生產(chǎn)鉭電容器的鉭金屬是一種稀有的高密度重金屬,它具有奇怪的特性;在耐酸性上,它幾乎不和任何腐蝕性極強(qiáng)的酸發(fā)生反應(yīng),因此,使用它生產(chǎn)的鉭電容器的穩(wěn)定性非常高,可以保持幾十年性能不變.因此,在鉭電容器誕生初期,它是專用的軍用電容器.

另外,它又是一種非常容易氧化的金屬.在室溫就可以和氧發(fā)生簡單的氧化反應(yīng).此現(xiàn)象基本違背了基本的化學(xué)規(guī)律;容易發(fā)生氧化反應(yīng)的金屬一般都不耐酸腐蝕,但是,鉭金屬是個(gè)個(gè)例. 因此,生產(chǎn)出的鉭電容器就肯定具有非常特殊的性能. 高穩(wěn)定性,長壽命,

高溫性能優(yōu)良.最高的容量體積比.當(dāng)然,還有高成本和過于復(fù)雜的生產(chǎn)技術(shù).

     在優(yōu)點(diǎn)突出的前提下,鉭電容器也具有要命的弱點(diǎn),耐紋波性能與其它電容器相比較差,不能承受過高的反向電壓.這與天才的

藝術(shù)家一樣;在具有超凡才能的同時(shí),還有遠(yuǎn)不如人的缺點(diǎn)......當(dāng)然,如果使用方法和條件合適,鉭電容器仍然具有最高的可靠性.這是它一至在軍用行業(yè)里使用成為首選的根本原因.

     鉭電容器的這種兩面性即被人詬病,也被人贊嘆;它即可能是使用幾十年后的儀器上仍然性能完好如初的器件,也可能因?yàn)槠渌蛩卦诩与姕y(cè)試時(shí)就突然失效.

     實(shí)際上,鉭電容器的優(yōu)點(diǎn)可以通過合適的使用和設(shè)計(jì)完全發(fā)揮出來,前提是我們使用者必須對(duì)它的優(yōu)缺點(diǎn)有足夠的了解,在選擇類型和設(shè)計(jì)電路時(shí)把問題消滅在萌芽狀態(tài).

    我經(jīng)常見到很多院所在進(jìn)行電子整機(jī)的研發(fā)時(shí),只是通過一下實(shí)際的加電測(cè)試,再通過各種條件下的負(fù)載實(shí)驗(yàn)就可以定型,但等到大批生產(chǎn)時(shí),問題頻出.到出問題時(shí),只是對(duì)某些過程細(xì)節(jié)進(jìn)行查找,但沒有對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可靠性進(jìn)行客觀評(píng)估. 以事實(shí)為基礎(chǔ)的開發(fā)驗(yàn)證無可非議,但一個(gè)合理的設(shè)計(jì)不光需要小批次的實(shí)際驗(yàn)證,更應(yīng)該可以通過科學(xué)計(jì)算驗(yàn)證. 因?yàn)橐粋€(gè)設(shè)計(jì)可靠性不夠的電路是有可能通過小批的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的,但到大批生產(chǎn)時(shí)就會(huì)不斷出現(xiàn)問題.此問題的預(yù)防方法只能有一個(gè); 能夠通過可靠性計(jì)算的設(shè)計(jì)+實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的設(shè)計(jì).從更科學(xué)的角度看,我們顯然忽略了設(shè)計(jì)的可靠性計(jì)算驗(yàn)證.

      我們必須認(rèn)識(shí)到;可靠性首先應(yīng)該是設(shè)計(jì)出來的而不是別的.而設(shè)計(jì)的可靠性如何,必須同時(shí)能夠通過可靠性計(jì)算驗(yàn)證和實(shí)際的整機(jī)負(fù)載實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

      當(dāng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蚴褂脭?shù)學(xué)來驗(yàn)證時(shí),這個(gè)經(jīng)驗(yàn)才能夠稱為科學(xué).否則,僅僅是帶模糊性質(zhì)的經(jīng)驗(yàn).對(duì)于片式鉭電容器來說,它的使用可靠性是完全可以事先計(jì)算出來的.不能等實(shí)驗(yàn)時(shí)問題頻繁,才倒回去查找設(shè)計(jì)的問題.這是緣木求魚的欠科學(xué)行為.

