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電容器一般由兩個接近并相互絕緣的導體構成，是軍用電子整機不可缺少的基礎元件。在軍用電子產品中，電解電容器占有相當大的比重，其可靠性在整機中起著至關重要的作用。 根據國內有關部門的統計，在整機故障原因中，由電容器選擇和應用方面的原因造成的故障約占電容器總失效率的55～85％；電容器自身質量造成的失效約占15～45％。從以上數據可以看出，電容器失效的主要原因與選擇和使用不當有關。因此，做好電解電容器的選擇和應用，對保證軍工產品質量和可靠性具有重要的意義。 1 電解電容器的選擇 在軍用電子產品中，為了保證整機系統的可靠性，選用電解電容器時，應遵從以下原則： (1)盡量選用列入軍用電子元器件合格清單(QPL)的元器件； (2)盡量選用優選元器件清單的產品(PPL)； (3)正確選擇元器件的質量等級； (4)盡量選用標準和通用元器件，慎重選用新品種和非標準元器件； (5)在提供元器件清單時，必須清楚元器件標志的含義，避勉采購回來的元器件不符合整機系統的可靠性要求。 設計人員在選擇電容器時，要對電解電容器的主要技術性能進行了解，對它的電容量、工作電壓、漏電流、損耗角正切值、溫度特性、阻抗頻率特性、反向耐電壓、儲存性能以及價格等方面進行比較。同時要注意電容器所使用的材質，最常用的材質是Z5U，這種材質性能穩定，介電系數高，電容器容量大，自諧振頻率可達到1～20MHz；最高可用到50 MHz。另一種常用的材質是NPO，這種材質具有很好的高頻特性，但介電常數低、容量小，一般不在10 MHz以下使用。 電解電容器分鋁電解電容器和鉭電解電容器兩大類。鉭電解電容器又分固體鉭電解電容器和液體鉭電容器。三種電容器各有特點，選擇時應有所區別。 鋁電解電容器的優點是鋁材在我國分布廣、價格低、產量大、重量輕、有自愈特性。其缺點是介質損耗大、絕緣性能差(漏電流大)、容量偏差大，并有擱置效應。再加之一般是用鋁作外殼的非氣密封元件，故可靠性較差。適應環境溫度范圍窄，尤其是負溫特性差，一般為-20℃(個別種品可達-40℃，國軍標CDK系列為-55℃)。適用于對環境條件要求不高的一般民用電子產品及對可靠性要求不高的部分地面軍用電子整機。 鉭電解電容器與鋁電解電容器相比，其優點是環境溫度范圍寬，一般為-55℃～+125℃；鉭氧化膜的絕緣電阻是鋁氧化膜的2倍，故漏電流小；在半導體器件工作電壓范圍內(指150 V以下)，相同容量的鉭電容器比鋁電解電容器體積小2倍，并具有損耗小、性能穩定、壽命長、可靠性高等優勢。鉭解電容器適用于軍用電子設備，其缺點是價格高，受到成本的限制，所以用量極少。由于CA42鉭解電容器采用了環氧樹脂包封，因而大大降低了固體鉭電容器的價格，所以，部分民用整機也已批量采用。由于CA42環氧樹脂固體鉭電容器是非密封元件，不適宜使用環境條件惡劣的軍用整機，故在軍用產品上應采用全密封鉭的解電容器。 電解電容器介質損耗大，容量誤差大、絕緣性能差，只適合用在各種50～100 Hz電子設備工頻電源中的濾波以及低頻電路中的旁路、耦合電容、或對容量誤差要求不高的低頻電路中。 液體鉭電容器漏電流較小，單位體積電容量與工作電壓的乘積特別大，尤其適合在中高壓條件下的大容量電路中。但是，這種電容器有酸性液體，如果一旦發生漏液，可能使印制板連線短路，從而引起整機發生嚴重故障，所以，軍用電子設備禁止使用液鉭電容器。 