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  • 如何計(jì)算電解電容使用壽命
    如何計(jì)算電解電容使用壽命
  • 如何計(jì)算電解電容使用壽命
  •   發(fā)布日期: 2018-10-08  瀏覽次數(shù): 1,585

    作為電子產(chǎn)品的重要部件電解電容,在開關(guān)電源中起著不可或缺的作用,它的使用壽命和工作狀況與開關(guān)電源的壽命息息相關(guān)。

    在大量的生產(chǎn)實(shí)踐與理論探討中,當(dāng)開關(guān)電源中電容發(fā)生損壞,特別是電解電容冒頂,電解液外溢時(shí),電源廠家懷疑電容質(zhì)量有問題,而電容廠家說電源設(shè)計(jì)不當(dāng),雙方爭(zhēng)執(zhí)不下。

     

    以下就電解電容的使用壽命和使用安全作些分析,給電子工程師提供一些判斷依據(jù)。

    1、阿列紐斯(Arrhenius)

    1.1 阿列紐斯方程

    阿列紐斯方程是用來描述化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)速率隨溫度變化關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。電解電容內(nèi)部是由金屬鋁等和電解液等化學(xué)物質(zhì)組成的,所以電解電容的壽命與阿列紐斯方程密切相關(guān)。

    阿列紐斯方程公式: k=Ae-Ea/RT 或lnk=lnA—Ea/RT (作圖法)

    ●K 化學(xué)反應(yīng)速率

    ●R 為摩爾氣體常量

    ●T 為熱力學(xué)溫度

    ●Ea 為表觀活化能

    ●A 為頻率因子

    1.2 阿列紐斯結(jié)論

    根據(jù)阿列紐斯方程可知,溫度升高,化學(xué)反應(yīng)速率(壽命消耗)增大,一般來說,環(huán)境溫度每升高10℃,化學(xué)反應(yīng)速率(K 值) 將增大2-10 倍,即電容工作溫度每升高10℃,電容壽命減小一倍,電容工作溫度每下降10℃,其壽命增加一倍,所以,環(huán)境溫度是影響電解電容壽命的重要因素。

    2、電解電容使用壽命分析

    1)公式:

    根據(jù)阿列紐斯方程結(jié)論可知,電解電容使用壽命計(jì)算公式如下:

    如何計(jì)算電解電容使用壽命

    ●L 環(huán)境溫度為T 時(shí)電解電容使用壽命(hour)

    ●L0 最大溫度時(shí)電解電容的額定壽命(hour)

    ●T0 電解電容額定最高使用溫度(deg℃)

    ●T 環(huán)境溫度(deg℃)

    ●T0-T 溫升(deg℃)

    2)分析:

    根據(jù)公式(1)可知

    當(dāng)電解電容工作溫度在最高使用溫度工作時(shí)(即T0=T)時(shí),由公式(1)計(jì)算得到電解電容最小使用壽命為L(zhǎng)=L0×20=L0即等于額定壽命,比如 8000小時(shí),8000/8760=0.9年。

    當(dāng)電解電容工作溫度低于最高使用溫度10℃時(shí),由公式(1)計(jì)算得到電解電容使用壽命為L(zhǎng)=L0×2[T0-(T0-10℃)]/10℃=L0×21即等于額定壽命的2倍,即16000小時(shí),16000/8760=1.8264年。

    可見,電解電容使用壽命計(jì)算公式符合阿列紐斯方程結(jié)論

    3、電解電容使用壽命計(jì)算

    在電子產(chǎn)品中,影響電解電容壽命的因素有環(huán)境溫度T 和紋波電流Irms。

    電容承擔(dān)的負(fù)載功率與紋波電流成正比,負(fù)載越大,紋波電流越大(電解充放電越深),內(nèi)部氧化膜分解時(shí)發(fā)熱越厲害,修補(bǔ)時(shí)電解液消耗越多。見圖1