     使用在電子電路中的鉭電容器在不同使用條件下的可靠性計(jì)算見下面的具體說明.只要把這些都顧及的足夠,整機(jī)的可靠性關(guān)于電容器部分的可靠性就可以保證了.對(duì)于電子整機(jī),最容易失效的部分就是電源部分,對(duì)于電源部分,最容易失效的元件就是電容器,解決了電容器的失效問題,基本上就可以把整機(jī)的可靠性設(shè)計(jì)提高到一個(gè)較高的水平.

   

     以下的說明會(huì)告訴鉭電容器使用者,如果遵守以下條件去使用,您的電路里的鉭電容器的可靠性和您設(shè)計(jì)的設(shè)備的可靠性將可以達(dá)到很高的標(biāo)準(zhǔn);

1.整機(jī)系統(tǒng)可靠性和子系統(tǒng)的可靠性計(jì)算[基礎(chǔ)]

       不同種類的電子整機(jī)的可靠性設(shè)計(jì)因?yàn)橛猛径顒e很大,例如個(gè)人用的IT產(chǎn)品,一般可以保證在3年內(nèi)不出現(xiàn)大的問題,質(zhì)量反映較好的N0KIA個(gè)人產(chǎn)品,實(shí)際上是由于可靠性標(biāo)準(zhǔn)就制定的較高,所以才會(huì)出現(xiàn)比較耐用的印象.而一些軍用的電子設(shè)備,由于工作環(huán)境的變化范圍很大,因此,在設(shè)計(jì)可靠性時(shí),必須考慮魯棒性[即應(yīng)付意外條件變化的能力]如何.因此,不同用途的電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)取決于它的使用條件和使用環(huán)境限制.我們不能要求把一個(gè)工作在室內(nèi)的個(gè)人IT產(chǎn)品的可靠性等級(jí)提高到幾十年,這是一種浪費(fèi).同樣,你不能把武器的可靠性設(shè)計(jì)到個(gè)人用IT產(chǎn)品的水平.這是犯罪.但是,一部電子設(shè)備的可靠性首先是設(shè)計(jì)出來的,絕不是簡單生產(chǎn)決定的.因此,整機(jī)的可靠性設(shè)計(jì),必須有明確的可以量化的足夠完善的參數(shù)指標(biāo).具體的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上是各家公司或用戶的協(xié)議指標(biāo).基本沒有可以遵循的固定值.

      但是,電子整機(jī)的可靠性是建立在電路設(shè)計(jì)可靠性和過程控制水平之上的.因此,整機(jī)的可靠性又可以分解為許多個(gè)具體的標(biāo)準(zhǔn).

對(duì)于使用鉭電容器的電子整機(jī),由于其元件的可靠性是可以計(jì)算出來的,因此,分電路的可靠性就可以計(jì)算出來.值得注意的是,整機(jī)的可靠性必須以可靠性最低的電路或元件的可靠性為基準(zhǔn). 整機(jī)的可靠性如果可以事先量化,那么就可以通過適當(dāng)?shù)挠?jì)算來提高可靠性最低的部分的可靠性設(shè)計(jì)等級(jí).

      2.不同使用溫度下的可靠性計(jì)算.

      鉭電容器漏電流隨溫度的增加而增加。工作在 85℃和 125℃之間，最大工作電壓Vmax必須降額，合適的降額幅度可以從

下面的公式中求得：

Vmax=( 1-(T-85)/125)×VR

 這里：  T 是要求的工作溫度

VR是額定電壓

值得注意的是上述公式只適用于高阻抗的放電電路. 同時(shí),上述公式并沒有考慮交流分量和浪涌的影響,因此當(dāng)使用溫度較高時(shí),必須使用更大的降額電壓才能穩(wěn)定可靠地工作.

3.不同使用電壓下的可靠性計(jì)算.

