影响电解电容寿命的因素
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固态电解电容寿命计算公式固态电解电容的寿命计算可不是个简单的事儿,不过别担心,咱们一起来好好捋捋。
先来说说为啥要关心固态电解电容的寿命。
就拿我之前遇到的一件事来说吧,我给家里组装了一台电脑,用了没多久,电脑就频繁死机、重启。
我一开始还以为是系统出了问题,各种重装系统、更新驱动,可都没啥用。
后来找了个懂行的朋友一看,原来是主板上的固态电解电容出了毛病,寿命到了,性能不稳定。
这可把我给郁闷坏了,花了不少时间和精力去折腾。
从那以后,我就特别在意这固态电解电容的寿命问题。
要计算固态电解电容的寿命,得先搞清楚几个关键的因素。
其中最重要的就是工作温度和纹波电流。
工作温度越高,电容内部的化学变化就越剧烈,寿命也就越短;纹波电流越大,电容承受的压力也就越大,同样会缩短寿命。
一般来说,我们可以使用下面这个公式来大致计算固态电解电容的寿命:L = L0 × 2^[(T0 - T)/10] × I0^(-0.4) 。
这里的 L 就是估算的电容寿命,L0 是电容在额定温度和额定纹波电流下的标称寿命,T0 是电容的额定工作温度,T 是实际工作温度,I0 是电容的额定纹波电流。
比如说,有一个固态电解电容,它的标称寿命 L0 是 5000 小时,额定工作温度 T0 是 85℃,额定纹波电流 I0 是 1 安培。
如果它实际工作温度是 65℃,实际纹波电流是 0.8 安培,那我们来算算它的寿命。
首先,(T0 - T)/10 = (85 - 65)/10 = 2。
然后 2^[(T0 - T)/10] = 2^2 = 4 。
接着,I0^(-0.4) = 1^(-0.4) = 1 。
所以,寿命 L = 5000 × 4 × 1 = 20000 小时。
但要注意,这只是个大致的估算,实际情况可能会更复杂。
因为电容的使用环境、工作电压、制造工艺等都会对寿命产生影响。
再比如说,在一些高温高湿的环境中,电容可能会更容易受到腐蚀,从而缩短寿命。
开关电源中电解电容寿命预测分析摘要:本文首先阐述了铝电解电容的失效机理探究,接着分析了电容寿命影响因素,最后对电容寿命预测进行了探讨。
关键词:开关电源;电容;失效引言:在开关电源产品中,电解电容是不可或缺的关键储能与电能变换元件。
然而,在高纹波电流、高温的功率变换应用场合中,相对于其他电子元器件,电解电容的寿命是最短的。
因此,电解电容是制约电源产品使用寿命的关键元件。
1铝电解电容的失效机理探究1.1漏液铝电解电容的工作电解液呈酸性,漏出之后会严重污染和腐蚀周围元器件和印刷电路板。
同时,由于漏液而使工作电解质逐渐干涸,丧失了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。
1.2爆炸当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Cl-、SO42-之类有害离子时漏电流较大,电解作用产生气体的速率较快,且工作时间越长,漏电流越大,温度愈高,内气压愈高。
若电容密封不佳可造成漏液,密封良好时则引起爆炸。
1.3开路在高温或潮湿环境中长期工作时可能出现开路失效,其原因是阳极引出箔片遭受电化学腐蚀而断裂。
此外,阳极引出箔片和阳极铆接后如果未经充分压平,则由于接触不良会出现间歇开路现象。
另外,阳极引出箔片和焊片的铆接部分由于氧化也可引起开路。
1.4击穿这是阳极氧化膜破裂,导致电解液直接与阳极接触而造成。
氧化膜可能因材料、工艺或环境条件等方面的各种原因而受到局部损伤,若在损伤部分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,从而造成击穿。
