怎样规范电容器

怎样规范电容器
怎样规范电容器

怎样规范电容器
现代电子设备所使用的电容器是多种多样的,电容器的质量直接影响着整机的可靠性水平.电容器的正确选择和认真管理,对保证设备的质量和可靠性具有重要意义.
1、电容器的管理计划
在研制较简单的设备时,可随着设计工作的深入进行,按其需要,从现有的文件清单中或产品目录中挑选出合适的元器件；若没有标准产品,则要专门进行订货,或者自行设计制造,所以并无必要在设计开始之前就提出组件的管理计划.
但是,对于比较复杂的电子系统,就不能简单地利用手头现有的组件清单及数据,而应事先制订出适合于整个系统的元器件选择的共同原则,例如：
（1）整个系统需统一规定所用电容器的品种；
（2）协调电容器的质量水平和技术规范；
（3）及早发现需要重新研制的电容器；
（4）电容器使用方法的统一（特别是在降额使用方面）；
（5）从系统可靠性与维修性的观点来确定组件的实用范围,并进行设计评审.
设计评审内容包括：
①粗略的可靠度预测；
②详细的可靠度预测；
③元器件一览表；
④元器件降额使用数据；
⑤元器件适用资料；
⑥元器件的失效率资料；
⑦应力分析；
⑧失效模式与效应分析；
⑨元器件特性变化的电路统计分析；
⑩元器件性能偏差、老化或漂移的影响；
⑪容许误差的分析
⑫当组件、组件、分系统有贮备及有两种以上的使用方式时,考察系统的可靠性.
（6）应吸收元器件以及材料方面的专家参加系统的设计工作.
在系统研制、生产、使用各个阶段,可靠性工作的范围及组件的选择与实施.
2、电容器的选择原则
2.1高可靠电子设备,应尽可能地采用有军用技术条件的组件.
2.2某一特定设备的电子元器件,应根据该设备提出的要求和对装置的工作环境条件提供的有关数据,恰当地进行选择.
2.3确定完成所需功能的电容器类型及预期的工作环境.
2.4为证实所用电容器的制造是符合军用技术条件要求的,必须根据认证合格组件一览表,或元器件优选手册指南进行核对.
2.5确定电容顺的各种临界值如质量,寿命、安全性等；
2.6确定电容器的供应情况；
2.7估计在电路应用时电容器所遇到的应力；
2.8为了减小失效,应采用与可靠性预计相适应的减额系数.
2.9有时标准组件不能满足军用电子设备要求.非标准电容器－经选用和标准化,在仓库里就必须有储备,以便随时能更换同类的失效组件,并且必须包括在军用备份组件之内.
2.10开展电子设备的边缘容限试验和参数漂移设计.
3、电容器的管理
电子设备的性能和可靠性,在很大程度上取决于电子元器件的质量和可靠性.保证产质量量,不断提高电子产品的可靠性和降低产品的成本,是对入厂电容器进行管理和控制的根本目的.
对外购电容器必须注意下述控制要点：
（1）供货厂点的选择；
（2）有关技术文件的准备,如供货方实施质量控制的文件、产品有效期等；
（3）验收检查；
选定方式应综合考虑,如表11-3所列.
（4）库存管理等.
第二节 电容器的选择要素
一般而言,选择包括电容器在内的电子组件,应以产品的性能（结构、参数指针）；质量趋势（中心值、分散性）；可靠性（或寿命）；体积和价格等作为选择和评价电子组件的依据.
作为通用电子组件,由于广泛使用于各个领域,从消费类、工业投资类到军用电子产品,因使用的环境条件及使用要求不同,整机设计人员就应从不同的角度对电子组件的选择提出不同的要求.
如果电子设备中所用的电容器,以小体积作为绝对的条件,则形状和体积就成为选择的重要因素；对某些家用电子设备上使用的电容器,由于考虑到市场的激烈竞争,价格的高低就成为选择的重要因素（有时,在某种程度上往往要牺牲一些性能）.在工业投资类和军用电子设备中,往往从设备应具有的精度、分辨率、性能和可靠性的要求,来选择各类电容器.
这里仅从军用电子设备可靠性设计的要求为目标,从性能及可靠性的角度来讨论电容器的选择要素.
