軍用電解電容器的應(yīng)用可靠性選擇

軍用電解電容器的應(yīng)用可靠性選擇
電容器一般由兩個接近并相互絕緣的導(dǎo)體構(gòu)成，是軍用電子整機不可缺少的基礎(chǔ)元件。
在軍用電子產(chǎn)品中，電解電容器占有相當(dāng)大的比重，其可靠性在整機中起著至關(guān)重要的作用。
根據(jù)國內(nèi)有關(guān)部門的統(tǒng)計，在整機故障原因中，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，為了保證整機系統(tǒng)的可靠性，選用電解電容器時，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；
(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，必須清楚元器件標(biāo)志的含義，避勉采購回來的元器件不符合
整機系統(tǒng)的可靠性要求。
設(shè)計人員在選擇電容器時，要對電解電容器的主要技術(shù)性能進行了解，對它的電容量、
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、儲存性能以及
價格等方面進行比較。同時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，選擇時應(yīng)有所區(qū)別。
鋁電解電容器的優(yōu)點是鋁材在我國分布廣、價格低、產(chǎn)量大、重量輕、有自愈特性。其
缺點是介質(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，尤其是負溫特性差，一般
為-20℃(個別種品可達-40℃，國軍標(biāo)CDK 系列為-55℃)。適用于對環(huán)境條件要求不高的一
般民用電子產(chǎn)品及對可靠性要求不高的部分地面軍用電子整機。
鉭電解電容器與鋁電解電容器相比，其優(yōu)點是環(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??；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、可靠性高等優(yōu)勢。鉭解電容器適用于軍用電子設(shè)備，其缺點是價格高，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)氧樹脂包封，因而大大降低了固體鉭電
容器的價格，所以，部分民用整機也已批量采用。由于CA42 環(huán)氧樹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，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，從而引起整機發(fā)生嚴重故障，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題，液鉭電容器已達
到國軍標(biāo)要求，其可靠性也已達到了六級水平。目前，在航天產(chǎn)品中已開始采用，其它軍工
產(chǎn)品可以參考。但是，液體鉭電容器在上機前一定要進行密封檢漏篩選，并在設(shè)計時采用較
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電容器使用壽命，提高可靠性的最有效方法。因為電
解電容器的失效率與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
濾波電路的場合最多，輸入電壓發(fā)生變化或負載突然開路，濾波電容器兩端的電壓都會隨之
發(fā)生變化，如果不進行降額設(shè)計，很可能使電容器擊穿。此外，從輸入端進來的交流電壓并
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，可對電容器的壽命和可靠性
造成較大影響，所以，在設(shè)計時，使用時要對電解電容器的工作電壓進行較大幅度的降額。
對電解電容器電壓的降額幅度要根據(jù)整機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，一級為額定電壓的50%；二級為60%；三級為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極之分。當(dāng)用于既有直流電壓又有交流電壓分量的脈動電路中時，
其工作特性應(yīng)特別注意。電解電容在使用時，一定要符合電解電容器兩端規(guī)定的電壓極性要
求。當(dāng)用于級間耦合或脈沖電路時，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峰值電壓超過正直流電壓值，從而使極性電容器處
在反向工作狀態(tài)，這樣會使電容器的漏電流劇增，進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交流成分時，交流峰值電壓與所加直流電壓之和不應(yīng)超過電容器的額
定工作電壓。其原因是交流成分引起電容器的溫升發(fā)熱比直流成分嚴重的多，所以要嚴格控
制紋波的大小，一般不應(yīng)超過電容器額定工作電壓的百分之二十。即可對于鉭電解電容器，
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，且對損耗電阻RS 影響很大，所
以要對加到電容器上的紋波峰值電壓進行有效的控制。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，如果使用頻率超過上述條件，可按下面公式進行計算：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)小于上式計算出來的紋波峰值電壓。
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)選用無極性鉭解電容器(如CA74 全密封固體鉭電容器)。無極鉭電容器
實際上是用兩只有極性的鉭電容器背靠背串聯(lián)起來的，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間耦合。而且
電路阻抗愈低愈可靠。電解電容器工作時，相當(dāng)于一個電解槽，其中一個電極是電解液。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 與實際電容器的介質(zhì)絕緣電阻尺RP 相比可
以忽略不計。而隨著頻率的升高，等效串聯(lián)電阻RS 和等效電感L 都會隨著增大。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引起的。一般情
況下，頻率增加時，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)頻率增加到某個頻率點(XC-XL)2=0 時，阻抗Z=RS。此時電容器將出現(xiàn)諧
振。這是電容器對電路呈現(xiàn)純電阻時的諧振點。當(dāng)頻率高于電容器諧振點時，電容器實際上
已變成一個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
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大幅度下降。
故當(dāng)使用頻率超過20 kHz 時，其所允許的交流分量已很小，電容器的容量損失非常嚴重，
此時一般可選擇一只高頻瓷介或云母電容器與之并聯(lián)來作為高頻通路，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
率過高不僅會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，下降幅度將高達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，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行設(shè)計。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
由于在負溫下的損耗會急劇上升，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)有大浪涌電流通過時，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，而且可焊性已達到要求，一般不需要浸錫預(yù)處理。而如
果儲存時間較長則在使用前需進行浸錫處理，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，并避免時間過長或溫度過高，造成封口熔化或引線與電極脫焊。對于片式電容器，
還應(yīng)避免使用活性高、酸性強的助焊劑，以免清洗不干凈、滲透、腐蝕和擴散而影響產(chǎn)品可
靠性。同時應(yīng)控制片式電容器的焊接溫度和時間， (一般為260℃／10 秒)。電容器安裝時，
應(yīng)遠離發(fā)熱元件。對于尺寸較大的電容器，不能用電容器引腳來安裝，為防止在振動或沖擊
中下引線斷裂或密封損壞，必要時還應(yīng)設(shè)計夾持裝置來固定。安裝時，還應(yīng)盡量使電容器有
標(biāo)志的面露出來，以便觀察。
3 結(jié)束語
電解電容器是構(gòu)成軍用整機系統(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行，要從整機所使用的環(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。