آشنایی با خازن های شعاعی
خازن های الکترولیتی شعاعی از رایج ترین اجزای الکترونیکی موجود در طرح های مدار مدرن هستند. این اجزای استوانه ای با دو سرب که از همان انتها بیرون می آیند ، نقش مهمی در فیلتر منبع تغذیه ، ذخیره انرژی و برنامه های اتصال سیگنال دارند. خازن های شعاعی بر خلاف همتایان محوری آنها با سرب در انتهای مخالف ، ردیابی فشرده تری را ارائه می دهند که باعث می شود آنها برای پر جمعیت متراکم ایده آل شوند تابلوهای مدار چاپی (PCB).
اصطلاح "الکترولیتیک" به روش ساخت آنها اشاره دارد که از یک الکترولیت برای دستیابی به مقادیر خازنی به طور قابل توجهی بالاتر از سایر انواع خازن استفاده می کند. این امر باعث می شود آنها در برنامه هایی که نیاز به ذخیره انرژی قابل توجهی یا مؤثر دارند ، به ویژه ارزشمند باشد فیلتر جریان جریان در مدارهای منبع تغذیه.
توسعه تاریخی
توسعه خازن های الکترولیتی مدرن در اوایل قرن بیستم آغاز شد. اولین خازن الکترولیتی عملی توسط ساموئل روبن در سال 1925 ثبت شد که از یک دی الکتریک تانتالوم پنتوکسید استفاده کرد. خازن های الکترولیتی آلومینیوم به زودی پس از آن ، اولین خازن های الکترولیتی مرطوب در دهه 1930 ظاهر شدند. پیکربندی سرب شعاعی در دهه 1960 محبوبیت پیدا کرد زیرا دستگاه های الکترونیکی در حالی که در پیچیدگی افزایش می یافتند ، در اندازه کوچک می شوند.
اصول اساسی
در هسته آنها ، خازن های الکترولیتی بر اساس همان اصل اساسی مانند همه خازن ها عمل می کنند: ذخیره انرژی در یک میدان الکتریکی بین دو صفحه هدایت جدا شده توسط یک ماده دی الکتریک. آنچه خازن های الکترولیتی را منحصر به فرد می کند این است که یک "صفحه" در واقع یک محلول الکترولیت است و دی الکتریک یک لایه اکسید بسیار نازک است که روی آند فلزی تشکیل می شود. این ساخت و ساز مقادیر خازن بسیار بالاتری را در حجم کمتری در مقایسه با سایر انواع خازن فراهم می کند.
ساخت و ساز و مواد
درک ساخت داخلی خازن های الکترولیتی شعاعی برای انتخاب و کاربرد مناسب ضروری است. این خازن ها از چندین مؤلفه کلیدی تشکیل شده اند:
آند و کاتد
آند به طور معمول از فویل آلومینیوم یا تانتالوم ساخته شده است که برای افزایش سطح آن به صورت الکتروشیمیایی اچ شده است. این فرآیند اچ ، منافذ و دره های میکروسکوپی ایجاد می کند که به طور چشمگیری سطح موثر را افزایش می دهد ، گاهی اوقات با ضریب 100 یا بیشتر. کاتد به طور معمول یک کاغذ خیس الکترولیت یا یک پلیمر رسانا است.
لایه دی الکتریک
دی الکتریک یک لایه اکسید است که از طریق یک فرآیند الکتروشیمیایی به نام "تشکیل" روی سطح آند تشکیل می شود. برای الکترولیتیک آلومینیوم ، این اکسید آلومینیوم (Al₂o₃) با ضخامت حدود 1 نانومتر در ولت ولتاژ دارای امتیاز است. این لایه فوق العاده نازک همان چیزی است که مقادیر خازن بالا را امکان پذیر می کند.
ترکیب الکترولیت
الکترولیت به عنوان کاتد واقعی در خازن های الکترولیتی مرطوب عمل می کند. الکترولیتهای مدرن مخلوط های شیمیایی پیچیده ای هستند که برای:
- قابلیت هدایت زیاد
- ویسکوزیته کم برای آغشته سازی خوب
- ثبات شیمیایی بیش از دما
- فشار بخار کم برای به حداقل رساندن خشک شدن
- سازگاری با لایه اکسید
محاصره و آب بندی
عنصر خازن در یک قوطی آلومینیوم با یک مهر و موم لاستیکی یا پلیمر در پایه بسته می شود. مهر و موم باید در صورت تولید فشار در صورت تولید گاز داخلی ، از نشت الکترولیت جلوگیری کند. در صورت فشار بیش از حد فشار داخلی ، خازن های مدرن اغلب شامل دریچه های ایمنی هستند که به صورت کنترل شده پارگی می کنند.
