电解电容寿命 短命的铝电解电容 寿命计算

一、铝电解电容器的定义

铝电解电容器是一种有正负电极的电容器。铝电解电容器的基本结构是由一层阳极铝箔、一层阴极铝箔、一层浸有电解液的衬纸和一层天然氧化膜叠加缠绕而成的电容器。电极用电解液浸泡后，用铝壳和橡胶盖密封。

控制纹波电压所需的电容为:

铝电解电容器与其他电容器相比，损耗更大，所以纹波电流会引起内部发热。纹波电流产生的热量会使温度升高，所以对产品寿命影响很大。因此，需要根据不同的产品提前设定最大允许纹波电流值。施加的纹波电流的加热程度可以通过以下计算公式获得。

W=Ir2*ESR+V*IL

w:内部功耗

Ir:纹波电流

等效串联电阻(等效串联电阻)

电压:外加电压

伊尔:漏电流

在最高使用温度下，漏电流增加到20℃时的5~10倍，但Ir≥IL，则W = IR2 ESR。如果需要内部加热和放热达到平衡的条件，那么

ir2 R =β* A *δT

β:放热常数

a:外壳表面积(m2)

A=π/4 D(D+4L)

d:外壳直径(m)

l:外壳长度(m)

δT:温度因纹波电流而升高(℃)

然后，内部加热δ t =

Ir2等效串联电阻

β*A

此外，在120赫兹的纹波电流的加热可以通过等式(7)获得:

△T=

Ir2等效串联电阻

=

Ir2 tanδ

βA

βAωC

ωC

tanδ:120赫兹时的损耗

ω: 2 π f (f等于120Hz)

120赫兹时的电容

ESR值随温度的变化而变化。因此，要获得正确的△T，必须实际测量热电偶值。

考虑到纹波电流和环境温度引起的内部发热的影响，NIPPON-CHEMICAON的寿命估算公式为:

a)施加DC标称电压时的保证寿命为

Lx=Lo×2

发送至

×2

-△T

10

五

(补丁类型)

b)允许纹波电流重叠时的保证寿命为

Lx=Lr×2

发送至

×2

△To-△T

10

五

(引线型，衬底自支撑型)

c)

Lx=Lr×2

发送至

×2

-2+(25-△T)/b

10

(螺旋端子型)

Lr:波纹电流在最高使用温度下重叠时的保证寿命(小时)

Lx:实际使用的预计寿命(小时)

To:产品的最高使用温度(℃)

Tx:实际使用环境温度(℃)

t:纹波电流引起的铁芯中心发热程度(℃)

To:施加允许纹波电流时铁芯中心的加热程度(℃)

※关于TX(实际使用环境温度)的注意事项

在温度加速试验中，确认10℃的双判据在最高使用温度40℃范围内。

从市场返回产品的测量结果可以看出，10℃双判据在20~25℃范围内都可以使用，但应用中的环境条件大多不清楚，所以如果温度低于40℃，请以40℃作为寿命预测。

※关于δ t(纹波电流引起堆芯中心发热)的注意事项

环境温度+纹波电流引起的铁芯中心发热限值

不同温度下堆芯中心加热的限值示例

环境温度(℃)

40

55

65

八十五

105

δT(℃)

30

30

25

15

五

即最高使用温度为105℃，纹波电流产生的热量达到最大限值5℃(共110℃)，环境温度为65℃时纹波电流产生的热量最大为25℃(共90℃)。这两种情况的使用寿命是一样的。

要获得纹波电流自发热值，应使用热电偶测量电容器芯中心的温度和电容器周围的温度，二者之差即为纹波电流自发热值，因此计算值最正确。但是在实际的机器中测量电容器内部的温度是非常困难的，所以首先测量电容器外壳侧面的温度，然后利用温差系数来估算铁芯中心的温度。

不同壳体直径的温差系数

电容器外径φ d (mm)

五

6.3

八

10

12.5

16

18

22

25

温差系数

1.1

1.1

1.1

1.15

1.2

1.25

1.3

1.35

1.4

电容器外径φ d (mm)

30

35

40

50

63.5

76

八十九

100

温差系数

1.5

1.65

1.75

1.9

2.2

2.5

2.8

3.1

需要作出更准确的寿命推测的话，请使用实际测量值。另外，也可以用公式（12）算出纹波电流产生的自身发热值ΔT。最高使用温度、多数系列的ΔT0=5℃。至于其他系列请参照供应商资料。

δT =(IX/I0)2×δT0…………(12)

I0:在最高使用温度下通过频率校正的额定纹波电流(臂)

九:实际使用中的纹波电流(臂)

当铝电解电容器商用电源的频率分量与开关电源中的开关频率分量重叠时，其内部功耗如下所示。※.

w = I(f1)2×ESR(f1)+I(F2)2×ESR(F2)+…+I(fn)2×ESR(fn)

w:消耗的电能

I(f1)，I(f2)…I(fn):不同频率下的纹波电流值(臂)

ESR(f1)、ESR(f2)… ESR(fn):各种不同频率下的等效串联电阻值(ω)

设各频率下的频率修正系数为f (fn)，F0为纹波电流基准的频率，这样ESR(fn)=ESR(f0)/ F(fn)2的关系成立；基于每个频率分量的纹波电流值的频率的纹波电流有效值(f0)由以下公式转换