1.5电容量下降与损耗增大在使用后期,由于电解液损耗较多,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,导致电容器损耗增大。
同时黏度增大的电解液难以充分接触经腐蚀处理的凹凸不平铝箔表面上的氧化膜,使极板有限面积减小,引起容量急剧下降,导致寿命近于结束。
此外,工作电解液在低温下由于黏度增大,也会造成损耗增大与电容量下降。
电解电容失效原因
电解电容失效的原因主要有以下几点:
1. 电压过高:电解电容器的极板之间存在电解质,当电压超出规定范围时,电解质会发生电化学反应,导致电容器失效。
2. 温度过高:电解电容器的电解质受热后,会发生蒸发、漏泄等情况,导致电容器性能下降甚至失效。
3. 极板腐蚀:由于电解质的化学性质,电解电容器的极板在长期使用中容易发生腐蚀,从而导致电容器失效。
4. 电解质老化:长时间使用后,电解质会随着化学反应的进行逐渐老化,导致电容器容量下降,性能变差。
5. 漏电流过大:电解电容器在正常工作条件下,会有少量的漏电流,但当漏电流过大时,说明电容器内部绝缘损坏,容易导致失效。
6. 电容器封接不良:电解电容器的端子封接不良,会导致电容器内部电解液泄漏,造成电容器无法正常工作。
总之,电解电容失效主要是由于电压过高、温度过高、极板腐蚀、电解质老化、漏电流过大和封接不良等原因引起的。
电解电容寿命电解电容是一种重要的元器件,被广泛应用在电子电路中,它具有电容量大、电容小、体积小、响应时间短、阻抗小、稳定性好等特点,因此它在电子电路中应用得非常广泛。
电解电容的寿命是指其在某种环境条件下正常运行所允许的最大时间。
其寿命受多种因素影响,且有其极限,它无论怎样维护都会终究老化,将无法使用。
电解电容的寿命受不同的因素影响,其中最重要的影响因素主要有温度、电流、容压、和电极结构等4种。
首先,温度对电解电容的寿命直接影响,温度越高,电解电容发生迁移极化,电容量变化越快,所以电容寿命越短。
一般而言,电解电容的有效使用温度范围从-25℃到+85℃,当温度超过这个范围时,电容的寿命将会大大降低。
其次,电流对电解电容的寿命也有很大的影响,电流越大,电解电容发生热效应,电容会发生温度损耗,也就是电解质会溶解,因此电容也会老化,其性能会变化,寿命也随之减短。
因此,电解电容的有效工作电流不能超过其额定值。
第三,容压也是一个影响电解电容寿命的主要因素,它指电解电容在工作时所承受的电压,而且这个电压值要低于电容的额定值。
如果容压超过电容的额定值,则电解电容的电容量将会逐渐减小,甚至丧失电容量,最终无法使用,因此要使用的时候注意不要超过额定值。
最后,电解电容的电极结构也会影响其寿命,电极结构越复杂,电解电容的电容量和寿命也会相对较低。
因此,这种类型的电容要慎重选购,以防在使用中发生故障。
以上就是电解电容的寿命所受影响的因素,要想提高其寿命,就要注意控制这几方面的因素。
此外,每台电解电容的寿命在生产出来之后后都会有所不同,为了使各台电容的寿命尽可能接近,在生产过程中也需要提高其品质,这样就能使整批电容的质量更高,其寿命也会更长。
总之,电解电容的寿命是有限的,它受多种因素影响,要想使其寿命更长,必须要提高其品质,使之能够在器件中得到更好的应用,从而使得整个电路能够正常工作,确保其功能的可靠性。
电容的额定寿命一、电容的定义与作用电容是电子元件中的一种,它的主要作用是储存电能。
在生活中,电容的应用无处不在,如电子产品、家电、汽车等。
电容器在电路中起到滤波、耦合、能量储存等作用,对电路的稳定运行至关重要。
二、电容的额定寿命概念解析电容的额定寿命指的是电容器在正常工作条件下,可以正常运行的时间周期。
不同的电容器产品,其额定寿命会有所不同。
电容的寿命受多种因素影响,如电容材料、电压、温度等。
在实际应用中,电容的寿命一般远远低于其额定寿命。
