軍用電解電容器的可靠性選擇

　　在軍用電子產(chǎn)品中，電解電容器占有相當(dāng)大的比重，其可靠性在整機(jī)中起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)國(guó)內(nèi)有關(guān)部門(mén)的統(tǒng)計(jì)，在整機(jī)故障原因中，由電容器選擇和應(yīng)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(zhì)量造成的失效約占15～45%。從以上數(shù)據(jù)可以看出，電容器失效的主要原因與選擇和使用不當(dāng)有關(guān)。因此，做好電解電容器的選擇和應(yīng)用，對(duì)保證軍工產(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)品中，為了保證整機(jī)系統(tǒng)的可靠性，選用電解電容器時(shí)，應(yīng)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(yōu)選元器件清單的產(chǎn)品(PPL);

　　(3)正確選擇元器件的質(zhì)量等級(jí);

　　(4)盡量選用標(biāo)準(zhǔn)和通用元器件，慎重選用新品種和非標(biāo)準(zhǔn)元器件;

　　(5)在提供元器件清單時(shí)，必須清楚元器件標(biāo)志的含義，避勉采購(gòu)回來(lái)的元器件不符合整機(jī)系統(tǒng)的可靠性要求。

　　設(shè)計(jì)人員在選擇電容器時(shí)，要對(duì)電解電容器的主要技術(shù)性能進(jìn)行了解，對(duì)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(chǔ)存性能以及價(jià)格等方面進(jìn)行比較。同時(shí)要注意電容器所使用的材質(zhì)，最常用的材質(zhì)是Z5U，這種材質(zhì)性能穩(wěn)定，介電系數(shù)高，電容器容量大，自諧振頻率可達(dá)到1～20MHz;最高可用到50 MHz。另一種常用的材質(zhì)是NPO，這種材質(zhì)具有很好的高頻特性，但介電常數(shù)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(diǎn)，選擇時(shí)應(yīng)有所區(qū)別。

　　鋁電解電容器的優(yōu)點(diǎn)是鋁材在我國(guó)分布廣、價(jià)格低、產(chǎn)量大、重量輕、有自愈特性。其缺點(diǎn)是介質(zhì)損耗大、絕緣性能差(漏電流大)、容量偏差大，并有擱置效應(yīng)。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(yīng)環(huán)境溫度范圍窄，尤其是負(fù)溫特性差，一般為-20℃(個(gè)別種品可達(dá)-40℃，國(guó)軍標(biāo)CDK系列為-55℃)。適用于對(duì)環(huán)境條件要求不高的一般民用電子產(chǎn)品及對(duì)可靠性要求不高的部分地面軍用電子整機(jī)。

　　鉭電解電容器與鋁電解電容器相比，其優(yōu)點(diǎn)是環(huán)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(dǎo)體器件工作電壓范圍內(nèi)(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(wěn)定、壽命長(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)勢(shì)。鉭解電容器適用于軍用電子設(shè)備，其缺點(diǎn)是價(jià)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(huán)氧樹(shù)脂包封，因而大大降低了固體鉭電容器的價(jià)格，所以，部分民用整機(jī)也已批量采用。由于CA42環(huán)氧樹(shù)脂固體鉭電容器是非密封元件，不適宜使用環(huán)境條件惡劣的軍用整機(jī)，故在軍用產(chǎn)品上應(yīng)采用全密封鉭的解電容器。

　　電解電容器介質(zhì)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(shè)備工頻電源中的濾波以及低頻電路中的旁路、耦合電容、或?qū)θ萘空`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(fā)生漏液，可能使印制板連線短路，從而引起整機(jī)發(fā)生嚴(yán)重故障，所以，軍用電子設(shè)備禁止使用液鉭電容器。 然而，隨著科技的發(fā)展，有些單位已經(jīng)基本上解決了液鉭電容器的密封問(wèn)題，液鉭電容器已達(dá)到國(guó)軍標(biāo)要求，其可靠性也已達(dá)到了六級(jí)水平。目前，在航天產(chǎn)品中已開(kāi)始采用，其它軍工產(chǎn)品可以參考。但是，液體鉭電容器在上機(jī)前一定要進(jìn)行密封檢漏篩選，并在設(shè)計(jì)時(shí)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(yīng)用

　　2.1適當(dāng)降低工作電壓

　　降低電解電容器的工作電壓是延長(zhǎng)電容器使用壽命，提高可靠性的最有效方法。因?yàn)殡娊怆娙萜鞯氖逝c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(chǎng)合最多，輸入電壓發(fā)生變化或負(fù)載突然開(kāi)路，濾波電容器兩端的電壓都會(huì)隨之發(fā)生變化，如果不進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，很可能使電容器擊穿。此外，從輸入端進(jìn)來(lái)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(duì)電容器的壽命和可靠性造成較大影響，所以，在設(shè)計(jì)時(shí)，使用時(shí)要對(duì)電解電容器的工作電壓進(jìn)行較大幅度的降額。 對(duì)電解電容器電壓的降額幅度要根據(jù)整機(jī)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(jí)，一級(jí)為額定電壓的50%;二級(jí)為60%;三級(jí)為70%。高壓大容量的電容器應(yīng)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(xiàn)介質(zhì)缺陷的機(jī)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(fù)極之分。當(dāng)用于既有直流電壓又有交流電壓分量的脈動(dòng)電路中時(shí)，其工作特性應(yīng)特別注意。電解電容在使用時(shí)，一定要符合電解電容器兩端規(guī)定的電壓極性要求。當(dāng)用于級(jí)間耦合或脈沖電路時(shí)，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(fù)峰值電壓超過(guò)正直流電壓值，從而使極性電容器處在反向工作狀態(tài)，這樣會(huì)使電容器的漏電流劇增，進(jìn)而破壞正向工作特性而造成失效。因此，當(dāng)電容器兩端存在脈動(dòng)交流成分時(shí)，交流峰值電壓與所加直流電壓之和不應(yīng)超過(guò)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(fā)熱比直流成分嚴(yán)重的多，所以要嚴(yán)格控制紋波的大小，一般不應(yīng)超過(guò)電容器額定工作電壓的百分之二十。即可對(duì)于鉭電解電容器，也應(yīng)控制在百分之十以內(nèi)。由于紋波電壓可使電解液極化，且對(duì)損耗電阻RS影響很大，所以要對(duì)加到電容器上的紋波峰值電壓進(jìn)行有效的控制。一般技術(shù)條件規(guī)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(guò)上述條件，可按下面公式進(jìn)行計(jì)算：