مشخصات و پارامترهای اصلی
درک مشخصات خازن برای انتخاب مؤلفه مناسب بسیار مهم است. در اینجا مهمترین پارامترها برای خازن های الکترولیتی شعاعی وجود دارد:
| پارامتر | شرح | دامنه معمولی | اهمیت |
| خازن | ظرفیت ذخیره سازی شارژ | 0.1μF تا 100000μF | ذخیره انرژی و فیلتر کردن اثربخشی را تعیین می کند |
| ولتاژ دارای امتیاز | حداکثر ولتاژ DC مداوم | 6.3 ولت تا 550 ولت | برای قابلیت اطمینان و ایمنی بسیار مهم است |
| جریان | حداکثر جریان AC در فرکانس مشخص شده | Milliamps به Amps | توانایی کنترل برق را تعیین می کند |
| مقاومت سری معادل (ESR) | مقاومت داخلی در فرکانس مشخص شده | 5mΩ تا 5Ω | بر تولید گرما و راندمان فیلتر تأثیر می گذارد |
| جریان جریان | جریان DC از طریق دی الکتریک | Microamps به Milliamps | برای برنامه های حساس به انرژی مهم است |
| دامنه دما | محدودیت دمای کار | -40 درجه سانتیگراد تا 105 درجه سانتیگراد (تا 125 درجه سانتیگراد/150 درجه سانتیگراد گسترش یافته است) | مناسب بودن محیط زیست را تعیین می کند |
| طول عمر | عمر خدمت مورد انتظار در دمای دارای درجه | 1000 تا 20،000 ساعت | برای برنامه ریزی نگهداری بسیار مهم است |
تحمل ظرفیت
خازن های الکترولیتی به طور معمول تحمل گسترده تری نسبت به سایر انواع خازن دارند ، معمولاً برای قطعات استاندارد -20 تا 80 ٪. این به دلیل فرآیندهای پیچیده الکتروشیمیایی درگیر در ساخت آنها است. الکترولیتیک با دقت بالا با تحمل های محکم تر (10 ± یا بهتر) برای برنامه هایی که مقادیر خازن دقیق بسیار مهم هستند ، در دسترس هستند.
ESR و امپدانس
مقاومت سری معادل (ESR) یکی از مهمترین پارامترهای انتخاب خازن مدرن است ، به خصوص برای منبع تغذیه حالت سوئیچ برنامه ها ESR نشان دهنده مجموع تمام تلفات مقاومت داخلی است و باعث اتلاف انرژی به شکل گرما می شود. مقادیر پایین ESR به خازن ها اجازه می دهد تا جریان های موج دار بالاتر را کنترل کرده و کولر کار کنند.
اثرات دما
دما تأثیر قابل توجهی در عملکرد خازن الکترولیتی دارد. با کاهش دما:
- ظرفیت کاهش می یابد (می تواند 20-50 ٪ در -40 درجه سانتیگراد کاهش یابد)
- ESR به طور قابل توجهی افزایش می یابد (می تواند 10 برابر یا بیشتر در -40 درجه سانتیگراد افزایش یابد)
- جریان نشت کاهش می یابد
در دماهای بالا ، برعکس اتفاق می افتد ، اما واکنش های شیمیایی شتاب می گیرند و باعث کاهش عمر عمل می شوند. معادله Arrheحرفius پیش بینی می کند که عمر خازن برای هر 10 درجه سانتیگراد در دمای کار بالاتر از دمای درجه بندی افزایش می یابد.
مزایا و معایب
مزایا
- نسبت خازن بالا به حجم: بالاترین مقادیر خازن موجود در بسته های کوچک را ارائه دهید
- مقرون به صرفه: به طور کلی نسبت به سایر فن آوری های خازن ارزان تر از هر میکروفراد ارزان تر است
- دامنه ولتاژ گسترده: با رتبه بندی از چند ولت تا چند صد ولت در دسترس است
- خواص خود درمانی خوب: نقص دی الکتریک جزئی را می توان در حین کار تعمیر کرد
- سهولت استفاده: پیکربندی ساده دو سرب با مارک های قطبی روشن
- پاسخ فرکانس خوب: مناسب برای طیف گسترده ای از برنامه ها از DC تا فرکانس های متوسط
معایب
- حساسیت قطبیت: برای جلوگیری از آسیب باید با قطبیت صحیح در ارتباط باشد
- ماندگاری محدود: الکترولیت می تواند به مرور زمان خشک شود ، به خصوص در دماهای بالا
- جریان نشت بالاتر: در مقایسه با خازن های فیلم یا سرامیکی
- طول عمر محدود: تبخیر الکترولیت در نهایت باعث خرابی می شود
- حساسیت دما: پارامترهای عملکرد با دما به طور قابل توجهی تغییر می کنند
- محدودیت های ESR: به طور کلی ESR بالاتر از خازن های پلیمر یا سرامیکی است
کاربردهای خازن شعاعی
فیلتر منبع تغذیه
متداول ترین کاربرد برای خازن های الکترولیتی شعاعی در مدارهای منبع تغذیه است ، جایی که آنها ولتاژ AC اصلاح شده را صاف می کنند تا یک منبع DC پایدار ایجاد کنند. آنها نوسانات ولتاژ را جذب می کنند و جریان آنی را در طول تقاضای اوج فراهم می کنند.
