铝电解电容器的特性及计算公式
铝电解电容器寿命的计算方法

铝电解电容器寿命的计算方法作者:iC921栏目:模拟技术铝电解电容器寿命的计算方法铝电解电容器寿命的计算方法偶然碰到这篇小文章,考虑到最近不时有人提问有关此类问题,也觉得有一定的意义,故而整理一下,帖出来供大家参考。
只是个别地方译不出来,有点遗憾。
这次赶巧了,今天还知道有位小老乡赶上今天生日,说好了算作今天偶给她的小礼物,愿她能及早看到。
September 5,2001RUBYCON CORPORATIONENGINEERING DIVISIONTO: ACBEL POLYTECH INC.LIFETIME CALCULATION FORMULA OF ALUMINUM ELECTROLYTIC CAPACITORS铝电解电容的寿命的计算公式1. Lifetime Calculation Formula 寿命计算公式L : Life expectancy at the time of actualuse.实际使用平均寿命Lb : Basic life at maximum operating 最大工作温度下的基本寿命ΔTj : Internal temperature rise when actual ripple current is applied. 加入实际波纹电流后,电容内部的温升忽略纹波电流时的寿命推算一般而言,铝电解电容器的寿命与周围的环境温度有很大的关系,其寿命可以由以下公式计算。
其中,L:温度T时的寿命L0:温度T0时的寿命与温度比较,降压使用对电容器的寿命影响很小,可忽略不计。
考虑纹波电流时寿命的推算叠加纹波电流,由于内部等效串连电阻(ESR)引起发热,从而影响电容器的使用寿命,产生的热量可由下式计算I:纹波电流(Arms)R:等效串联电阻(Ω)由于发热引起的温升其中,△T: 电容器中心的温升(℃)I: 纹波电流 (Arms)R: ESR (Ω)A: 电容器的表面积(cm2)H: 散热系数( 1.5~2.0x10-3W/cm2x℃)上面公式(3)显示电容器的温度上升与纹波电流的平方以及等效串联电阻ESR成正比,与电容器的表面积成反比,因此,纹波电流的大小决定着产生热量的大小,且影响其使用寿命,电容器的类型以及使用条件影响着△T值的大小,般情况下,△T<5℃。
铝质电解电容器简介

LCR Meter
7. 信賴性測試
TEAPO
Electrolytic capacitors reliability test procedures and Requirement
A: This is a summary of reliability test procedures and requirements for TEAPO electrolytic capacitors. No Item Standard Conditions of test
3.含浸時間及真空度確認
5.電解電容器製程 素子裝配工程 洗滌工程
1.
封口束腰長度
1. 2. 3.
2.
3. 4.
X-Ray 確認(內部結構)
T-C Short Test 裝備機台維護保養
第一道加溫清洗(1% 中性清 潔劑洗滌) 85℃ / 1 hours to dry 針對PET套管為保證烘乾增 加了時間
2.電 容 器 特 性
TEAPO
Capacitance:靜電容量
電解電容器的靜電容量是依據JIS的規定,在120Hz的 交流紋波電流所測之值,也是表示該電容器能儲存電能的 能力,其計算公式: Q(庫倫)=C(法拉)*V(伏特) 在長時間使用中,有漸增及漸減兩種現象;漸增是氧 化皮膜被電解質溶解而減少厚度之現象;漸減則是電解質 中的水份蒸發後,電解質的粘度及電阻增加而發生的一種 現象:靜電容量在溫度低時,電容量會減少,高時會增加, 而在頻率高的時候,容值是呈減少現象。
3.電 容 器 材 料 介 紹
b. 負極鋁箔:即有極性電解電容器用的負極鋁箔,原箔經腐 蝕處理後的負極箔均可當作負極用,其負箔的 純度較正箔低且比正極箔薄。
c. 化成處理(Forming):化成的目的是在原箔或腐蝕箔的 利用化學藥品表面,與直流電源 起電解作用使附著一層氧化皮膜。