三、影响电容寿命的因素1.电容材料:不同材料的电容,其寿命差异较大。
例如,陶瓷电容的寿命相对较短,而钽电容和铝电解电容的寿命较长。
2.电压:电容器在超过额定电压的情况下工作,会加速其寿命的损耗。
3.温度:电容器在高温环境下工作,会导致内部化学反应加速,从而缩短寿命。
4.充放电次数:电容器在充放电过程中,内部的化学物质会不断损耗,导致寿命降低。
四、如何延长电容的寿命1.合理选型:根据电路需求,选择合适容量、电压、材质的电容,以确保电容在正常工作范围内运行。
2.避免高温环境:尽量降低电容器工作环境的温度,可以有效延长其寿命。
3.稳定电压:保证电容器工作电压稳定,避免长时间在超过额定电压的条件下运行。
4.控制充放电次数:尽量减少电容器的充放电次数,可以降低其寿命损耗。
五、结论与建议电容的寿命是衡量其性能和使用价值的重要指标。
了解电容的寿命及其影响因素,有助于我们更好地选择和使用电容器。
在实际应用中,要根据电路需求合理选型,避免长时间在超过额定电压和高温环境下工作,控制充放电次数,从而延长电容的寿命,确保电路的稳定运行。
1 引言电解电容广泛应用在电力电子的不同领域,主要是用于平滑、储存能量或者交流电压整流后的滤波,另外还用于非精密的时序延时等。
在开关电源的MTBF预计时,模型分析结果表明电解电容器是影响开关电源寿命的主要因素,因此了解、影响电容寿命的因素非常重要。
铝电解电容的寿命取决于其内部温度。
因此,电解电容的设计和应用条件都会影响到电解电容的寿命。
从设计角度,电解电容的设计方法、材料、机械加工工艺决定了电容的寿命和稳定性。
而对应用者来讲,使用电压、纹波电流、开关频率、安装形式、散热方式等都影响电解电容的寿命。
2 电解电容的非正常失效一些因素会引起电解电容失效,如极低的温度,电容温升(焊接温度,环境温度,交流纹波),过高的电压,瞬时电压,甚高频或反偏压;其中温升是对电解电容工作寿命Lop影响最大的因素。
电容的导电能力由电解液的电离能力和粘度决定。
当温度降低时,电解液粘度增加,因而离子移动性和导电能力降低。
当电解液冷冻时,离子移动能力非常低以致非常高的电阻。
相反,过高的热量将加速电解液蒸发,当电解液的量减少到一定极限时,电容寿命也就终止了。
在高寒地区(一般-25℃以下)工作时,就需要进行加热,保证电解电容的正常工作温度。
如室外型UPS,在我国东北地区都配有加热板。
电容器在过压状态下容易被击穿,而实际应用中的浪涌电压和瞬时高电压是经常出现的。
尤其我国幅员辽阔,各地电网复杂,因此,交流电网很复杂,经常会出现超出正常电压的30,尤其是单相输入,相偏会加重交流输入的正常范围。
经测试表明,常用的450V/470uF 105℃的进口普通2000小时电解电容,在额定电压的1.34倍电压下,2小时后电容会出现漏液冒气,顶部冲开。
根据统计和分析,与电网接近的通信开关电源PFC输出电解电容的失效,主要是由于电网浪涌和高压损坏。
电解电容的电压选择一般进行二级降额,降到额定值的80%使用较为合理。
3 寿命影响因素分析除了非正常的失效,电解电容的寿命与温度有指数级的关系。
影响电解电容寿命的因素和延长电解电容寿命的方法影响电解电容寿命的因素电解电容广泛应用在电力电子的不同领域,主要是用于平滑、储存能量或者交流电压整流后的滤波,另外还用于非精密的时序延时等。
在开关电源的MTBF预计时,模型分析结果表明电解电容是影响开关电源寿命的主要因素,因此了解、影响电容寿命的因素非常重要。
1.电解电容的寿命取决于其内部温度。
因此,电解电容的设计和应用条件都会影响到电解电容的寿命。
从设计角度,电解电容的设计方法、材料、加工工艺决定了电容的寿命和稳定性。
而对应用者来讲,使用电压、纹波电流、开关频率、安装形式、散热方式等都影响电解电容的寿命。