تجهیزات صوتی
در مدارهای صوتی ، از الکترولیتیک برای اتصال و جدا کردن برنامه ها استفاده می شود. آنها DC را مسدود می کنند و در حالی که اجازه می دهند سیگنال های AC عبور کنند ، اتصال مرحله به مرحله را بدون تأثیر ولتاژ تعصب امکان پذیر می کنند.
مدارهای شروع موتور
موتورهای AC تک فاز اغلب از خازن های الکترولیتی برای ایجاد تغییر فاز مورد نیاز برای شروع استفاده می کنند. این خازن ها باید جریان های بالایی را اداره کنند و به طور خاص برای برنامه های حرکتی طراحی شده اند.
مبدل های DC-DC
منبع تغذیه حالت سوئیچ از الکترولیتیک برای فیلتر ورودی و خروجی استفاده می کند. توانایی خازن در رسیدگی به جریان های بالا موج دار ، آن را برای این برنامه ها ایده آل می کند.
ذخیره انرژی
در برنامه های کاربردی که نیاز به تهیه نسخه پشتیبان از انرژی کوتاه مدت یا جریان های پالس بالا دارند ، الکترولیتیک راه حل های ذخیره انرژی جمع و جور را ارائه می دهد. مثالها شامل مدارهای فلش دوربین و سیستم های تهویه قدرت است.
جفت سیگنال
در مدارهای آنالوگ ، از الکترولیتیک برای عبور سیگنال های AC در حالی که مسدود کردن اجزای DC استفاده می شود ، استفاده می شود. مقادیر بالای ظرفیت آنها به آنها امکان می دهد تا در فرکانس های پایین به طور مؤثر کار کنند.
معیارهای انتخابی
انتخاب خازن الکترولیتی شعاعی راست نیاز به بررسی دقیق چندین عامل دارد:
رتبه ولتاژ
یک خازن را با رتبه ولتاژ حداقل 20-50 ٪ بالاتر از حداکثر ولتاژ مورد انتظار در مدار انتخاب کنید. این محروم از سنبله های ولتاژ ، گذرا و قابلیت اطمینان طولانی مدت است. کار در نزدیکی یا در ولتاژ دارای امتیاز ، عمر خازن را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.
مقدار ظرفیت
ظرفیت مورد نیاز را بر اساس برنامه تعیین کنید:
- برای فیلتر منبع تغذیه ، بر اساس ولتاژ موج دار قابل قبول محاسبه کنید
- برای مدارهای زمان بندی ، بر اساس ثابت زمان مورد نیاز محاسبه کنید
- برای جداشدن ، توصیه های سازنده را برای IC های خاص دنبال کنید
ملاحظات دما
خازن ها را برای حداکثر دمای کار در برنامه خود انتخاب کنید. به یاد داشته باشید که دمای داخلی به دلیل گرم شدن از جریان موج دار می تواند به طور قابل توجهی بالاتر از محیط باشد. برای برنامه های با قابلیت اطمینان بالا ، خازن های دارای امتیاز برای 105 درجه سانتیگراد را به جای 85 درجه سانتیگراد انتخاب کنید.
الزامات طول عمر
طول عمر مورد انتظار را با استفاده از فرمول محاسبه کنید:
سعادت 2 = L 1 × 2 ( 1 -s -t 2 )/10 × (VR 1 /VR 2 ) n
در جایی که T درجه حرارت در درجه سانتیگراد است ، VR ولتاژ کار می کند ، و N یک عامل شتاب ولتاژ است (به طور معمول 3-7).
