鉭電容器使用與可靠性有關系的計算

生產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的酸發生反應,因此,使用它生產的鉭電容器的穩定性非常高,可以保持幾十年性能不變.因此,在鉭電容器誕生初期,它是專用的高可靠電容器.

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生簡單的氧化反應.此現象基本違背了基本的化學規律;容易發生氧化反應的金屬一般都不耐酸腐蝕,但是,鉭金屬是個個例. 因此,生產出的鉭電容器就肯定具有非常特殊的性能. 高穩定性,長壽命,

高溫性能優良.最高的容量體積比.當然,還有高成本和過于復雜的生產技術.

     在優點突出的前提下,鉭電容器也具有要命的弱點,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

藝術家一樣;在具有超凡才能的同時,還有遠不如人的缺點......當然,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.這是它一至在高可靠電容器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,也可能因為其它因素在加電測試時就突然失效.

     實際上,鉭電容器的優點可以通過合適的使用和設計完全發揮出來,前提是我們使用者必須對它的優缺點有足夠的了解,在選擇類型和設計電路時把問題消滅在萌芽狀態.

    我經常見到很多院所在進行電子整機的研發時,只是通過一下實際的加電測試,再通過各種條件下的負載實驗就可以定型,但等到大批生產時,問題頻出.到出問題時,只是對某些過程細節進行查找,但沒有對系統的設計可靠性進行客觀評估. 以事實為基礎的開發驗證無可非議,但一個合理的設計不光需要小批次的實際驗證,更應該可以通過科學計算驗證. 因為一個設計可靠性不夠的電路是有可能通過小批的實驗驗證的,但到大批生產時就會不斷出現問題.此問題的預防方法只能有一個; 能夠通過可靠性計算的設計+實際實驗驗證的設計.從更科學的角度看,我們顯然忽略了設計的可靠性計算驗證.

      我們必須認識到;可靠性首先應該是設計出來的而不是別的.而設計的可靠性如何,必須同時能夠通過可靠性計算驗證和實際的整機負載實驗驗證.

      當經驗能夠使用數學來驗證時,這個經驗才能夠稱為科學.否則,僅僅是帶模糊性質的經驗.對于片式鉭電容器來說,它的使用可靠性是完全可以事先計算出來的.不能等實驗時問題頻繁,才倒回去查找設計的問題.這是緣木求魚的欠科學行為.

     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算見下面的具體說明.只要把這些都顧及的足夠,整機的可靠性關于電容器部分的可靠性就可以保證了.對于電子整機,最容易失效的部分就是電源部分,對于電源部分,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的可靠性設計提高到一個較高的水平.

     以下的說明會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計的設備的可靠性將可以達到很高的標準;

1.整機系統可靠性和子系統的可靠性計算[基礎]

       不同種類的電子整機的可靠性設計因為用途而差別很大,例如個人用的IT產品,一般可以保證在3年內不出現大的問題,質量反映較好的N0KIA個人產品,實際上是由于可靠性標準就制定的較高,所以才會出現比較耐用的印象.而一些高可靠的電子設備,由于工作環境的變化范圍很大,因此,在設計可靠性時,必須考慮魯棒性[即應付意外條件變化的能力]如何.因此,不同用途的電子產品的可靠性設計取決于它的使用條件和使用環境限制.我們不能要求把一個工作在室內的個人IT產品的可靠性等級提高到幾十年,這是一種浪費.同樣,你不能把飛機的可靠性設計到個人用IT產品的水平.這是犯罪.但是,一部電子設備的可靠性首先是設計出來的,絕不是簡單生產決定的.因此,整機的可靠性設計,必須有明確的可以量化的足夠完善的參數指標.具體的標準實際上是各家公司或用戶的協議指標.基本沒有可以遵循的固定值.

      但是,電子整機的可靠性是建立在電路設計可靠性和過程控制水平之上的.因此,整機的可靠性又可以分解為許多個具體的標準.

對于使用鉭電容器的電子整機,由于其元件的可靠性是可以計算出來的,因此,分電路的可靠性就可以計算出來.值得注意的是,整機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. 整機的可靠性如果可以事先量化,那么就可以通過適當的計算來提高可靠性最低的部分的可靠性設計等級.