为确保所选择的电容器性能可靠,电路设计者务必了解所选择的电容器的各种特性,并且合理的使用,这是保证整机质量的重要因素.为此目的,需要将电容器的选择标准,使用注意事项编成手册,提供电路设计者和采购人员参考.
在系统的可靠性设计过程中,要了解以往对可靠性保证所采取的措施及其效果.产品装在机器中,对工作过程中发生的故障、使用条件、原因等应进行分析,以便线路设计时参考.
为解决具体任务而选择电容器的类型时,设计师应考虑以下因素及其主要原因
1、温度改变后的后果
1.1由于介电常数和电极表面面积的改变而引起电容量的变化.
1.2由于比电阻的改变而引起漏电流的增大.
1.3高温下电气强度的降低.
1.4频率影响电容器的发热程度.
1.5额定电流的降低（若它决定电容器温度）.
2、温度增大的后果
2.1漏电流增大.
2.2电气强度降低.
1.3电容器的质量因素或tgδ改变.
3、压力降低的后果
3.1电气强度降低.
3.2经过引出线的根部漏气漏油、漏液.
2.3在外壳或底座上飞弧.
4、外加电压增大的后果
4.1漏电流增大.
4.2电容器发热并有伴随发热的过程.
4.3介质击穿（其现象与频率有关）.
3.4出现电晕.
5、振动的后果
5.1由于机械振动使用电容量改变.
4.2电容器零件,引出线或外壳的机械破坏.
6、电流增大引起的反应
6.1电容器的温度升高.
6.2寿命缩短.
5.3电流过荷,电极和引出线过度发热.
此外,还应考虑：
7、寿命：它决定于环境条件和在线路中的工作条件.
8、稳定性（条件同上）
9、循环试验后电容量的剩余变化.
10、电容器的尺寸、价格和安装方法.
第三节 正确应用电容器
1、重视工作频率对电容器的影响
使用电容器时,不可忽视短期内的充放电的过渡现象.要详细了解各类电容器的额定允许电流和频率的关系.这是因为电容器在高频下使用时,流过电容器的电流与频率成正比例的增加.由于集肤效应,导体与电极的有效截面积与频率的平方要成反比例的减少.施加的频率过高,等效电感将增加、将使电容器失去效能.并导致电容器过热.因此电容器不能在超过标准规定的频率和电压下使用.
当在电容器上施加交流份量时,可根据频率、电压来决定流过引线端的交流视在电流：
I=2πf•C•U　　　　（13-1）
式中：f为Hz；C为法拉；U为伏特.
同时,最大的直流电压和交流成份的峰值之和不能超过电容器的额定直流电压.当交流峰值超过额定值的20％时,就应选择交流电容器.对于某些直流电容器如纸介,金属化纸电容器,即使是在规定的使用范围内,当温度超过+40℃时,即应采取降额措施.
前面已经提过,如果把积聚电荷的电容器的两个引线间的电感L和电阻R短路,当R＜2√L/C时,会有振荡电流流动,当R>2√L/C时,会有非振荡电流流动.无疑,上述电流对电容器的影响是随着通电时间的不同而不同的.在振荡、移相或放电路中使用的滤波电容器,如不考虑该电流的流动,将会使一部分电容器烧毁.
通常,制造直流电容器的组件生产厂,只给出所通过的电流和频率值（有时,并未提供确切的数据）.而对电极的截面积（厚、宽、长）,引出线、螺柱的粗细、或连接这两者的形状和方式未进行深入研究,尤其是未考虑和研究高频电流的场合较多（到目前为止,对电路设计使用中关系极大的电容器的高频参数尚未进行考核或提供数据）.所以必须把流过电容器的交流电流作为结构设计上的重要因素来考虑.电路设计人员在选择电容器时,往往忽略了这一重要条件,这是目前线路设计使用电容器（直流电容器）不当,而致使故障经常发生的重要原因之一.
要根据线路的频率特性合理选择电容器.
在UHF（300～3000MHz）的脉冲电路里,应该使用专为UHF而设计的电容器,否则,由于同样的原因有可能使电容器损坏.