2.电解电容的非正常失效一些因素会引起电解电容失效,如极低的温度,电容温升(焊接温度,环境温度,交流纹波),过高的电压,瞬时电压,甚高频或反偏压;其中温升是对电解电容工作寿命(Lop)影响最大的因素。
电容的导电能力由电解液的电离能力和粘度决定。
当温度降低时,电解液粘度增加,因而离子移动性和导电能力降低。
当电解液冷冻时,离子移动能力非常低以致非常高的电阻。
相反,过高的热量将加速电解液蒸发,当电解液的量减少到一定极限时,电容寿命也就终止了。
在高寒地区(一般-25℃以下)工作时,就需要进行加热,保证电解电容的正常工作温度。
如室外型UPS,在我国东北地区都配有加热板。
电容器在过压状态下容易被击穿,而实际应用中的浪涌电压和瞬时高电压是经常出现的。
尤其我国幅员辽阔,各地电网复杂,因此,交流电网很复杂,经常会出现超出正常电压的30%,尤其是单相输入,相偏会加重交流输入的正常范围。
经测试表明,常用的450V/470uF 105℃的进口普通2000小时电解电容,在额定电压的1.34倍电压下,2小时后电容会出现漏液冒气,顶部冲开。
根据统计和分析,与电网接近的通信开关电源PFC输出电解电容的失效,主要是由于电网浪涌和高压损坏。
铝电解电容的电压选择一般进行二级降额,降到额定值的80%使用较为合理。
电解电容使用寿命
影响电解电容寿命的因素有很多种,比如电解液的类型、工作状态、封装规格和使用环境等等,计算电容寿命公式:Lx=L0*KT*KR1*Kv
Lx:电容预期寿命
L0/LR:电容加速寿命,可以查阅电容规格书.
KT:环境温度影响系数(每升高10度,寿命降低一半)
KT等于2的(T0-Tx)/10次方
T0:电容最高工作温度(85或105)
Tx:电容实际工作温度
KR1/KR2:纹波电流影响系数.
KR1与L0对应,等于2的-T/5次方.T:纹波电流所引起的电容内部温升
Kv:工作电压影响系数
康富松电解电容(KFSON)厂家生产的电容器产品系列众多,品种齐全;产品包括:长寿命电解电容器、高频低阻电解电容、UPS 专用电解电容,LED专用电解电容器等,康富松产品被广泛用于LED驱动电源、UPS电源、工业控制设备等各大领域。
如何计算电解电容使用寿命
作为电子产品的重要部件电解电容,在开关电源中起着不可或缺的作用,它的使用寿命和工作状况与开关电源的寿命息息相关。
在大量的生产实践与理论探讨中,当开关电源中电容发生损坏,特别是电解电容冒顶,电解液外溢时,电源厂家怀疑电容质量有问题,而电容厂家说电源设计不当,双方争执不下。
以下就电解电容的使用寿命和使用安全作些分析,给电子工程师提供一些判断依据。
1、阿列纽斯(Arrhenius)
1.1 阿列纽斯方程
阿列纽斯方程是用来描述化学物质反应速率随温度变化关系的经验公式。
电解电容内部是由金属铝等和电解液等化学物质组成的,所以电解电容的寿命与阿列纽斯方程密切相关。
阿列纽斯方程公式:k=Ae-Ea/RT 或lnk=lnA—Ea/RT (作图法)
●K 化学反应速率
●R 为摩尔气体常量
●T 为热力学温度
●Ea 为表观活化能
●A 为频率因子
1.2 阿列纽斯结论
根据阿列纽斯方程可知,温度升高,化学反应速率(寿命消耗)增大,一般来说,环境温度每升高10℃,化学反应速率(K 值) 将增大2-10 倍,即电容工作温度每升高10℃,电容寿命减小一倍,电容工作温度每下降10℃,其寿命增加一倍,所以,环境温度是影响电解电容寿命的重要因素。
2、电解电容使用寿命分析
1)公式:
根据阿列纽斯方程结论可知,电解电容使用寿命计算公式如下:。
影响电解电容寿命的因素
电解电容广泛应用在电力电子的不同领域,主要是用于平滑、储存能量或者交流电压整流后的滤波,另外还用于非精密的时序延时等。
在开关电源的MTBF预计时,模型分析结果表明电解电容是影响开关电源寿命的主要因素,因此了解、影响电容寿命的因素非常重要。