      2.不同使用溫度下的可靠性計算.

      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,上述公式并沒有考慮交流分量和浪涌的影響,因此當使用溫度較高時,必須使用更大的降額電壓才能穩定可靠地工作.

3.不同使用電壓下的可靠性計算.

     固體鉭電容器的可靠性受環境條件的影響很大。例如：溫度、濕度、沖擊、振動、機械應力和電場強度，包括應用電壓、波紋電流、瞬間電流和電壓以及頻率。 

     電子整機的可靠性是建立在電子元件的更高可靠性基礎之上，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故障率要求，固體鉭電容器的現場故障率[MTBF]可以從下面的表達式中計算出來：

            MTBF=λ0(V/V0)3×2(T-T0)/10

     這里：

     MTBF：實際工作條件下的故障率

     最高容許使用溫度T：85度

V：實際使用電壓

λ0：額定負載下的故障率 (1% /1000h)

T0：實際使用溫度

V0：額定電壓

     測試條件：

溫度： 85 ℃

 電壓： 額定電壓

Rs： 3Ω[要求的線路保護電阻]

上式說明在實際使用中過高的溫度和使用電壓對產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，應該盡可能選擇額定電壓更高的產品故障率才可以達到要求。

4.濾波電路中的可靠性計算.

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

(1)   功率損耗

電容器通過交流紋波時產生的實際功率損耗可以利用下面的公式計算：

  P=I2 × ESR……………….公式 1

這里：

P:    功率損耗 (瓦特)

I:     波紋電流 (安培)

ESR:  等效串聯電阻 (Ω)

        各殼號產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生的最大發熱功率見下表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算最大波紋電流(Arms)：

           ………………….公式 2

這里：還需要考慮到電容器此時的實際使用溫度,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,還必須考慮到實際的工作頻率是多少,不同工作頻率下的降額幅度也會不一樣. 

波紋電壓E利用公式3計算：.

                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,該電容器會在工作一段時間后,由于產生的熱量累積超過散熱能力而出現熱擊穿現象.

4.不同使用功率下放電電路中的可靠性計算

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

            W1=C（U1²）/2，

當輸入電源掉電后，經過時間t, 電容兩端的電壓為U2，此時電容剩余的能量為

            W2=C（U2²）/2， 

在這一過程中儲能電容釋放的能量

            W=W1-W2=C（U1²-U2²）/2，

它應該等于電路維持正常工作所需的能量

             W=Pt,   （即輸入功率乘以時間）

所以有

             C（U1²-U2²）/2=Pt，

由此就可以得到電路維持時間t所需的最小電容量為

             C=2Pt/（U1²-U2²）.

在實際應用中，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）時電路仍然能夠工作，則所需儲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

 一個使用在電源電路前端的儲能電容器，輸入電壓是50V，當短電后，電容器開始為后續電路提供能量， 在提供能量

75W時，必須保持電壓不低于18V，請計算需要的電容量。

此電路還需要一個準確的回路電阻?；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；回路功率保持時間

U1；輸入電壓

U2；能夠保持一定功率和放電時間的電壓

      當電容器使用在放電電路里時,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,必須選擇實際耐壓更好,ESR更低的電容器可靠性才會最高.

7.不同工作頻率下的可靠性計算.

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

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 測試條件是： 20℃ 和 100KHz.

由于不同頻率下工作時電容器的ESR有變大或變小的趨勢, 而ESR的變化又會直接導致電容器在濾波時的發熱量不一樣,因此,在工作頻率有變化較大時,電容器的可靠性會出現變化.此點也是必須考慮的要素之一.在頻率一定時我們依據上面的公式可以計算出電容器可以保持的容量和實際阻抗是多少.這樣,我們就可以根據已經知道的電容器基本性能[容量和阻抗大小],計算出電容器合適的使用頻率極限是多少.換句話,就可以知道在某個頻率下電容器的實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,每微法電容可得到電流(平均值)為:(國際標準單位)

　　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,需要注意以下事項:

　　1、未和220V交流高壓隔離,請注意安全,嚴防觸電!

　　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電阻和并放電電阻.

　　3、注意穩壓二極管功耗,嚴禁穩壓二極管斷開運行

以上計算方法是使用電容器,設計時必須掌握的基本知識