Надежность и срок службы электролитических конденсаторов
Попов Алексей
Попов Сергей
№ 6’2015
PDF версия
В предыдущей части статьи рассмотрены основные факторы, определяющие надежность и срок службы алюминиевых электролитических конденсаторов при напряжениях, не выходящих за пределы диапазона (0… UНОМ). Показано, что в этих условиях алюминиевые электролитические конденсаторы имеют высокую надежность, особенно если они применяются с достаточным запасом относительно максимально допустимой рабочей температуры наиболее нагретой области конденсатора. При этом отказы конденсаторов носят параметрический характер, то есть проявляются как постепенное уменьшение емкости и/или увеличение тангенса угла потерь. Хотя имеются явно выраженные процессы старения, эффективный срок службы достаточно велик, особенно у алюминиевых электролитических конденсаторов с большими размерами корпуса.
Все статьи цикла.
Однако в целом ряде применений этих конденсаторов заманчиво иметь возможность допускать кратковременные превышения номинального напряжения или же появления небольшого напряжения обратной полярности.
Частичные разряды являются первопричиной и основным источником опасности катастрофических отказов алюминиевых электролитических конденсаторов [3]. Причем экспериментально показано, что в нормальных условиях слабые и редкие частичные разряды случаются даже у вновь изготовленных, полностью исправных конденсаторов, происходит это при напряжениях, равных и даже несколько меньших номинального (рис. 1) [3]. Более того, при повышенных рабочих температурах граничное напряжение возникновения частичных разрядов еще значительно снижается — на 10–15% (рис.
Рис. 1. Типичные зависимости частоты следования частичных разрядов у вновь изготовленных высоковольтных алюминиевых электролитических конденсаторов от приложенного напряжения (два образца конденсаторов с номинальным напряжением 450 В)
Рис. 2. Влияние температуры на величину граничного напряжения, соответствующего темпу следования частичных разрядов 10 импульсов в минуту (тестировались 2 типа токоотводов для высоковольтных алюминиевых электролитических конденсаторов)
Таким образом, можно утверждать, что при неблагоприятных условиях небольшие частичные разряды возникают у высоковольтных конденсаторов при напряжениях, существенно ниже номинального. Однако весь огромный опыт испытаний и применения алюминиевых электролитических конденсаторов подтверждает их весьма высокую надежность, в том числе в отношении катастрофических отказов, если напряжение не превышает номинального.
Более того, для многих типов конденсаторов изготовители официально разрешают работу при повторяющихся кратковременных напряжениях на 8–30% выше номинального, когда интенсивность частичных разрядов еще существенно возрастает (как видно на рис. 1, частота возникновения частичных разрядов у высоковольтного конденсатора при превышении номинального напряжения на 8% увеличивается примерно в 30–40 раз). Но основным ограничением для режима повторяющихся кратковременных перенапряжений является сохранение приемлемого теплового режима конденсатора с учетом возможного значительного повышения тока утечки (рис. 3) [3] и, соответственно, мощности потерь, а не опасность катастрофического отказа. Вот почему изготовитель допускает такие перенапряжения в течение ограниченного времени импульса и при достаточно малом коэффициенте заполнения. Но при этом суммарное время действия повторяющихся перенапряжений за срок службы алюминиевого электролитического конденсатора может быть значительным, без драматического ухудшения его надежности, в том числе в отношении катастрофических отказов.
Рис. 3. Зависимости тока утечки высоковольтного алюминиевого электролитического конденсатора при повторяющихся импульсных перенапряжениях (1,1×UНОМ в течение 30 с)
Фактически основным фактором риска является не частота следования частичных разрядов (экспоненциально зависящая от приложенного к конденсатору напряжения), а протекающий при этом через зону лавинного пробоя электрический заряд и, соответственно, выделяющаяся энергия. Они, так же как и частота возникновения частичных разрядов, очень сильно увеличиваются по мере роста напряжения на конденсаторе. Эта проблема существует для любых алюминиевых электролитических конденсаторов, но она приобретает все большую значимость при увеличении их номинальных напряжений и отчасти емкостей. Высоковольтные конденсаторы большой емкости запасают весьма значительные величины энергии. При местном пробое толстого оксидного слоя высоковольтного алюминиевого электролитического конденсатора (с лавинным размножением носителей) часть запасенной энергии за весьма короткое время выделяется в ограниченном объеме, что приводит к его адиабатическому нагреву.