I(F0)=√【{ { I(f1)/F(f1)} 2+{ I(F2)/F(F2)} 2+……{ I(fn)/F(fn)} 2 }】

I(f0):转换后的参考频率纹波电流值(安)

F(f1)，F(f2)…… F(fn):各种频率下的频率校正系数F(F2)……F(fn

额定纹波电流值一般用120HZ正弦波有效值归一化。内阻(ESR)保持频率特性，允许纹波电流值根据频率的变化而变化。

标称电容(μF)

频率(HZ)

120

1K

10K

50-100K

低于180μF

频率校正系数

0.40

0.75

0.90

1.00

220~560μF

0.50

0.85

0.94

1.00

680~1800μF

0.60

0.87

0.95

1.00

2200~3900μF

0.75

0.90

0.95

1.00

超过4700μF

0.85

0.95

0.98

1.00

频率校正系数示例(由制造商CHEMICON提供的嵌入式SMQ系列)

标称电容(μF)

频率(HZ)

50

120

300

1K

10K

50-100K

低于4.7μF

频率校正系数

0.65

1.00

1.35

1.75

2.30

2.50

10~68μF

0.75

1.00

1.25

1.50

1.75

1.80

100~1000μF

0.80

1.00

1.15

1.30

1.40

1.50

超过200μF

0.85

1.00

1.03

1.05

1.08

1.08

4.影响生活的其他因素

铝电解电容器的电解液会通过密封部分向外扩散，由此产生的磨损故障成为决定寿命的重要原因。除了前面提到的环境温度和纹波电流两个原因外，加速这种现象还有以下几个原因。

4.1过压

如果持续施加超过额定电压的过电压，产品的漏电流会迅速增加。泄漏电流产生热量和气体，导致内部压力上升。这种反应会根据施加的电压、电源的电流容量和环境温度的升高而加速，有时会导致压力阀松动甚至损坏。即使电容器的外观没有异常，其寿命也会缩短。

电容器串联使用时，漏电流偏离分压，变得不均匀，个人容易施加过电压。在这种情况下，必须采取诸如选择额定电压以估计不平衡或连接均压电阻等措施。

建议选用均压电阻:R = VW /3I漏电流

目前，由于节能的要求，均压电阻阻值的选择越来越大，对电容容量和漏电流一致性的要求也越来越高。

4.2反向电压

当施加反向电压时，电压被施加到阴极箔而没有化学膜形成，并且导电氧化物膜被强制形成，这将导致发热和气体产生，如在过压的情况下，导致电容急剧减小和损耗角增加。

阴极反应:4OH-4e = 2H2O+O2+热量

3O2 + 4Al = 2Al2O3

阳极反应:2H++2e =H2

过大的反向电压和电流会产生气体，损坏阳极箔和压力阀。如果压力阀来不及打开，就会爆炸。

4.3充电和放电

一般产品用于频闪闪光灯频繁开关，铆接机充放电电路，高输出功率AV机电源电路。由于放电电流，阴极箔的形成和电容急剧下降。此外，阴极箔形成时产生的内部热量和气体会导致压力阀松动甚至损坏。温度越高，放电电阻越低，施加的电压越高，充放电频率越快，产品劣化越快。

通常，当铝电解电容器被放置在强充放电电路中时，阴极箔形成膜，并且电容由于充电后的放电而迅速降低。阴极侧和阳极侧短路，原本储存在阳极侧的电荷瞬间向阴极箔侧移动。此时，为了均衡两侧箔的电压，阴极箔侧逐渐变得。这与施加反向电压的状态相同。

1.通常的充电状态

2.如果电源V1关闭并放电，阳极箔侧的电荷将移动到阴极箔侧。既然总电荷不变，即Q = C+V2+C-V2，那么

C+ V1=C+ V2+C- V2

V2=

C+ V1

C++ C-

在16v和10000μ f的情况下，假设外加电压为13V，如果电容器尺寸为φ50×80L，阳极箔为5.3μF/cm2，阴极箔为100μF/cm2，则

V2=5.3*13/(5.3+100)=0.65(伏)

如果制造φ35×50L尺寸的电容器，阳极箔必须使用高速箔，阳极箔为11.5μF/cm2，阴极箔为100μF/cm2，那么

V2=11.5×13 /(11.5+100)=1.34(伏)

因此，当使用高速率阳极箔时，放电时会在阴极箔上产生较高的电压，加速阴极形成反应，导致发热和压力阀松动。在小型化的情况下，需要使用高速率的阴极箔或带有氧化膜的阴极箔。

4.4脉冲电流

如果经常重复操作，情况与施加纹波电流相同，铁芯发热程度超过允许值，外接端子的连接部位和电容器内部引线与箔片的连接部位会出现异常发热，需要注意。

4.5交流电路

如果在交流电路中使用铝电解电容器，电容器内部会迅速产生气体，伴随着发热和内部压力上升，进而导致压力阀动作，电解液从密封部位泄漏，甚至最坏的情况有时会导致爆炸、可燃物飞扬，有时会短路。因此，请不要在交流电路中使用。

V.铝电解电容器寿命的其他估算方法

电容器寿命估算的一般步骤，当然如果产品已经设计好了，我们还有另外一种估算电容器寿命的方法，就是现有的产品。我们可以检查电容器寿命设计是否合理。我们可以测试电容器中心点的温度，然后通过电容器寿命的计算公式进行检查。