然而，隨著科技的發展，有些單位已經基本上解決了液鉭電容器的密封問題，液鉭電容器已達到國軍標要求，其可靠性也已達到了六級水平。目前，在航天產品中已開始采用，其它軍工產品可以參考。但是，液體鉭電容器在上機前一定要進行密封檢漏篩選，并在設計時采用較大的降額。以保證其可靠性。 2 電解電容器的可靠性應用 2.1 適當降低工作電壓 降低電解電容器的工作電壓是延長電容器使用壽命，提高可靠性的最有效方法。因為電解電容器的失效率與外加電壓和電容器額定電壓之比的二次方成正比。電解電容器用于電源濾波電路的場合最多，輸入電壓發生變化或負載突然開路，濾波電容器兩端的電壓都會隨之發生變化，如果不進行降額設計，很可能使電容器擊穿。此外，從輸入端進來的交流電壓并非是正弦波電壓，一般非正弦波的峰值電壓要比正弦波電壓高，可對電容器的壽命和可靠性造成較大影響，所以，在設計時，使用時要對電解電容器的工作電壓進行較大幅度的降額。 對電解電容器電壓的降額幅度要根據整機的可靠性要求及電容器使用的具體電路而定。一般可分三級，一級為額定電壓的50％；二級為60％；三級為70％。高壓大容量的電容器應選擇較大的降額幅度。電容器的容量越大，氧化膜的面積越大，出現介質缺陷的機率也越大，可靠性越低。 2.2 充分考慮紋波電壓 一般電解電容器都有正負極之分。當用于既有直流電壓又有交流電壓分量的脈動電路中時，其工作特性應特別注意。電解電容在使用時，一定要符合電解電容器兩端規定的電壓極性要求。當用于級間耦合或脈沖電路時，在電容器上施加的直流電壓還要疊加交流電壓成分的幅值，在某些情況下有可能使交流分量的負峰值電壓超過正直流電壓值，從而使極性電容器處在反向工作狀態，這樣會使電容器的漏電流劇增，進而破壞正向工作特性而造成失效。因此，當電容器兩端存在脈動交流成分時，交流峰值電壓與所加直流電壓之和不應超過電容器的額定工作電壓。其原因是交流成分引起電容器的溫升發熱比直流成分嚴重的多，所以要嚴格控制紋波的大小，一般不應超過電容器額定工作電壓的百分之二十。即可對于鉭電解電容器，也應控制在百分之十以內。由于紋波電壓可使電解液極化，且對損耗電阻RS影響很大，所以要對加到電容器上的紋波峰值電壓進行有效的控制。一般技術條件規定允許的交流分量是指工頻50 Hz條件下的允許值，如果使用頻率超過上述條件，可按下面公式進行計算： 式中，Ssh為電容器外殼表面積(單位cm2)，t為一定環境溫度下允許的溫升(℃)，f偽紋波電壓的正弦頻率(Hz)，C為電容量(μF)，tgδ為實際使用頻率下的損耗角正切值。 要保證電容器可靠的工作，加到電容器上的紋波電壓應小于上式計算出來的紋波峰值電壓。由于一般有極性電容器不能承受反向電壓，所以。有極性電容器在有極性變換或純交流電路中是不容許的，而應選用無極性鉭解電容器(如CA74全密封固體鉭電容器)。無極鉭電容器實際上是用兩只有極性的鉭電容器背靠背串聯起來的，即使電容器在交流電路中始終有一支鉭電容處在正極性狀態。 2.3 電解電容器的工作頻率 電解電容器最適宜在工頻條件下做電源的濾波或在低頻電路中做旁路或級間耦合。而且電路阻抗愈低愈可靠。電解電容器工作時，相當于一個電解槽，其中一個電極是電解液。由于電解液的電阻比一般金屬電極高得多，因此，電解電容器的串聯等效電阻較大。在直流或低頻率條件下，等效串聯電阻RS和等效電感L與實際電容器的介質絕緣電阻尺RP相比可以忽略不計。而隨著頻率的升高，等效串聯電阻RS和等效電感L都會隨著增大。等效串聯電阻RS增大是由于"集膚效應"引起的。等效電感L是與頻率成正比的磁場引起的。