نصب و راه اندازی
نصب و جابجایی مناسب برای قابلیت اطمینان بسیار مهم است:
ملاحظات طرح PCB
هنگام طراحی PCB برای الکترولیتهای شعاعی:
- برای تهویه ، ترخیص کالا از گمرک کافی بین خازن ها را حفظ کنید
- در صورت امکان از منابع گرما دور شوید
- توصیه های سازنده را برای اندازه و فاصله پد دنبال کنید
- از ناحیه مس کافی برای اتلاف گرما اطمینان حاصل کنید
تکنیک های لحیم کاری
لحیم کاری مناسب برای جلوگیری از آسیب ضروری است:
- از آهن های لحیم کاری کنترل شده دما (حداکثر 350 درجه سانتیگراد) استفاده کنید
- سعادتimit soldering time to 3-5 seconds per lead
- از استرس بیش از حد مکانیکی بر روی سرب خودداری کنید
- هرگز با گرم کردن بدن خازن لحیم کاری نکنید
- برای نسخه های SMD پروفایل بازتاب سازنده را دنبال کنید
ذخیره سازی و ماندگاری
خازن های الکترولیتی در حین ذخیره سازی تخریب می شوند:
- در محیط های خنک و خشک (زیر 30 درجه سانتیگراد) ذخیره کنید
- سهام را با استفاده از سیستم FIFO (اول در ، اول خارج) بچرخانید
- خازن های اصلاحاتی که برای دوره های طولانی ذخیره شده اند (> 1 سال)
- از ذخیره سازی در نزدیکی مواد شیمیایی یا حلالها خودداری کنید
حالت های شکست و عیب یابی
درک حالت های شکست مشترک به عیب یابی و پیشگیری کمک می کند:
مکانیسم های شکست مشترک
خازن های الکترولیتی از طریق چندین مکانیسم شکست می خورند:
- تبخیر الکترولیت: متداول ترین حالت خرابی ، به خصوص در دماهای بالا
- تهویه: ایجاد فشار باعث باز شدن دریچه ایمنی می شود
- افزایش ESR: به دلیل از دست دادن الکترولیت یا تخریب
- از دست دادن ظرفیت: کاهش تدریجی در ظرفیت ذخیره سازی
- مدارهای کوتاه: تجزیه دی الکتریک باعث نارسایی فاجعه بار می شود
- سعادتead corrosion: به ویژه در محیط های پرشور
نگهداری پیشگیری
برای به حداکثر رساندن زندگی خازن:
- پایین تر از حداکثر رتبه بندی دما عمل کنید
- از جریان هوا کافی در اطراف اجزای اطمینان حاصل کنید
- به طور دوره ای ESR و ظرفیت را در برنامه های مهم آزمایش کنید
- شیوه های ولتاژ را اجرا کنید
- نظارت بر علائم فیزیکی پریشانی (تاپ های بزرگ ، نشت الکترولیت)
روندهای آینده
فناوری خازن الکترولیتی شعاعی همچنان در حال تکامل است:
الکترولیتهای پلیمری رسانا
خازن های پلیمری جامد ESR پایین تر ، عمر طولانی تر و ثبات دما بهتر از الکترولیتیک مایع سنتی را ارائه می دهند. اینها به طور فزاینده ای الکترولیتیک استاندارد را در برنامه های کاربردی جایگزین می کنند.
فن آوری های ترکیبی
ترکیب الکترولیت مایع با مواد پلیمری خازن هایی را با بهترین ویژگی های هر دو فناوری ایجاد می کند - چگالی خازن بالا با ESR کم و طول عمر طولانی.
کوچک سازی
تحقیقات مداوم بر افزایش تراکم ظرفیت ضمن کاهش اندازه بسته ها متمرکز است. این شامل تکنیک های بهبود یافته ، مواد خلوص بالاتر و فرمولاسیون الکترولیت پیشرفته است.
دامنه دمای طولانی
فرمولاسیون های جدید الکترولیت ، خازن هایی را که با اطمینان در دمای تا 150 درجه سانتیگراد عمل می کنند ، امکان پذیر می کنند و خواسته های کاربردهای خودرو ، هوافضا و صنعتی را برآورده می کنند.
پایان
خازن های الکترولیتی شعاعی علیرغم ظهور فن آوری های جایگزین ، مؤلفه های اساسی در الکترونیک مدرن هستند. ترکیب منحصر به فرد آنها از مقادیر خازن بالا ، مقرون به صرفه بودن و در دسترس بودن در طیف گسترده ای از مشخصات ، ارتباط مداوم آنها در طراحی منبع تغذیه ، تجهیزات صوتی و برنامه های بی شماری دیگر را تضمین می کند.
در هنگام انتخاب الکترولیتیک شعاعی ، طراحان باید با دقت رتبه بندی ولتاژ ، مشخصات جریان موج ، ESR ، دما و طول عمر مورد انتظار را در نظر بگیرند. نصب مناسب ، رسیدگی و شیوه های نگهداری به طور قابل توجهی بر قابلیت اطمینان و عملکرد تأثیر می گذارد. با پیشرفت فناوری ، فرمولاسیون ها و سازه های جدید همچنان به محدودیت های قبلی می پردازند ، و اطمینان می دهند که این مؤلفه ها برای آینده قابل پیش بینی در طراحی های الکترونیکی حیاتی خواهند بود.