Рис. 4. Типичные примеры успешного и неуспешного испытаний высоковольтного алюминиевого электролитического конденсатора неповторяющимся переходным перенапряжением (для одного и того же конденсатора)
Частичные разряды и ток утечки не имеют непосредственной связи между собой [3], а только косвенную, поскольку оба явления одновременно усиливаются по мере роста приложенного напряжения. При напряжении на высоковольтном алюминиевом электролитическом конденсаторе в пределах номинального вклад частичных разрядов в полный ток утечки пренебрежимо мал. Это важно иметь в виду при последовательном соединении нескольких конденсаторов для увеличения допустимого прикладываемого напряжения. В установившемся режиме напряжения на каждом из таких конденсаторов распределяются неравномерно, обратно пропорционально их токам утечки, величины которых имеют значительный разброс. Напряжение на конденсаторе с наименьшей утечкой может существенно превысить номинальное, попадая в зону режимов работы, где энергия единичных частичных разрядов уже достаточно велика для заметной деградации оксидного слоя, быстрого увеличения количества слабых мест и последующего катастрофического отказа.
При быстром увеличении напряжения, приложенного к батарее последовательно включенных конденсаторов, приращения напряжений на отдельных конденсаторах распределяются неравномерно, обратно пропорционально их емкостям. Если напряжение на конденсаторе, имеющем значительно меньшую емкость, достигает опасных в отношении катастрофического отказа значений, его срок службы резко сокращается. Причем релаксация напряжения к менее опасным значениям происходит медленно (единицы и десятки секунд), заметно съедая ресурс конденсатора в каждом цикле перенапряжений. Особую опасность представляет нештатная разбалансировка по емкости, например в случае последовательно-параллельной схемы батареи конденсаторов и обрыва одного из конденсаторов.
Для защиты от таких режимов можно комбинировать подбор последовательно включаемых алюминиевых электролитических конденсаторов с минимальным разбросом по емкости и увеличение запаса по напряжению. Однако высокая стоимость селективной сборки, непредсказуемый дрейф емкостей отдельных конденсаторов в течение срока службы и значительное ухудшение технических и экономических характеристик оборудования при недоиспользовании конденсаторов по напряжению стимулируют разработку и применение особо высоковольтных (до 630 В номинального напряжения) алюминиевых электролитических конденсаторов большой емкости, позволяющих заменить целую батарею параллельно и последовательно включенных конденсаторов.
Принципиальное различие режимов применения алюминиевых электролитических конденсаторов:
- в составе оборудования, питающегося от стабильного напряжения;
- при непосредственном воздействии сетевых (атмосферных и коммутационных) перенапряжений.
В первом варианте конденсаторы работают в хорошо определенных условиях.
Даже если они подвергаются перенапряжениям, их параметры (амплитуда, продолжительность, частота повторений) заранее известны. В этом случае высоковольтные конденсаторы в продолжительном режиме могут использоваться без излишних запасов относительно номинального напряжения, а также вполне приемлемы повторяющиеся перенапряжения до 1,1×UНОМ. Допускать воздействие напряжений сверх 1,1×UНОМ не имеет смысла: надежность ощутимо уменьшится без серьезного улучшения технико-экономических характеристик аппаратуры. Для повышения надежности работы и исключения чрезмерных бросков тока при повторяющихся перенапряжениях (рис. 3) может быть целесообразна тренировка конденсатора до более высокого напряжения, чем это обычно применяется, — до проектного уровня перенапряжений.
При воздействии сетевых перенапряжений невозможно точно указать их предельно возможную амплитуду и вольт-секундный интеграл. Зачастую даже максимальное напряжение продолжительного режима известно лишь ориентировочно.