　　式中，Ssh為電容器外殼表面積(單位cm2)，t為一定環(huán)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(shí)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(yīng)小于上式計(jì)算出來(lái)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(yīng)選用無(wú)極性鉭解電容器(如CA74全密封固體鉭電容器)。無(wú)極鉭電容器實(shí)際上是用兩只有極性的鉭電容器背靠背串聯(lián)起來(lái)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(tài)。

　　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(jí)間耦合。而且電路阻抗愈低愈可靠。電解電容器工作時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)電解槽，其中一個(gè)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(lián)等效電阻較大。在直流或低頻率條件下，等效串聯(lián)電阻RS和等效電感L與實(shí)際電容器的介質(zhì)絕緣電阻尺RP相比可以忽略不計(jì)。而隨著頻率的升高，等效串聯(lián)電阻RS和等效電感L都會(huì)隨著增大。等效串聯(lián)電阻RS增大是由于"集膚效應(yīng)"引起的。等效電感L是與頻率成正比的磁場(chǎng)引起的。一般情況下，頻率增加時(shí)，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(dāng)頻率增加到某個(gè)頻率點(diǎn)(XC-XL)2=0時(shí)，阻抗Z=RS。此時(shí)電容器將出現(xiàn)諧振。這是電容器對(duì)電路呈現(xiàn)純電阻時(shí)的諧振點(diǎn)。當(dāng)頻率高于電容器諧振點(diǎn)時(shí)，電容器實(shí)際上已變成一個(gè)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(yīng)超過(guò)20 kHz。由于大多數(shù)材料的介電常數(shù)在頻率的影響下，其容量隨頻率的提高會(huì)大幅度下降。故當(dāng)使用頻率超過(guò)20 kHz時(shí)，其所允許的交流分量已很小，電容器的容量損失非常嚴(yán)重，此時(shí)一般可選擇一只高頻瓷介或云母電容器與之并聯(lián)來(lái)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(yīng)大于高頻電容器容量的100倍以上。由于電容器的大多數(shù)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(yīng)在諧振頻率的1/2以上。使用頻率過(guò)高不僅會(huì)損耗電路中的大量能量。而且可造成電容器內(nèi)芯發(fā)熱，從而影響電容器的可靠性。一般電解電容器應(yīng)工作在10 kHz以下。如果使用頻率超過(guò)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(nèi)，其容量隨頻率的變化，固體鉭電容器的頻率特性優(yōu)于液體鉭電容器，而液體鉭電容器則在1 kHz～3 kHz范圍內(nèi)，其容量隨頻率變化的下降幅度為6%，當(dāng)頻率增加10 kHz以上時(shí)，下降幅度將高達(dá)65%左右。這主要是由介質(zhì)材料性質(zhì)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(zhì)的電容器。

　　2.4適當(dāng)降低使用環(huán)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(dāng)溫度從室溫25℃上升到85℃時(shí)，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(fā)熱的主要原因，所以降低電容器的使用環(huán)境溫度，是延長(zhǎng)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(jìn)行設(shè)計(jì)。鋁電解電容器應(yīng)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(yīng)降低額定溫度15～30℃。鋁電解電容器由于在負(fù)溫下的損耗會(huì)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(huán)境溫度的增加，電容器漏流也在增大，當(dāng)有大浪涌電流通過(guò)時(shí)，漏電流可能發(fā)生"雪崩"現(xiàn)象而使電容器損壞。為了防止這種現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)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(huì)相應(yīng)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(chǎn)品，而且可焊性已達(dá)到要求，一般不需要浸錫預(yù)處理。而如果儲(chǔ)存時(shí)間較長(zhǎng)則在使用前需進(jìn)行浸錫處理，浸錫處理應(yīng)控制在技術(shù)規(guī)范規(guī)定的封口3.2 mm以外，并避免時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或溫度過(guò)高，造成封口熔化或引線與電極脫焊。對(duì)于片式電容器，還應(yīng)避免使用活性高、酸性強(qiáng)的助焊劑，以免清洗不干凈、滲透、腐蝕和擴(kuò)散而影響產(chǎn)品可靠性。同時(shí)應(yīng)控制片式電容器的焊接溫度和時(shí)間， (一般為260℃/10秒)。電容器安裝時(shí)，應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。對(duì)于尺寸較大的電容器，不能用電容器引腳來(lái)安裝，為防止在振動(dòng)或沖擊中下引線斷裂或密封損壞，必要時(shí)還應(yīng)設(shè)計(jì)夾持裝置來(lái)固定。安裝時(shí)，還應(yīng)盡量使電容器有標(biāo)志的面露出來(lái)，以便觀察。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　電解電容器是構(gòu)成軍用整機(jī)系統(tǒng)的最基礎(chǔ)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(jìn)行，要從整機(jī)所使用的環(huán)境條件、電性能要求、體積重量、可靠性要求及成本綜合權(quán)衡。只有做到正確合理的選擇和應(yīng)用電解電容器，才能保證軍用電子產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。