[NCC電容]鋁電解電容器的使用壽命是多久？

作者：NIPPON CHEMI-CON    發布時間：2020-07-14 15:52:58  訪問量：11149  來源：櫻拓貿易

鋁電解電容器的使用壽命會因使用條件而受到很大的影響。作為環境條件包括溫度、濕度、氣壓、振動等，電氣條件的話,有電壓、紋波電流、充放電等。平常在平滑電路下的使用時、溫度和紋波電流所產生的發熱是決定壽命的重要因素、作為耐久性在目錄及納入仕樣書中均有記載。

而且，如持續在高濕度、振動的用途及頻繁充放電的用途的情況下，要考慮各個條件下的耐久性。

一、周圍溫度與壽命

鋁電解電容器的壽命、一般受電解液通過封口部向外蒸發的現象的影響、表現為靜電容量的減少、損失角正切值的增大。

電解液的蒸發速度和溫度的關系用阿雷尼厄斯定律表示（4）（5）

                                                   k ：反應速度常數

                                                   A ：頻度因子

                                                   E ：活性化能量

                                                   R ：氣體常數(8.31J/deg)

                                                   T ：絕對溫度（K）

把上述公式（5）應用于鋁電解電容器的壽命的話，就成了公（6）、變換成公式（7）。

                                   Lo ：溫度To時的壽命（小時）

                                   Lx ：溫度Tx時的壽命（小時）

                                   To ：制品的工作上限溫度（K）

                                   Tx ：實際使用時的周圍溫度（K）

用公式（8）來推算實際的壽命。

                                        Lo ：在工作溫度的上限、施加額定電壓或額定紋波電流

                                                重疊時的規定壽命（hours）

                                               （各制品的耐久性規定時間）

                                        Lx ：溫度Tx時的壽命（小時）

                                        To ：制品的工作上限溫度（℃）

                                        Tx ：實際使用時的周圍溫度（℃）

                                        Bt ：溫度加速系數

在此，溫度加速系數Bt，在60～95℃時太約為2，適用于10℃2倍數定律。但是、在阿雷尼厄斯公式（6），絕對溫度的倒數1/T和壽命的對數之間有著直線關系，因此嚴格來講，也有并不近似10℃ 2倍數定律的溫度范圍。（圖-19）

圖19： 阿雷尼厄斯定律和10℃2倍數的壽命計算結果

特別是當制品的保證溫度為超過105℃時的壽命推算，根據推算溫度加速系數Bt的溫度范圍，而必須改變系數。關于實際的壽命推算請另行咨詢。

對于低溫段的壽命，因為沒有實際的評估數據、且對于長時間的耐久性，不僅要考慮電解液的蒸發以外還要考慮封口材質劣化等要素，所以請把40℃作為下限，并把15年作為推算壽命的上限。

二、施加電壓與壽命

在額定電壓以下使用的話,一般來講施加的電壓對其使用壽命影響很小,與其周圍溫度及紋波電流所產生的發熱的影響相比,影響幾乎可以不用考慮。

圖20 ：耐久性（電壓參數）

（注）因施加電壓的差異很小，很多測試點重合。

 不過、尺寸大的高壓品，因為電解液的搭載量多，除了因溫度而使電解液蒸發以外，也不可忽視因施加電壓而讓氧化膜劣化的因素。因此，額定電壓為350V以上的一部分LG制品,在壽命推算中要考慮減小施加電壓所產生的因素。

三、紋波電流與壽命

鋁電解電容器與其他電容器相比，因損失比較大，紋波電流會引起內部發熱。紋波電流引起的內部發熱會隨著溫度的上升而增大,而給壽命帶來很大的影響。

因此每個制品都設定有額定的紋波電流。

1、紋波電流和發熱

施加紋波電流時的消耗電力如下列公式。

                                        W ：內部的消耗電力

                                        I_R ：紋波電流

                                        V ：施加電壓

                                        I_L：漏電流

漏電流I_L在最高使用溫度時是20℃時的5～10倍，因I_R ＞ I_L，所以公式為 (10)