Поэтому необходимо тем или иным способом обеспечить ограничение тока при больших перенапряжениях, что достигается за счет адекватной величины импеданса питающей сети, преобразовательного трансформатора или установкой специальных токоограничивающих реакторов. Эти меры должны обеспечить приемлемые уровни ударного тока и энергии, которые может надежно выдержать используемый ограничитель перенапряжений. Как правило, в качестве таких ограничителей применяются специализированные приборы, с нормированной стойкостью: мощные стабилитроны и оксидно-цинковые варисторы. При этом напряжение ограничения при расчетном ударном токе должно быть безопасным для защищаемого оборудования, в том числе высоковольтного алюминиевого электролитического конденсатора (батареи конденсаторов) на шине постоянного тока. По мере роста номинальной мощности оборудования приходится допускать все большие величины ударных токов, возникающих при сетевых перенапряжениях. К тому же быстро растут требования к допустимой величине энергии, которую должен быть способен безопасно поглотить и рассеять ограничитель напряжения..jpg)
При ударном токе порядка нескольких килоампер и поглощаемой энергии в несколько килоджоулей мощные стабилитроны не применимы, а варисторы резко растут в цене (из-за больших сложностей обеспечения приблизительно равномерного распределения ударного тока по площади прибора). Одновременно ухудшаются гарантии на кратность отношения напряжения ограничения к номинальному напряжению шины. Интересным выходом из положения может стать использование высоковольтного алюминиевого электролитического конденсатора, являющегося накопителем-фильтром на шине постоянного тока, в качестве ограничителя перенапряжений. Имеется в виду, что он отрабатывает только наиболее тяжелые сетевые перенапряжения, то есть данный режим наступает считанное число раз за срок службы. При этом очень важно ограничить ударный ток и энергию. Приемлемые величины не сильно зависят от размеров и параметров конденсаторов и примерно соответствуют рис. 4а. Косвенно удовлетворительную надежность этого режима подтверждает огромный опыт успешного применения миллиардов экземпляров сетевых бестрансформаторных источников питания, которые не имеют другой защиты от перенапряжений, кроме высоковольтного алюминиевого электролитического конденсатора, являющегося накопителем-фильтром в цепи постоянного тока.
Для работы в качестве ограничителя напряжения нежелательно использовать low ESR-конденсаторы, поскольку они в большей степени склонны к локализации энергии пробоя в малом объеме оксидного слоя и, соответственно, к катастрофическому отказу.
Обратная полярность напряжения на алюминиевом электролитическом конденсаторе допустима, если ее величина не превышает 1–2 В [3]. Такой режим значительно проще обеспечить по сравнению с типовым требованием полного запрета переполюсовки конденсатора. Если при этом не нужно ограничивать обратный ток во внешней цепи, вполне достаточно шунтировать конденсатор кремниевым диодом.
При использовании в щадящих режимах работы алюминиевые электролитические конденсаторы обеспечивают весьма высокую надежность и имеют большой срок службы. Для этого надо соблюдать правильную полярность приложенного к ним постоянного напряжения, не превышать номинальной величины напряжения и удерживать достаточно невысокую температуру внутри конденсатора. При неправильной полярности приложенного напряжения и/или значительном превышении номинального напряжения возникает опасность катастрофического отказа.
Однако в обоснованных случаях кратковременная работа в этих режимах может быть приемлема.
Литература
- Гуревич В. Электролитические конденсаторы: особенности конструкции и проблемы выбора // Компоненты и технологии. 2012. № 5.
- Радюшкин О. Методы оценки срока эксплуатации электролитических конденсаторов // Силовая электроника. № 5.
- Klug O., Bellavia A. High voltage aluminum electrolytic capacitors: where is the limit? // Evox Rifa 2001.
типы и принципы работы — Техника на vc.ru
Конденсаторы — это пассивные элементы обвязки полупроводниковых компонентов в электронных схемах. Их большое разнообразие обусловлено набором качественных характеристик по отношению к габаритам, условиям эксплуатации и стоимости.
337 просмотров
В зависимости от назначения и требуемых характеристик используют определенный тип конденсаторов. Вместе с «ЗУМ-СМД» рассмотрим свойства некоторых типов.
Свойства конденсаторов
Для каждого типа конденсатора свойственны определенные наборы параметров:
- Габариты и удельный вес — влияют на компактность устройства.
- Ёмкость измеряется в фаррадах.
- Максимальное напряжение — предельная величина разности потенциала на обкладках конденсатора (указывается с запасом).
- Ток утечки — величина тока саморазряда конденсатора (имеет ощутимые значения только у некоторых типах конденсаторов.
- Тангенс угла диэлектрических потерь — добротность конденсатора.
- Стоимость — в зависимости от требований, предъявленных к конденсатору, имеет смысл применения определенного класса изделия.
Ёмкость — это основная характеристика прибора. Она зависит от диэлектрической проницаемости изоляционного материала, расположенного между пластинами (обкладками) конденсатора.
Также эта характеристика увеличивается с повышением площади совместного расположения пластин и уменьшением расстояния между ними.
Конденсаторы подразделяются по типу монтажа:
- С креплением в отверстия печатной платы — выводы могут быть с одной стороны корпуса или с обоих.
- С болтовым креплением — выводы с одной стороны.
- Для поверхностного крепления (SMD) — короткие выводы, расположенные на одной боковой плоскости.