    紋波電流越大引起的發(fā)熱越大,所以紋波電流引起的發(fā)熱在電解電容壽命計(jì)算中要考慮。

    如何計(jì)算電解電容使用壽命

    3.1 紋波電流計(jì)算

    1)電容容量

    如何計(jì)算電解電容使用壽命

    2)充電時(shí)間

    如何計(jì)算電解電容使用壽命

    3)放電時(shí)間

    如何計(jì)算電解電容使用壽命

    4)充電電流

    如何計(jì)算電解電容使用壽命

    如何計(jì)算電解電容使用壽命

    5)放電電流

    如何計(jì)算電解電容使用壽命

    如何計(jì)算電解電容使用壽命

    6)紋波電流

    如何計(jì)算電解電容使用壽命

    3.2 功率損耗計(jì)算得到

    如何計(jì)算電解電容使用壽命

    3.3 電解電容發(fā)熱公式

    達(dá)到熱平衡時(shí)容器中心溫度T0 和環(huán)境溫度T 的溫升由散熱方式(空氣散熱、容器散熱)和耗散功率PD 決定,用熱阻來描述,熱阻(Thermal Resistance)Rq ,單位(℃/W):

    如何計(jì)算電解電容使用壽命

    ●△T 加紋波電流I 時(shí)電解電容自身發(fā)熱(deg℃)

    ● I 實(shí)際工作紋波電流(A rms),

    ●β散熱系數(shù)(W/℃ Cm2)

    ●S電解電容的表面積(cm2)

    ●R 電解電容等效阻抗(ESR Ω)

    3.4 合成紋波電流計(jì)算

    因?yàn)閷?shí)際電路中,紋波電流包含有各種頻率波形的紋波電流,所以對(duì)實(shí)際電路紋波電流的計(jì)算應(yīng)該由合成紋波電流Irms 得到:

    如何計(jì)算電解電容使用壽命

    3.5 額定工作溫度

    電解電容的行業(yè)規(guī)定,在額定溫度T0下,加上允許額定紋波電流I 產(chǎn)生的最大發(fā)熱△t≤5 deg℃

    因此實(shí)際紋波電流為Ir 時(shí),電容器自身的發(fā)熱是

    如何計(jì)算電解電容使用壽命

    ●△t 為額定溫度下加上額定紋波電流時(shí)電容器允許最大溫升(deg℃)

    ●Ir 電容器額定紋波電流(Arms)

    ●I 為(計(jì)算的)實(shí)際工作紋波電流( Arms)

    3.6 電解電容壽命計(jì)算

    由上面的分析可知,考慮紋波電流后的電解電容的壽命計(jì)算公式最后為:

    如何計(jì)算電解電容使用壽命

    ●T0 為額定溫度(比如105℃)

    ●Δt 為額定溫度時(shí)最大允許溫升5℃

    ●T 為環(huán)境工作溫度(比如55℃)

    ●ΔT 為T 溫度時(shí)紋波電流產(chǎn)生的發(fā)熱值(比如20℃)

    4、舉例

    一電容ED33uF/200V/105℃,額定壽命L0=8000 小時(shí),允許紋波電流I=195mA/120Hz,在環(huán)境為55℃的110V/60Hz 電路中應(yīng)用。

    1.三角波

    如何計(jì)算電解電容使用壽命

    2.弦波

    如何計(jì)算電解電容使用壽命

    3.合成

    如何計(jì)算電解電容使用壽命

    4.發(fā)熱

    如何計(jì)算電解電容使用壽命

    5、壽命

    1)不考慮紋波電流的使用壽命

    如何計(jì)算電解電容使用壽命

    2)考慮紋波電流的實(shí)際使用壽命

    如何計(jì)算電解電容使用壽命

    5、結(jié)論

    由上面例子計(jì)算可知,紋波電流對(duì)電解電容壽命的影響是非常大的,電路工程師在設(shè)計(jì)使用電解電容時(shí),不但要考慮電容工作的環(huán)境溫度,還要考慮電路紋波電流對(duì)電解電容壽命帶來的影響,盡可能的延長(zhǎng)電解電容的使用壽命。

    電路呈容性或強(qiáng)感性會(huì)影響到三極管等安全切換,使晶體管損耗加重,發(fā)熱增大,并在電解電容上疊加有很高的單尖鋒紋波電流,充放電紋波電流變窄變高,最后使電解電容嚴(yán)重發(fā)熱直至損壞,表現(xiàn)為冒頂﹑冒汽﹑漏液或爆炸。

    盡量選擇質(zhì)量好的電解電容,密封性能好的電容,切不可使用壽命減半的拆件電解電容。給電解電容一個(gè)安全的工作環(huán)境,合理的設(shè)計(jì),才是解決電解電容冒頂﹑冒汽﹑漏液以延長(zhǎng)壽命的解決之道。


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