W ≒ I_R²R ????????????????? (10)

用公式 (11) 來求達到平衡發熱和放熱溫度的條件。

                            β：放熱常數

                            A ：鋁殼表面積

                            ΔT ：根據紋波電流的自我溫升 (℃)

                                                D ：鋁殼的直徑

                                                L ：鋁殼的高度

自我溫升ΔT  公式 (12)

紋波電流為120Hz的情況下，自我溫升由公式 (12) 轉化為公式 (13)

                               tanδ ：120Hz下的的損失角正切值

                         ω     ：2πf (f為120Hz)

                         C      ：120Hz下的靜電容量 (F)

根據紋波電流可用公式14來算出大概的自我溫升ΔT

ΔT ＝ (Ix/Io) ² ×ΔTo ??????????? (14)

                                     Io ：在工作上限溫度時的用頻率系數修正后的額定紋波電流 (Arms)

                                     Ix ：實際使用時的紋波電流 (Arms)

                                     ΔTo ：疊加額定紋波電流時的自我溫升 (℃)

雖然有一些系列降低周圍溫度可以施加超過額定的紋波電流，但自我溫升△T升高的話，壽命就會變短。△T在各種周圍溫度下都有其規定界限值，請在使用中不要超過其界限值。另外、素子中心溫度的界限值為『Tx+△T界限值』

下表是各周圍溫度下的ΔT 界限值的例子

2、紋波電流與頻率

通常，額定紋波電流值都是用120Hz或100KHz下的正弦波的有 效值來標準化的，但由于等效串聯電阻ESR具有頻率特性，所以根據 頻率的變化，可以允許的紋波電流值會有改變。就像開關電源，鋁電解電容器內有商用電源頻率成分和開關頻率成分的情況下，內部消 耗電力用下列公式 (15) 表示。

W ＝ I_f1 ²R_f1 ＋ I_f2 ²R_f2 ＋??I_fn ²R_fn?????????? (15)

                                 W ：消費電力

                                 I_f1、I_f2、?I_fn：f1、f2、?、fn 各個頻率下的紋波電流值(Arms)

                                R_f1、R_f2、?R_fn：f1、f2、?、fn 各個頻率下的等效串聯電阻 (Ω)

各頻率下面的頻率修正系數用F_fn 表示、用fo來作為紋波電流基準下的頻率的話，因R_fn=R_fo/F_fn² 、所以各頻率下的紋波電流可用公式 (16) 來換算。

             I_fo ：用基準頻率換算的紋波電流值 (Arms)