Классификация конденсаторов
Конденсаторы классифицируются на электролитические, керамические и полимерные и отличаются материалом диэлектрика и пластин (обкладок), а также конструкцией устройства.
Для увеличения емкости электролитические конденсаторы используют электролит, который позволяет уменьшить расстояние между обкладками конденсатора. Они обладают поляризацией, на корпусе, возле одного из электродов указывается обозначение его полярности.
Делятся электролитические конденсаторы:
- на жидкостные;
- сухие;
- оксидно-металлические;
- оксидно-полупроводниковые.
Алюминиевые электролитические конденсаторы являются наиболее дешевыми с относительно большой емкостью, но ограничены максимальным напряжением. Их диапазон составляет от 6,3 В до 500 В, могут иметь некоторый ток утечки, до 1 — 2 мА, у качественных моделей 0,05 — 0,1 мА. Внешней отличительной особенностью является крестовая насечка на поверхности противоположной выводам или кольцевой надрез на цилиндрическом корпусе устройства с выводами по обе стороны. Это предотвращает взрыв конденсатора при испарении электролита в случае пробоя диэлектрика.
Танталовые конденсаторы имеют электролит, находящийся в твердом или жидком состоянии. Отличаются от алюминиевых высокими частотными характеристиками и меньшим током утечки, но и естественно большей стоимостью.
Некоторые модели очень схожи с вышеописанными, но не имеют насечек. Линейка номиналов до 1000 мкФ и до 100 В.
Из неэлектролитических конденсаторов можно выделить:
- керамические однослойные;
- керамические многослойные;
- высоковольтные керамические;
- полиэстеровые;
- полиэтилентерефталатовые;
- лавсановые;
- полиропиленовые и др.
Они отличаются меньшей удельной емкостью, незначительным током утечки и тангенсом угла диэлектрических потерь.
Компания «ЗУМ-СМД» имеет богатый опыт сотрудничества с производителями конденсаторов различной классификации. Бренды имеют высокое качество продукции, выпущенной на высокотехнологичном оборудовании.
Высокое напряжение | Керамика | Конденсаторы
- Параметрический поиск
- Керамика-высокое напряжение
- Design Tools
- Document Library
- Product Videos
To select multiple values, Ctrl-click or click-drag over the items
IndustrialVoltage MultiplierReset
Axial LeadedCascadeHockey PuckRingStackReset
200028003500560080001000010000 (3500 RMS)10000 ( 7000 СКЗ)1500015000 (5300 СКЗ)15000 (10000 СКЗ)160001
000020000 (7000 RMS)20000 (14000 RMS)3000030000 (10600 RMS)30000 (20000 RMS)40000 (14000 RMS)40000 (27000 RMS)50000 (34000 RMS)Reset
1001401501801
2202502802
3303704004404705005605906807007507808208508809401000110012001300140015001600170018001
002200250027002800300033003400300470050005300680080001000020000ResetN4700R85R2000R2000HR2005R3000R4000R6000X5RX7RY5SY5UZ5UReset
Show 102550100 entries
| 660R10ACD10 | Enlarge | High Voltage Ceramic DC Disc Capacitors with Axial Leads, 10 kVDC to 30 kVDC | 10000 | 1000 | X7R | NA | NA | Individual |
| 660R10ACD33 | Увеличить | Высоковольтные керамические дисковые конденсаторы постоянного тока с осевыми выводами, от 10 до 30 кВ пост. 0037 | ||||||
| 660R10AED15 | Enlarge | High Voltage Ceramic DC Disc Capacitors with Axial Leads, 10 kVDC to 30 kVDC | 10000 | 1500 | Z5U | NA | NA | Individual |
| 660R10AES10 | Увеличить | Высоковольтные керамические дисковые конденсаторы постоянного тока с осевыми выводами, от 10 до 30 кВ пост.0037 | NA | NA | Individual | |||
| 660R15ACD22 | Enlarge | High Voltage Ceramic DC Disc Capacitors with Axial Leads, 10 kVDC to 30 kVDC | 15000 | 2200 | X7R | NA | NA | Индивидуальный |
| 660R15ACT47 | Увеличить | Высоковольтные керамические дисковые конденсаторы постоянного тока с осевыми выводами, от 10 до 930 кВ постоянного тока0037 | 15000 | 470 | X5R | NA | NA | Individual |
| 660R15ACT68 | Enlarge | High Voltage Ceramic DC Disc Capacitors with Axial Leads, 10 kVDC to 30 kVDC | 15000 | 680 | X7R | NA | NA | Индивидуальный |
| 660R15AED15 | Evlarge | High Voltage Discemor Discel. 0037 | 15000 | 1500 | Z5U | NA | NA | Individual |
| 660R15AZD15 | Enlarge | High Voltage Ceramic DC Disc Capacitors with Axial Leads, 10 kVDC to 30 kVDC | 15000 | 1500 | N4700 | NA | NA | Individual |
| 660R20ACD10 | Enlarge | High Voltage Ceramic DC Disc Capacitors with Axial Leads, 10 kVDC to 30 kVDC | 20000 | 1000 | X7R | NA | NA | Individual |
High Voltage Capacitors — PPM Power
PPM Power supplies a wide portfolio of high voltage capacitors from specialist manufacturers including Advanced Conversion, API and CKE/Дин Технология.