铝电解电容寿命计算

铝电解电容器寿命计算公式一、考虑实际施加纹波电流的计算方法正常情况下,影响电容器寿命的因素主要有三个,分别为环境温度、纹波电流、实际施加的电压。
电容器实际使用寿命的推算可用下面的公式表示:L X=L0〃K T〃K V〃K R其中L X:电容器实际使用寿命L0:电容器在额定条件下的寿命K T:电容器温度系数K V:电容器电压系数K R:电容器纹波电流系数1、K T 铝电解电容器的使用遵循10℃原则,即使用温度每降低10℃,寿命延长一倍。
K T的计算如下:K T=2(T0-T)/10其中T0:额定温度T:电容器实际工作温度2、K V 对于表面安装、引线、轴向式的铝电解电容器来说,降压使用不会对电容器的使用寿命造成影响。
因此,对于这些产品来说,K V=1。
但对于特大型产品,电容器在使用过程中,电压的大小影响其寿命,一般有如下关系:K V=(U1/U2)n其中U1:额定工作电压U2:实际工作电压n:系数,当1≤U1/U2≤1.25 n=51.25≤U1/U2≤2 n=3U1/U2>2 n=13、K R 实际的工作情况下,电容器纹波电流的系数由下式确定:K R=2A〃ΔT0/10其中A=﹛1-﹝I/I0﹞2﹜I:额定纹波电流(同频率)I0:实际纹波电流(同频率)ΔT0:额定温度下,铝电解电容器中心允许温升二、利用电容器温升的计算方法我们也可以通过测试电容器在实际使用过程中的温度升高来推算电容器的使用寿命,具体的计算方法如下:L x=L0〃2(T1-T2)/10 〃(U1/U2)2.5其中L0:电容器在额定条件下的寿命L2:电容器实际使用寿命T1:电容器中心允许承受的最高温度T2:电容器工作时的中心实际温度U1:电容器的额定电压U2:电容器的实际工作电压注: 电容器允许承受的最高温度一般是在额定温度上加5度或10度。
对于85度电解, 允许承受的最高温度是95度;对于105度电解, 允许承受的最高温度是110度。
常用电容器主要参数与特点

常用电容器主要参数与特点1、标称电容量和允许偏差标称电容量是标志在电容器上的电容量。
电解电容器的容值,取决于在交流电压下工作时所呈现的阻抗。
因此容值,也就是交流电容值,随着工作频率、电压以及测量方法的变化而变化。
在标准JISC 5102 规定:铝电解电容的电容量的测量条件是在频率为 120Hz,最大交流电压为(Voltage Root Mean Square,通常指交流电压的有效值),DC bias (直流偏压直流偏置直流偏移直流偏磁)电压为~的条件下进行。
可以断言,铝电解电容器的容量随频率的增加而减小。
电容器中存储的能量E = CV^2/2电容器的线性充电量I = C (dV/dt)电容的总阻抗(欧姆)Z = √ [ RS^2 + (XC – XL)^2 ]容性电抗(欧姆)XC = 1/(2πfC)电容器实际电容量与标称电容量的偏差称误差,在允许的偏差范围称精度。
精度等级与允许误差对应关系:00(01)-±1%、0(02)-±2%、Ⅰ-±5%、Ⅱ-±10%、Ⅲ-±20%、Ⅳ-(+20%-10%)、Ⅴ-(+50%-20%)、Ⅵ-(+50%-30%)一般电容器常用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级,电解电容器用Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级,根据用途选取。
2、额定电压在最低环境温度和额定环境温度下可连续加在电容器的最高直流电压有效值,一般直接标注在电容器外壳上,如果工作电压超过电容器的耐压,电容器击穿,造成不可修复的永久损坏。
3、绝缘电阻直流电压加在电容上,并产生漏电电流,两者之比称为绝缘电阻。
当电容较小时,主要取决于电容的表面状态,容量〉时,主要取决于介质的性能,绝缘电阻越大越好。
电容的时间常数:为恰当的评价大容量电容的绝缘情况而引入了时间常数,他等于电容的绝缘电阻与容量的乘积。
4、损耗电容在电场作用下,在单位时间内因发热所消耗的能量叫做损耗。