     固體鉭電容器的可靠性受環(huán)境條件的影響很大。例如：溫度、濕度、沖擊、振動(dòng)、機(jī)械應(yīng)力和電場強(qiáng)度，包括應(yīng)用電壓、波紋電流、瞬間電流和電壓以及頻率。 

     電子整機(jī)的可靠性是建立在電子元件的更高可靠性基礎(chǔ)之上，因此，在使用選型前必須保證使用的元件的故障率高于整機(jī)故障率要求，固體鉭電容器的現(xiàn)場故障率[MTBF]可以從下面的表達(dá)式中計(jì)算出來：

            MTBF=λ0(V/V0)3×2(T-T0)/10

     這里：

     MTBF：實(shí)際工作條件下的故障率

     最高容許使用溫度T：85度

V：實(shí)際使用電壓

λ0：額定負(fù)載下的故障率 (1% /1000h)

T0：實(shí)際使用溫度

V0：額定電壓

     測(cè)試條件：

溫度： 85 ℃

 電壓： 額定電壓

Rs： 3Ω[要求的線路保護(hù)電阻]

上式說明在實(shí)際使用中過高的溫度和使用電壓對(duì)產(chǎn)品的可靠性影響非常大。在最高使用溫度和工作電壓限定的條件下，應(yīng)該盡可能選擇額定電壓更高的產(chǎn)品故障率才可以達(dá)到要求。

4.濾波電路中的可靠性計(jì)算.

      如果在電容器上施加波紋電流，在電容器內(nèi)會(huì)產(chǎn)生焦耳熱（功率損耗），因此紋波電流大小會(huì)影響電容器的可靠性。

(1)   功率損耗

電容器通過交流紋波時(shí)產(chǎn)生的實(shí)際功率損耗可以利用下面的公式計(jì)算：

  P=I2 × ESR……………….公式 1

這里：

P:    功率損耗 (瓦特)

I:     波紋電流 (安培)

ESR:  等效串聯(lián)電阻 (Ω)

        各殼號(hào)產(chǎn)品由于體積不同而散熱能力不同,因此,維持熱平衡的容許通過的交流紋波產(chǎn)生的最大發(fā)熱功率見下表1;

 

          表 1  容許的最大功率損耗

       (2)   波紋電流

利用表1中的最大功率損耗，可以利用下面的公式計(jì)算最大波紋電流(Arms)：

           ………………….公式 2

這里：還需要考慮到電容器此時(shí)的實(shí)際使用溫度,不同使用溫度下的溫度降額因子見下表;

          K：      溫度降額因子….表 2

          F：      頻率降額因子……表 3

          ESR：  直流串聯(lián)電阻參考額定值

 表 2:  溫度降額因子K

 

 另外不容忽視的是在濾波電路中使用時(shí),還必須考慮到實(shí)際的工作頻率是多少,不同工作頻率下的降額幅度也會(huì)不一樣. 

波紋電壓E利用公式3計(jì)算：.

                E=Z×I………………………….. 公式 3

這里：

           E：      波紋電壓

           Z：     具體頻率下的阻抗

       從上面的計(jì)算可以看出,工作在不同工作頻率下的電容器,由于阻抗一定,因此,可以安全承受的交流紋波值是不一樣的.如果電路中的交流紋波值超過該電容器容許的可以安全承受的范圍,該電容器會(huì)在工作一段時(shí)間后,由于產(chǎn)生的熱量累積超過散熱能力而出現(xiàn)熱擊穿現(xiàn)象.

4.不同使用功率下放電電路中的可靠性計(jì)算

         如果電路電容器的容量可以決定電路的最大瞬時(shí)放電功率,在功率要求一定時(shí),可以依據(jù)下面的計(jì)算來選擇電容器的額定電壓和容量大小;正常工作時(shí)的輸入功率為P，儲(chǔ)能電容的容量為C，其兩端的電壓為U1，則電容儲(chǔ)存的能量為

            W1=C（U1²）/2，

當(dāng)輸入電源掉電后，經(jīng)過時(shí)間t, 電容兩端的電壓為U2，此時(shí)電容剩余的能量為

            W2=C（U2²）/2， 

在這一過程中儲(chǔ)能電容釋放的能量

            W=W1-W2=C（U1²-U2²）/2，

它應(yīng)該等于電路維持正常工作所需的能量

             W=Pt,   （即輸入功率乘以時(shí)間）

所以有

             C（U1²-U2²）/2=Pt，

由此就可以得到電路維持時(shí)間t所需的最小電容量為

             C=2Pt/（U1²-U2²）.

在實(shí)際應(yīng)用中，U2是電路能夠正常工作的最低輸入電壓.

