可靠性。同时应控制片式电容器的焊接温度和时间， (一般为260℃／10秒)。电容器安装时，应远离发热元件。对于尺寸较大的电容器，不能用电容器引脚来安装，为防止在振动或冲击中下引线断裂或密封损坏，必要时还应设计夹持装置来固定。安装时，还应尽量使电容器有标志的面露出来，以便观察。 3 结束语 电解电容器是构成军用整机系统的最基础元件之一，是不可取代的电子元件。选择电解电容器必须按电子元器件的选择原则进行，要从整机所使用的环境条件、电性能要求、体积重量、可靠性要求及成本综合权衡。只有做到正确合理的选择和应用电解电容器，才能保证军用电子产品的质量和可靠性。 |
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