各类电容都规定了其在某频率范围内的损耗允许值,电容的损耗主要由介质损耗,电导损耗和电容所有金属部分的电阻所引起的。
电解电容寿命计算公式 说明(1)

代号
I0 IX
4、关于其他的寿命原因:
代号表示内容说明 最高使用温度下正常周波数的额定纹波电流(Arms)
实际使用中的纹波电流(Arms)
铝电解电容由于电解液通过封口部扩散到外部而导致磨耗故障,加速其现象的要因除上述周围温度与
纹波电流外有以下要因:
●过电压的情况
连续印加定格电压的过电压时,急速增大制品的漏电流量,这种漏电流引起发热产生气体,并导致内压
铝电解电容器的使用寿命计算公式
1、周围温度与寿命
温度对寿命的影响有静电容量的减少,损失角正接的增大,导致电解液通过封口部扩散到外部,电气
特性随时间的变化值与周围温度间成立试验公式,其关系式类似于温度增加,化学反应速度成指数倍 增加之化学反应规律式,称之为温度与铝电解电容寿命10℃法则。
LX=L0×B
W=IR2×R+VIL
代号
代号表示内容说明
W
内部的消费电力
IR
直流电流
R
内部阻抗等效串联电阻 ESR
V
印加电压
IL
漏电流
漏电流 LC最高使用温度增加到20℃的 5-10倍程度,由于 I R远大于IL,可成立如下公式:
W=IR2×R
◆ 内部发热与放热达到平衡温度的条件公式如下:
IR2×R=βA△T
代号
T0 - TX 10
代号
代号表示内容说明
L0
最高温度条件下,印加定格电压或重迭额定纹波电流时的保证寿命(hrs)
LX
实际使用中的寿命(hrs)
T0
制品的最高使用温度(℃)
Tx
实际使用时的周围温度(℃)
B:温度加速系数 温度加速系数 B,如果是最高使用温度以下时,可以用 B≈2来计算,升温 10℃,约 2倍的加速率; 设定较低的使用时的周围温度 T X,能保证长期的寿命。 2、印加电压与寿命 使用在线路板上的 RADIAL型、SNAP-IN型铝电解电容,若在最高使用温度及额定工作电压以下的情况 使用时,印加电压的影响比周围温度及直流电流的影响小,对于铝电解电容来说,实际计算可以不考虑 降压使用对寿命计算之影响。 3、纹波电流重迭时的寿命 铝电解电容比其他类的电容损失角大,会因纹波电流而内部发出热量。由于施加的纹波电压发出的热量 会导致温度上升,对寿命有很大影响,印加电流电压时的发热情况如下公式来计算:
铝电解电容寿命计算方法

2013年11月日本贵弥功株式会社香港嘉美工有限公司UC343011铝电解电容器寿命计算说明资料【目次】1.关于铝电解电容器的经时恶化2.铝电解电容器寿命计算公式3.纹波电流发热取得办法4.周围温度取得办法5.纹波电流计算办法6.寿命计算例7.参考资料(关于补正系数)关于铝电解电容器的经时恶化2阳极箔阴极箔R AL KL A封口橡胶电解液在铝电解电容器的电气特性上起着至关重要的作用。
温度特性的概念静电容量变化率(%)温度E S R (Ω)温度特性图表流动容易高低电解液的状态UPUP流动不容易箔厚100μm箔断面图蚀刻部扩大照片电解纸扩大图像DownDown离子电解纸纤维4寿命(特性恶化)的概念静电容量变化率(%)初期电解液沸腾电解液减少时间加快电解液减少E S R (Ω)电解电容器的断面图耐久性图表UP素子封口橡胶Down6铝电解电容器寿命计算公式9L;复合条件的推定寿命纹波电流发热温度取得办法182225.4 1.35 1.4 1003.1周围温度取得办法24纹波电流计算办法(带Active-PFC电路)26取得示波器读出的电流RMS作为后续公式中的In计算使用,此处的In为混合频率信号,计算纹波电流发热部分时需要将混合频率结果为电源实测数据由该公式可计算出在高频部分的电流值I High,继而可以得到在低频时的电流值I Low =I high x K T(NCC调查结果如上表, K T=0.2~0.3,实际状况下K T会随着拓扑方式的不同而改变) *我们将继续研究PFC电路的纹波电流。
寿命计算例31参考资料关于补正系数34。
铝电解寿命推算方法

许温升
二、 温升测试法
通过测试电容器中心或表面温升来推算产品 寿命。具体公式如下:
LX=L0·2(T1-T2)/10 ·KV