 舉例：

若電路正常工作時(shí)的輸入電壓為28V（U1），輸入功率為30W（P），能夠正常工作的最低輸入電壓為18V（U2），要

求輸入電源掉電50毫秒（t）時(shí)電路仍然能夠工作，則所需儲(chǔ)能電容的最小的電容量為

C=2 Pt/（U1²-U2²）

 =2*30*50/（28²-18²）

=3000/（784-324）

=6.522mF=6522mF

 一個(gè)使用在電源電路前端的儲(chǔ)能電容器，輸入電壓是50V，當(dāng)短電后，電容器開始為后續(xù)電路提供能量， 在提供能量

75W時(shí)，必須保持電壓不低于18V，請(qǐng)計(jì)算需要的電容量。

此電路還需要一個(gè)準(zhǔn)確的回路電阻?；芈冯娮璐笮Q定需要的電容器的容量大小。

此電路中各參數(shù)性能的換算公式如下；

C=R*PT*T/U1-U2

式中；

C；需要的電容量

R；回路總電阻

PT；回路需要保持的功率

T；回路功率保持時(shí)間

U1；輸入電壓

U2；能夠保持一定功率和放電時(shí)間的電壓

      當(dāng)電容器使用在放電電路里時(shí),電容器可以承受的最大直流放電電流I;

       I=UR/（1+ESR）

      使用在大功率的放電電路,必須選擇實(shí)際耐壓更好,ESR更低的電容器可靠性才會(huì)最高.

7.不同工作頻率下的可靠性計(jì)算.

        在所有電容器中都有電阻損耗。包括元件內(nèi)部的電阻和接觸電阻、介質(zhì)電阻和回路電阻。 為了表示這些損失的影響，將它們稱為電容器的等效串聯(lián) ESR。. ESR 與頻率有關(guān)，可以利用下面的關(guān)系得到：

ESR= tgδ/2πfC

 這里： f 是頻率，單位是 Hz, ，C是電容器的容量，單位為法拉。ESR 測(cè)試條件是： 20℃ 和 100KHz.

由于不同頻率下工作時(shí)電容器的ESR有變大或變小的趨勢(shì), 而ESR的變化又會(huì)直接導(dǎo)致電容器在濾波時(shí)的發(fā)熱量不一樣,因此,在工作頻率有變化較大時(shí),電容器的可靠性會(huì)出現(xiàn)變化.此點(diǎn)也是必須考慮的要素之一.在頻率一定時(shí)我們依據(jù)上面的公式可以計(jì)算出電容器可以保持的容量和實(shí)際阻抗是多少.這樣,我們就可以根據(jù)已經(jīng)知道的電容器基本性能[容量和阻抗大小],計(jì)算出電容器合適的使用頻率極限是多少.換句話,就可以知道在某個(gè)頻率下電容器的實(shí)際容量能否滿足濾波性能要求.

8.使用在濾波電路中電容器最大的輸出電流計(jì)算方法;

    8.1.電容降壓半波整流電路

　　電容降壓電源采用半波整流時(shí),每微法電容可得到電流(平均值)為:(國際標(biāo)準(zhǔn)單位)

　　I(AV) = 0.44*V/Zc = 0.44*220*2*Pi*f*C = 0.44*220*2*3.14*50*C = 30000C

　　= 30000*0.000001 = 0.03A = 30mA

     8.2.如果采用橋式整流則可得到雙倍的電流(平均值)為:

　　I(AV) = 0.89*V/Zc = 0.89*220*2*Pi*f*C = 0.89*220*2*3.14*50*C = 60000C

　　= 60000*0.000001 = 0.06A = 60mA

          　　　使用電容降壓橋式整流電路時(shí),需要注意以下事項(xiàng):

　　1、未和220V交流高壓隔離,請(qǐng)注意安全,嚴(yán)防觸電!

　　2、限流電容須接于火線,耐壓要足夠大(大于400V),并加串防浪涌沖擊兼保險(xiǎn)電阻和并放電電阻.

　　3、注意穩(wěn)壓二極管功耗,嚴(yán)禁穩(wěn)壓二極管斷開運(yùn)行

以上計(jì)算方法是使用電容器,設(shè)計(jì)時(shí)必須掌握的基本知識(shí)