一般情況下，頻率增加時，容抗XC的值減小，而感抗XL則增加，這表明(XC-XL)2將隨頻率的增加而減小，當頻率增加到某個頻率點(XC-XL)2=0時，阻抗Z=RS。此時電容器將出現諧振。這是電容器對電路呈現純電阻時的諧振點。當頻率高于電容器諧振點時，電容器實際上已變成一個電感而起不到電容器的作用了，所以要求一般電解電容器的使用頻率不應超過20 kHz。由于大多數材料的介電常數在頻率的影響下，其容量隨頻率的提高會大幅度下降。故當使用頻率超過20 kHz時，其所允許的交流分量已很小，電容器的容量損失非常嚴重，此時一般可選擇一只高頻瓷介或云母電容器與之并聯來作為高頻通路，電解電容器由于容量大，可作為低頻通路，其容量應大于高頻電容器容量的100倍以上。由于電容器的大多數特性都在某種程度上受到頻率的影響，所以要求使用頻率應在諧振頻率的1／2以上。使用頻率過高不僅會損耗電路中的大量能量。而且可造成電容器內芯發熱，從而影響電容器的可靠性。一般電解電容器應工作在10 kHz以下。如果使用頻率超過10 kHz，有效容量將迅速下降，直到電容阻抗變成純電阻。一般在100 Hz～100kHz范圍內，其容量隨頻率的變化，固體鉭電容器的頻率特性優于液體鉭電容器，而液體鉭電容器則在1 kHz～3 kHz范圍內，其容量隨頻率變化的下降幅度為6％，當頻率增加10 kHz以上時，下降幅度將高達65％左右。這主要是由介質材料性質所決定的。如果電解電容器不能滿足使用要求，可以采用四線電解電容器或其它介質的電容器。 2.4 適當降低使用環境溫度 在相同電壓情況下，電解電容器的漏電流及損耗隨溫度的升高而變大，當溫度從室溫25℃上升到85℃時，漏電流通常將增大3倍。電容器的漏電流及損耗是造成電容器發熱的主要原因，所以降低電容器的使用環境溫度，是延長電容器使用壽命，提高可靠性的有利措施，一般可按此溫度降額要求進行設計。鋁電解電容器應降低額定溫度20～40℃；固體鉭電容器可降低額定溫度15～25℃；液體鉭電容器應降低額定溫度15～30℃。鋁電解電容器由于在負溫下的損耗會急劇上升，所以一般額定溫度為-20℃。 2.5 防止瞬間的大電流沖擊和電路阻抗 在使用中，隨著環境溫度的增加，電容器漏流也在增大，當有大浪涌電流通過時，漏電流可能發生"雪崩"現象而使電容器損壞。為了防止這種現象發生，應增加電路的阻抗，使回路的阻抗不小于3 Ω／V。否則可靠性就會相應降低。 2.6 電容器安裝和焊接的可靠性 如果電容器是近期出廠的產品，而且可焊性已達到要求，一般不需要浸錫預處理。而如果儲存時間較長則在使用前需進行浸錫處理，浸錫處理應控制在技術規范規定的封口3.2 mm以外，并避免時間過長或溫度過高，造成封口熔化或引線與電極脫焊。對于片式電容器，還應避免使用活性高、酸性強的助焊劑，以免清洗不干凈、滲透、腐蝕和擴散而影響產品可靠性。同時應控制片式電容器的焊接溫度和時間， (一般為260℃／10秒)。電容器安裝時，應遠離發熱元件。對于尺寸較大的電容器，不能用電容器引腳來安裝，為防止在振動或沖擊中下引線斷裂或密封損壞，必要時還應設計夾持裝置來固定。安裝時，還應盡量使電容器有標志的面露出來，以便觀察。 3 結束語 電解電容器是構成軍用整機系統的最基礎元件之一，是不可取代的電子元件。選擇電解電容器必須按電子元器件的選擇原則進行，要從整機所使用的環境條件、電性能要求、體積重量、可靠性要求及成本綜合權衡。只有做到正確合理的選擇和應用電解電容器，才能保證軍用電子產品的質量和可靠性。 |