电解电容的寿命取决于其内部温度。
因此,电解电容的设计和应用条件都会影响到电解电容的寿命。
从设计角度,电解电容的设计方法、材料、加工工艺决定了电容的寿命和稳定性。
而对应用者来讲,使用电压、纹波电流、开关频率、安装形式、散热方式等都影响电解电容的寿命。
2 电解电容的非正常失效
一些因素会引起电解电容失效,如极低的温度,电容温升(焊接温度,环境温度,交流纹波),过高的电压,瞬时电压,甚高频或反偏压;其中温升是对电解电容工作寿命(Lop)影响最大的因素。
电容的导电能力由电解液的电离能力和粘度决定。
当温度降低时,电解液粘度增加,因而离子移动性和导电能力降低。
当电解液冷冻时,离子移动能力非常低以致非常高的电阻。
相反,过高的热量将加速电解液蒸发,当电解液的量减少到一定极限时,电容寿命也就终止了。
在高寒地区(一般-25℃以下)工作时,就需要进行加热,保证电解电容的正常工作温度。
如室外型UPS,在我国东北地区都配有加热板。
电容器在过压状态下容易被击穿,而实际应用中的浪涌电压和瞬时高电压是经常出现的。
尤其我国幅员辽阔,各地电网复杂,因此,交流电网很复杂,经常会出现超出正常电压的30%,尤其是单相输入,相偏会加重交流输入的正常范围。
经测试表明,常用的450V/470uF 105℃的进口普通2000小时电解电容,在额定电压的1.34倍电压下,2小时后电容会出现漏液冒气,顶部冲开。
根据统计和分析,与电网接近的通信开关电源PFC输出电解电容的失效,主要是由于电网浪涌和高压损坏。
电解电容的电压选择一般进行二级降额,降到额定值的80%使用较为合理。
3 寿命影响因素分析
除了非正常的失效,电解电容的寿命与温度有指数级的关系。
因使用非固态电解液,电解电容的寿命还取决于电解液的蒸发速度,由此导致的电气性能降低。
这些参数包括电容的容值,漏电流和等效串联电阻(ESR)。
参考RIFA公司预计寿命的公式:
PLOSS = (IRMS)²x ESR (1)
Th = Ta + PLOSS x Rth (2)
Lop = A x 2 Hours (3)
B = 参考温度值(典型值为85 ℃)
A = 参考温度下的电容寿命(根据电容器直径的不同而变化)
C = 导致电容寿命减少一半所需的温升度数
从上面的公式中,我们可以明显的看到,影响电解电容寿命的几个直接因素:纹波电流(IRMS)和等效串联电阻值(ESR)、环境温度(Ta)、从热点传递到周围环境的总的热阻(Rth)。
电容内部温度最高的点,叫热点温度(Th)。
热点温度值是影响电容工作寿命的主要因素。
而下列因素又决定了热点温度值实际应用中的外界温度(环境温度Ta), 从热点传递到周围环境的总的热阻(Rth)和由交流电流引起的能量损耗(PLOSS)。
电容的内部温升与能量损耗成线形关系。
电容充放电时,电流在流过电阻时会引起能量损耗,电压的变化在通过电介质时也会引起能量损耗,再加上漏电流造成的能量损耗,所有的这些损耗导致的结果是电容内部温度升高。
3.1、设计上考虑因素
在非固态电解液的电容里,电介质为阳极铝箔氧化层。
电解液作为阴极铝箔和阳极铝箔氧化层之间的电接触。
吸收电解液的纸介层成为阴极铝箔与阳极铝箔之间的隔离层,铝箔通过电极引接片连接到电容的终端。
·通过降低ESR值,可减少电容内由纹波电流引起的内部温升。
这可通过采用多个电极引接片、激光焊接电极等措施实现。
ESR值和纹波电流决定了电容的温升。
促使电容能有满意的ESR值的主要措施之一是:通常用一个或多个金属电极引接片连接外部电极和芯包,降低芯包和引脚之间的阻抗。
芯包上的电极引接片越多,电容的ESR值越低。
借助于激光焊接技术,可在芯包上加上更多的电
极引接片,因此使电容能达到较低的ESR值。
这也意味着电容能经受更高的纹波电流和具有较低内部温升,也就是说更长的工作寿命。