0.6W.V.≤V’≤ W.V. 2:实际使用时中心温度 L0:额定使用寿命 LX:推算使用寿命
则电容器底部温升=(65-50)=15 ℃, 电容器中心温升=15*1.6=24 ℃, 因此就能推算出电容器中心温度=50+24=74 ℃, 用一个公式表示即为: 电容器中心温度=环境温度+表面温升*系数
=50+15*1.6 =50+24 =74 ℃
图二
三、两种方法相互推导
我们设定L0:电容器在额定条件下的寿命 LX:电容器实际使用寿命 T1:电容器中中心允许承受的最高温度
又因为电容器的发热温升与纹波电流有如下 关系:
ΔT=ΔT0(I/I0)2
其中: I:额定纹波电流(同频率) I0:实际 纹波电流(同频率)
代入上式
=L1·2(T0- T)/10 ·2(ΔT0-ΔT0(I/I0)2)/10·KV =L1·2(T0- T)/10 ·2(1-(I/I0)2)ΔT0/10·KV
• LX=L0·KT·KV·KR • 其中LX:电容器推算的使用寿命 • L0:电容器在额定条件下的寿命 • KT:电容器温度系数 • KV:电容器电压系数 • KR:电容器纹波电流系数
• KT 铝电解电容器的使用遵循10℃原则,
即使用温度每降低10℃,寿命延长一倍。 KT的计算如下:
• KT=2(T0-T)/10 • 其中T0:额定温度 • T:电容器实际工作温度
1、中心温升测试法 对电容器施加直流和纹波电压,电容器
处于工作状态,利用热电偶温度计直接插入 电容器芯包卷绕针孔内测中心最高温度。 (见示意图一)
AL电解电容常见问题解答

铝电解电容常见应用问题解答 1.铝电解电容对开关电源的影响?性能上影响的主要是滤波效果,包括低频纹波和高频峰峰值。
另外,假设设备的每一个元器件都合理应用的话,那么设备的寿命便很大程度上由铝电解电容元件决定了(当然风扇的寿命也要重点考虑)。
因为铝电解电容是一种耗损性器件,到了一定的时间就“寿终正寝”了。
例如:新干线的一个编制16节车厢里,使用DC450V,5000uF大型铝电解电容器1760只,为了保障安全,规定三年更换一次。
半导体器件则不同,如果是正确使用,并且在器件制造过程中又没有什么潜在缺陷的话,其使用寿命是相当的长的,在设计时可以不考虑寿命问题。
2.开关电源对铝电解电容的要求?开关电源引入开关工作方式,提高工作频率,可以提高效率,减小体积。
但也带来了新的矛盾。
就电解电容来说,主要反映在:∙要求电容的耐纹波电流能力要提高。
因为频率提高,电容的交流阻抗下降了,流过电容的电流更大了。
∙小体积。
开关电源一个主要特点就是体积小,尽管提高频率后所需变压器和电容的体积自然会减小,但它还是希望电容能够越小越好,因为即使如此,电容仍然在开关电源中占去了不小的空间(尤其是AC/DC中的输入滤波)。
∙高频低阻抗。
在低频下,滤波效果主要由电容值大小决定,在高频下,电解电容中的E SR在整个阻抗中逐步上升到主要地位,因此高频滤波效果主要就由ESR决定了。
(当然更高的频率,例如大于1MHZ,则主要由ESL决定了阻抗大小,不过目前我们的产品中尚未出现此情况。
)。
鉴于此,开关电源要求电容的ESR值要做得很小。
另外,从电解电容本身来说,减小ESR也可以减小损耗,减小发热量,提高电容的耐纹波电流能力。
∙可靠性要高。
正常工作起来不爆炸或失效的概率极低是理所当然的要求。
另外尽管属有效寿命器件,当然也希望它寿命越长越好。
∙安全性问题。
越来越成为关注的焦点,及异常情况下爆炸时也不要起火燃烧。
尽管众多厂家努力开发阻燃的电解电容,但因为导电电解液属于有机物质,目前并没有取得理想的效果。
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Fig. 3.7 Fig. 3.4 3.5 Temperature Characteristic electrolytic 3.6 Frequency Characteristic
Characteristics of aluminum capacitor are temperature dependant.