Основные доступные технологии:
Конденсаторы промежуточного контура, включая индивидуальные и стандартные решения с чрезвычайно низким ESR и ESL, а также высокопроизводительные комплекты для тестирования промежуточного контура с охлаждением.
Снабберные конденсаторы для тиристорных, IGCT, GTO и IGBT устройств с индивидуальными возможностями.
Керамические конденсаторы для применений, требующих низкого коэффициента рассеяния, малых коэффициентов напряжения и стабильных температурных характеристик.
Конденсаторы для накопления энергии и импульсные конденсаторы, обеспечивающие экстремальное накопление энергии/плотность импульсной мощности в небольших корпусах и нестандартных конструкциях.
Слюдяные конденсаторы для приложений, требующих высокой стабильности, жестких допусков и низких потерь.
Чтобы обсудить ваши конкретные требования, позвоните нам по телефону +44 (0)1793 784389 и поговорите с сотрудником нашего отдела продаж.
Решения для конденсаторов и сборных шин
Наборы для тестирования карбида кремния с охлаждением
Силовое кольцо
Конденсаторы промежуточного контура
Пленочные конденсаторы
Снабберные конденсаторы
18
| Технология конденсаторов | Диапазон емкостей | Пиковое повторяющееся напряжение | Непрерывный среднеквадратичный ток | Частота |
|---|---|---|---|---|
| Снабберные конденсаторы | от 0,01 до 10 мкФ | от 500 до 10 000 В | от 10 до 120 А ампер | 2 0,00 до 100 Гц |
Керамические конденсаторы
Серия NX5/JX5
Серия NY2/CK1
Стеки ST1/ST2/ST3
| Технология конденсаторов | Коды диэлектриков | Диапазон емкостей | Типовой допуск | Рабочее напряжение | Диапазон температур |
|---|---|---|---|---|---|
| Серия NX5 | T3M, Y5P | 100–8000 пФ | +/– 10 % | 10–50 кВ пост. С |
|
| Серия JX5 | T3M / N4700, Y5P | 100–8000 пФ | +/– 10 % | 10–50 кВ постоянного тока | от -40 до 125 град. С |
| Серия NY2 | BxN, Y5P, Y5T, Z5U | 100 — 5600 пФ | +/- 20 % | 3 — 15 кВ постоянного тока | |
| Серия CK1 | NPO, SL | 2 — 300 пФ | +/- 10% | 3 — 6 кВ постоянного тока | от -20 до 85 град. С |
| Серия ST1 | Y5P, Z5U | 250–1000 пФ | +/– 20 % | 6–12 кВ пост. тока | — |
| Серия ST2 | Y5P, Z5U | 130 — 1000 пФ | +/- 20% | 10 и 20 кВ пост. тока | — |
| Серия ST3 | Y5P | 500 и 1000 пФ | +/- 20% | 10 и 20 кВ постоянного тока | — |
Аккумуляторы энергии и импульсные конденсаторы
Импульсная мощность
Аккумулирование энергии
| Технология конденсаторов | Конструкция | Диапазон емкости | Рабочее напряжение постоянного тока | Esl/Esr при 10 кГц | Типовой пиковый ток | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Импульсная мощность АСУ ТП | Металлизированный полипропилен | 5 — 5000 мкФ | 750 В — 8 кВ | 50 нГн/0,2 мОм 7 | ||
| Аккумулятор энергии | Металлизированный полипропилен | 0,01–30 000 мкФ | 100–50 000 В | – | — | |
| АСУ ТП высокого напряжения | Пленка и фольга | Свяжитесь с нами | ||||
| APCS Extreme Energy | Металлизированный полиэстер | Свяжитесь с нами |
Слюдяные конденсаторы
Слюдяные конденсаторы