这样做也有利于提高电容抗击震动的能力,否则有可能导致内部短路、高的漏电流、容值损失、ESR值的上升和电路开路。
·通过对电容芯包和铝壳底部之间良好的机械接触及通过芯包中间的热沉,可将电容内部热量有效地从铝壳底部释放到与之联接的底板。
内部热传导设计对于电容的稳定性和工作寿命极其重要。
在Evox Rifa公司的设计中,负极铝箔被延长到可直接接触电容铝壳厚的底部。
这底部就成为芯包的散热片,以使热点的热量能释放。
如选用带螺栓安装方式,安全地将电容安装到底板上(通常为铝板),可得到更为全面的具有较低热阻(Rth.)的热传导解决方案。
·通过采用整体绕注有电极的酚醛塑料盖和双重的特制的封垫与铝壳紧密咬合,可大大减少电解液的损失。
电解液通过密封垫的蒸发决定了长寿命的电解电容工作时间。
当电容的电解液蒸发到一定程度,电容将最终失效(这个结果会因内部温升而加速)。
Evox Rifa公司设计的双层密封系统可减缓电解液蒸发速度,使电容达到其最长的工作寿命。
以上这些特性保证了电容在要求的领域中具有很长的工作寿命。
3.2、影响寿命的应用因素
根据寿命公式,可以得出影响寿命的应用因素为:纹波电流(IRMS)、环境温度(Ta)、从热点传递到周围环境的总的热阻(Rth)。
1.纹波电流
纹波电流的大小,直接影响电解电容内部的热点温度。
查询电解电容的使用手册,就可以得到纹波电流的允许范围。
如果超出范围,可以采用并联方式解决。
2.环境温度(Ta)和热阻(Rth)
根据热点温度的公式,电解电容的应用环境温度也是重要因素。
在应用时,可以考虑环境散热方式、散热强度、电解电容与热源的距离、电解电容的安装方式等。
电容器内部的热量,总是从温度最高的“热点”向周围温度相对较低的部分传导。
热量传递的途径有几种:其一是通过铝箔和电解液传导。
如果电容被安装在散热片上,一部分热量还将通过散热片传递到环境中。
不同的安装方式和间距和散热方式都将影响电容到环境的热阻。
从“热点”传递到周围环境中的总热阻用Rth 来表示。
采用夹片安装,将电容安装在热阻为2℃/W的散热片上,所得到的电容热阻值Rth = 3.6℃/W;采用螺栓安装方式,将电容安装在热阻为2℃/W散热片上、强迫风冷速率为2m/s时,所得到的电容热阻值Rth = 2.1℃/W。
(以PEH200OO427AM型电容为例,环境周围温度为85℃)。
另外将延长的阴极铝箔与电容器铝壳直接接触,也是很好的降低热阻的方法。
同时应注意铝壳会因此带负电,不能作负极连接。
电容必须正确安装才能达到它的设计工作寿命。
例如:RIFA PEH169系列和PEH200系列应该竖直向上安装或者水平安装。
同时确保安全阀朝上,这样热的电解液及蒸气才能在电容失效的情况下,从安全阀顺利排出。
当电容排列很紧凑时相邻电容间至少应留出5mm的间隔以保证适量的空气流动。
使用螺栓安装时,螺母扭矩的控制非常重要。
如果拧得太松,则电容与散热片间就不能紧密接触;如果拧得太紧,又可能使螺纹损坏。
同时应注意电容器不应倒置安装,否则可能造成螺栓的折断。
电容安装时应尽量远离发热元件,否则过高的温度会缩短电容器的使用寿命,从而使得电容器成为整个电路中寿命最短的部件。
在环境温度较高的情况下,尽量采用强迫风冷,将电容安装在进风口处。
3.频率的影响
若电流由基频和多次谐波构成,则须计算每次谐波产生的功率损耗值,并将计算结果相加以求得总损耗值。
在高频应用中,电容两端引线应尽量短以减小等效电感。
电容的谐振频率(fR),因电容器种类不同而不同。
对于焊片式和螺栓连接式铝电解电容,谐振频率在1.5kHz至150kHz之间。
如果电容器在高于谐振频率时使用,对外特性呈感性。
4 结语
综上所述,在避免非正常失效的情况下,选择正确的应用条件和环境,电解电容的寿命是可以保障的。