在交流和脉冲电路中用的电容器,需要规定和测试特别的额定值.在超过电容器本身电晕电压的电路中,若使用这些电容器,其寿命将会缩短.并在施加电压期间产生噪声.一般浸渍液体的电容器比浸渍固体的电容器的电晕电压高,当环境温度或升高时,电容器允许的电压限度应适当加大.
应重视施加于电容器上的频率波形特性.现已证明：电容器上实际耗散的功率,不仅取决于电抗组件的频率特性、也取决施加于电容器上的信号波形.因为非正弦信号在电抗组件中的热耗散超出正弦信号的相同组件中的热耗散程度.
要保证电容器在脉冲电路另安全可靠地工作,应使脉冲电压峰――峰值低于电容器额定工作电压,并考虑交流分量产生的热耗功率.
对无感电阻器施加电压所产生的热量只与电阻器的阻值和电压有效值有关.即当直流电压、正弦电压、脉冲电压的有效值相同时,它们在同一电阻上产生的热耗相同.然而,在电容器中的情况却不相同,它产生的热耗不仅取决于电压的有效值,而且还取决于脉冲电压的波形、周期及其在各次谐波频率上的容量和损耗.
在电子线路中,对电容器施加脉冲电压常有如下的波形：方波、锯齿滤、三角波等、这些波形都可利用付里叶级数进行分析见图13-1.不同的脉冲波形在电容器上产生的热耗功效也不同.当ηmax趋于1时,（ηmax称为危险系数,即是电容器上产生的最大热耗功率Pmax与最小热耗功率Pmin之比）说明这种波形电压在电容器上产生的热耗功率接近最小功率,它对电容器寿命的影响不大,称此种脉冲电压为安全脉冲电压.若ηmax》1,则说明施加在电容器上的这种脉冲电压使电容器产生的热耗功率P》Pmin ,电容器就可能因产生过热而失效,这时的脉冲电压称这危险脉冲电压.
由计算得知,对于方波脉冲电压,其 ；对于锯齿波脉冲电压,其 ；对电等腰三角波脉冲电压,其 ；由此看出：
三角波脉冲电压的ηmax趋于1,说明三角波电压施加在电容器上所产生的热耗功率接近于等效正弦电压在电容器上产生的热耗功率,故三角波脉冲电压对电容器寿命的影响不大.方波和锯齿滤脉冲电压产生的ηmax值与基小下电容器的损耗因素tgδΩ成反比,通常电容器的tgδ《1,至多为0.1数量级,故这两种波形产生的ηmax至少大于10,所以其波形为危险的脉冲波形,脉冲的前后沿时间愈短,ηmax愈大.当在电容器上施加此脉冲波形时,一定要考虑电容器热耗散功率,必要时应采取散热措施.
在研究何种程度的峰值电压能长期稳定的施加在电容器上时,应注意下列情况：
（1）含有高频份量的交流电压、电流之值,波形及开关状态；
（2）电容器制造后经过长期搁置存放；
（3）在较高温度和湿度的场合下使用；
（4）在低气压环境下存放；
（5）在工作的线路环境中,存在短期超电压的危险.
施加在电容器上的峰值电压有正常状态和处于开头状态时的异常过渡状态两种.直流电压是正常状态时的峰值电压.在纯交流电路中,正弦波电压的峰值是有效值的根号2倍.多种频率时交变电压的峰值,则是各种频率峰值的向量和.以上属正常状态时具有的关系.
问题是要注意在开头时及其在异常过渡状态下的峰值电压.例如：在选择瞬时过压能力弱的铝电解或钽电解电容器时,在浪涌频繁的电路中使用,则会引起过早的损坏.因此,使用者在选择电容器时,对异常过压的峰值及其发生次数的电路条件应作充分的研究.并考虑如下因素：
（1）外加峰值电压的极限值应在各种电容器所允许的承受电压以下；
（2）该极限值在发生频数较低时,可接近于试验电压,当发生次数频繁时,应接近于额定电压.
（3）当安全系数过大时,若将很少发生的峰值电压选择在额定电压以下,将会增大电容器的体积及价格,这是不经济的.
施加在电容器上的峰值电压,应根据电路的不同情况加以选择.按照峰值电压设计是决定电容器比体积和价格的重要因素,所以在选择电容器时,必须注意这一条件,避免弄错.
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