The work W (Joule) made by the charge Q is expressed as follows:
1 W = ×V × Q 2 1 = × C ×V 2 2
3.2
Charging Current Absorption Current Leakage Current
----- 3.3
Fig. 3.3 Total current passing through capacitor reduces rapidly in the beginning with the change of Charging Current Ic determined by the capacitance C and ESR, the change of current being gradually moderate to converge into Leakage Current Il after the effect of Absorption Current Ia runs out. Leakage current of capacitor is essentially the final current, but practically the current 1 or 5 minutes after applying DC voltage to capacitor is deemed as “leakage current”, because it takes too much time to measure the true leakage current. It is said that generation of Absorption
Characteristics of aluminum electrolytic capacitor are also frequency dependant. Capacitance and ESR reduce as measuring frequency increases. The change of impedance is described in 3.4. However the rate of the change is not constant, the presumed reasons are as follows: 1) Condition of etched surface of aluminum foil 2) Property of aluminum oxide film as dielectric 3) Property of electrolyte 4) Construction of capacitor Frequency-response curves of capacitance and ESR are shown in Figs. 3.8 and 3.9 respectively. (50V 10µF, φ5x11L)
expressed with capacitive reactance “
Xc =
1 2πfC
”,
but the impedance of a practical capacitor is different and expressed as shown in the formula 3.7, considering the effects of ESR and inductive reactance “XL = 2πfL” according to the equivalent circuit shown in Fig. 3.2.
Tangent of Loss Angle (tan δ) and ESR
When a sinusoidal alternating voltage is applied to an ideal capacitor, the current advances by π/2 in phase. In the case of a practical capacitor, however, advance in phase is (π/2 - δ), which is smaller than π/2. “δ” is referred to as Loss Angle. (Refer to Fig. 3.1.) One of the reasons why loss angle arises is electric resistance of materials used in electrolytic capacitor, including the intrinsic resistance of foil, resistance of electrolyte and resistance of terminals. Another reason is time required for lining up dipoles of dielectric, which is also the time necessary to bring polarization into equilibrium. Equivalent circuit of aluminum electrolytic capacitor is schematically shown in Fig. 3.2.
“R” in above formula is referred to as Equivalent Series Resistance (ESR). 3.3 Leakage Current
When a DC voltage is applied to a capacitor with the capacitance of C through a series resistance (ESR), current I, passing through the capacitor, changes with time as shown in Fig. 3.3, which is expressed by the formula 3.5. I = Ic + I a + I l Ic: Ia : Il: -----3.5
Capacitance of a capacitor is generally expressed with the following formula: C = 8.855 X 10-8 C: ε: S: d:
εS
d
--------
Fig. 3.2 3.1 C: Ideal capacitance (F) R: Equivalent series resistance (Ω) L: Equivalent series Inductance (H)
2 1 2 Z = R + 2πfL − 2πfC
-----3.7
Fig. 3.6
Fig. 3.4 is the schematic illustration of Z, where Xc is predominant in low frequency range, ESR around the resonance point, and XL in high frequency range.
RUBYCON CORPORATION
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TECHNICAL NOTES FOR ELECTROLYTIC CAPACITOR
Current is related to the change in polarization of dielectric with the passage of time and response time of space charge polarization would affect it. It is also said Voltage Recurrence Phenomena, such that voltage arises between terminals of capacitor even after discharge, is related with the delay in response time of above space charge polarization. 3.4 Impedance Impedance of capacitor is typically Fig. 3.5
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TECHNICAL NOTES FOR ELECTROLYTIC CAPACITOR
3. PERFORMANCE OF ALUMINUM ELECTROLYTIC CAPACITOR
Aluminum electrolytic capacitor has the features that it is small in size but has high capacitance. General performances of aluminum electrolytic capacitor are described hereunder. 3.1 Capacitance and Energy Storage Fig. 3.1
Due to the property of electrolyte used for electrolytic capacitor, capacitance can remarkably reduce and ESR and the tangent of loss angle can increase in low temperature range. The reason is the increase in viscosity and resistance of electrolyte induced from reducing ionic mobility. Capacitance change over operating temperature range is shown in Fig. 3.5, the tangent of loss angle (tan δ) in Fig. 3.6 and leakage current in Fig. 3.7.