             F_f1、F_f2、?F_fn ：f1、f2、?fn 各個頻率下的頻率修正系數

因等效串聯電阻會隨溫度而變化、β會隨基板安裝環境而變化，所以推薦用熱電偶實測的方法來求到正確的ΔT值。

3、壽命推算式

考慮過因周圍溫度和紋波電流使本身的溫度上升和施加電壓的影響后的壽命推算公式一般用 (17) ～ (20) 表示。

● 貼片型、引線型：按加載額定電壓規定耐久性時

●貼片型、引線型：按疊加額定紋波電流規定耐久性時

●基板自立型、螺絲端子型

                  Lo ：工作溫度為最大，施加額定電壓時的規定壽命（小時）

                  Lr ：工作溫度為最大，疊加額定紋波電流時的規定壽命（小時）

                  Lx ：在實際使用條件中推算的壽命 （小時）

                  To ：制品的工作上限溫度 （℃）

                  Tx ：實際使用時的環境溫度 （℃）

                          40℃以下的時候，在推算壽命的時候請按40℃來推算

                  ΔT ：疊加紋波電流時的自我溫升 （℃）

               ※ΔTo ：疊加額定紋波電流時的自我溫升 （℃）

               ※Kt ：周圍溫度加速的修正系數

               ※Kv ：電壓降額系數 （基本自立型＜160Vdc、螺絲端子型＜350Vdc時為1）

               ※A ：疊加紋波電流時自我溫升加速系數 （因使用條件而不同。）

 關于※項目的相關內容請另行咨詢。

關于上限溫度為125℃以上產品的壽命計算式，請與弊司聯系。

對象系列 ：MXB、MHS、MVH、MHL、MHB、MHJ、MHK、GPA、GVA、GXF、GXE、GXL、GPD、GVD、GQB、GXA

請注意推算出來的結果并不是保證值。

在對設備進行壽命設計的時候，請檢討使用壽命充裕的電容器。

推定壽命計算結果超過 15 年的場合，按 15 年為上限。如果需要推定壽命 15 年以上的產品，請與弊司聯系。

四、充放電與壽命

給鋁電解電容器施加電壓的話，正極箔的電介質上就會積累電荷。通過放電電阻放電的時候，積累在正極箔上的電荷就會移動到負極箔上。此時，鋁和電解液就會在負極箔上發生化學反應（形成電介質）。

像這種反復多次充放電的場合，發生化學反應的負極箔容量和電容器的容量都會減少。與此同時、也會產生發熱．氣體。根據充放電條件，內壓上升后會產生壓力閥動作或產品破壞等情況。鋁電解電容器用于以下的用途時，請與敝司商談。

●頻繁的開/關電源的電路

●反復短周期的快速充放電的電路

●反復電壓變動大的充放電的電路

圖21：充電時的電荷狀態

圖22：放電時的電荷狀態

                                                                 （斷開電源V1，放電后的狀態）

一般品和充放電用特殊品的比較數據用圖23～25表示。

圖23：急速充放電特性（充放電次數的影響）

圖24：急速充放電特性（施加電壓的影響）

圖25：急速充放電特性（周圍溫度的影響）

五、浪涌電流

雖然電源起動時及電焊機開始充電時電流所通過的浪涌電流的單位為msec，但此時的電流是平時的10-1000倍。一般來說，在單個的浪涌電流的時間內產生的熱量很小，不會有問題出現。但請注意，如頻繁反復的通過浪涌電流，就會和疊加過大紋波電流產生同樣的情況，素子的發熱超過容許值、外部端子的連接部或是電容器內部引出的端子線與鋁箔的接觸部會產生異常發熱。

六、異常電壓與壽命

 施加異常電壓會引起電容器內部發熱和產生氣體而導致內部壓力上升，壓力上升會導致開閥或電容器損壞失效。

1、過大電壓

施加高于額定電壓的電壓會引起陽極箔的化學反應（形成電介質）導致漏電流迅速增加,從而產生熱量和氣體,內部壓力因此也會升高。

這種化學反應會隨著電壓,電流,環境溫度的升高而加快。隨著內部壓力增加,電容器會開閥或損壞失效。也可能會導致電容器容量降低,損失角和漏電流增加,從而會導致電容器短路。圖-26中是電容器施加過大電壓特性的一個例子。

圖26：105℃過大電壓特性

2、反相電壓

施加反相電壓會引起電容器陰極箔的化學反應，同施加過大電壓一樣會導致漏電流迅速增加,電容器內部會產生熱量和氣體而引起內壓升高。

這種化學反應會隨著電壓，電流，環境溫度的升高而加快。同時靜電容量減少，損失角增大，漏電流增加。圖-27是電容器反相電壓特性的一個例子。

施加大概1V的反相電壓會導致容量減少；施加2V-3V的反相電壓會導致容量減少，損失角增加/或者漏電流增加而縮短了電容器的壽命。如果施加更大的反相電壓會導致開閥或電容器損壞。（如圖27）

圖27：105℃反相電壓特性

3、交流電路中的使用

在交流電路中使用鋁電解電容器時,在陰極會產生電位及產生過大紋波電流，伴隨著內部發熱，產生氣體使內部壓力升高，進而導致開閥，封口橡膠裂開電解液泄露，或者電容器爆炸引起著火等。如果電容器爆炸，可能因電解液或素子中一些易燃材料分散在電路板中導致裝置短路。因此，請勿在AC電路中使用鋁電解電容器。

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