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音响分频用铝电解电容器的研制

时间:2011-02-14


第2期 2005 年 2 月















ELECTRONIC COMPONENTS & MATERIALS

Vol.24 No.2 F e b . 2005

研究与试制
R & D

音响分频网络电路用铝电解电容器的研制
姜正明 1,熊兆贤 2
(1.厦门市标格电子有限公司,福建 厦门 361009;2.厦门大学材料科学与工程系,福建 厦门 361005)

摘要: 根据音响扬声器分频网络电路对双极性铝电解电容器特性的要求,研制开发出具有高稳定性、高电导率和 优良高频特性的 Z 系列工作电解液,通过电容器结构的改进、原材料的筛选,生产的电容器产品经用户厂家设计采纳 并经上机负荷试验全部性能优良:IL 为 0.03CU+3(μA) ,tgδ 为 4×10–2,ΔC·C–1 为±10%,±20%。 关键词: 电子技术;铝电解电容器;音响分频网络电路 中图分类号: TM535+.2 文献标识码:A 文章编号:1001-2028(2005)02-0048-003

Development of Aluminum Electrolytic Capacitor for Audio Frequency Division Circuits
JIANG Zheng-ming1,XIONG Zhao-xian2
(1. Xiamen Bugle Electronic Co., Ltd, Xiamen 361009, China; 2. Dept. of Materials Science and Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, China) Abstract: According to the demand for aluminum electrolytic capacitor in audio frequency division circuit, series Z of electrolytic solutions were developed with good stability, high conductivity and excellent performance at high frequency. With improvement of capacitor structure and optimization of raw materials, novel capacitors were produced in batches, which were accepted by customers for design and combination of electronic equipments. Main performance of capacitors: IL=0.03 CU+3 (μA) ,tgδ = 4×10–2,ΔC·C–1 = ±10%,±20%. Key words: electronic technology; aluminum electrolytic capacitors; audio frequency division circuit

电解电容器由于价格便宜,电容量大,在分频器 ~ 的低通和带通网络中广泛使用[1 3]。低通和带通网络 虽然频率不太高, 但工作在纯交流的低压大电流状态。 因此使用铝电解电容器时,需要关注其电容量误差、 损耗角正切值和漏电流, 以及频率特性等电性能指标, 在高通网络中使用更需慎重。本文主要介绍具较高专 业水准的扬声器分频网络用铝电解电容器产品的研制 开发经验。

破坏。 一般采用纹波电流 I~来表征电容器的耐纹波电流 [ ] 的能力 4 : I~ = (2лfαSCΔt/tgδ)1/2 (1)

1

音响分频网络用双极性电解电容器的设计

1.1 耐纹波电流大 电解电容器工作在音响分频网络电路中,所能承 受纹波电流的功率极限值,主要取决于当纹波电流通 过电容器时介质损耗引起的有功功率损耗,由此导致 发热而引起较大温升时,可能造成电容器产品的失效

式中:f 单位为 Hz;C 为?F;S 为 cm2;Δt 为℃。从 公式可以看出电容器的耐纹波电流与工作频率 f、电 容量 C、散热面积 S、散热系数 α、允许温升Δt 成正 比,而与损耗角正切值 tgδ 成反比,即产品的损耗值 越大,承受允许纹波电流就越小。 先以公式推算的数值作为设计分频器用双极性铝 电解电容器的依据,再从材料选用、工艺改进、散热 材料改进等方面来降低损耗值,从而达到耐大纹波电 流的效果。 笔者研制的 CM04 电容器在 1 000 Hz 的 tgδ 值已低于 0.03(表 1) 。

收稿日期:2004-08-30 修回日期:2004-09-07 作者简介:姜正明(1954-) ,男,江西波阳人,工程师,从事电解电容器研发生产;熊兆贤(1962-) ,男,福建永定人,教授,从事电子材料与元 件研究。Tel: (0592)8818062;E-mail: zxxiong@xmu.edu.cn。

第 2 期

姜正明等:音响分频网络电路用铝电解电容器的研制

49

对于 CM04 型 15 μF, V 双极性电容器产品, 100 在 10 kHz 时损耗值为 0.075,代入公式(1)经过计算允 许纹波电流可达 1 624 mA 之多, 比以往同类产品提升 了数倍的耐纹波电流,这有利于提高产品的可靠性。 CM04 型音频网络用铝电解电容器电性能参数如下: 使用温度范围:–40~+85℃,电容量允许误差:±10 %、±20%,漏电流:I≤0.03 CRUR+3 (?A),损耗角正 切值: tgδ≤0.04 (20℃, 000 Hz) 电容量 CR = 15 ?F, 1 , D×L = φ16 mm×42 mm,fr =1 300 Hz, Ip–p = 1.6 A, UP–P = 12.8 V。
表 1 CM04 产品在不同频率的电容量和损耗角正切值 Tab.1 Capacitances and dissipation factors of CM04 at different frequencies 产品 测试频率 编号 C/?F 1 tgδ C/?F 2 tgδ C/?F 3 tgδ C/?F 4 tgδ C/?F 5 tgδ 100 Hz 15.21 0.017 15.79 0.010 15.07 0.012 15.29 0.011 15.64 0.014 400 Hz 14.80 0.023 15.48 0.017 14.72 0.017 14.96 0.020 15.24 0.022 1 kHz 14.72 0.030 15.44 0.025 14.67 0.024 14.89 0.029 15.15 0.029 2 kHz 14.47 0.039 15.25 0.031 14.49 0.030 14.65 0.037 14.92 0.035 5 kHz 14.29 0.052 15.11 0.042 14.40 0.041 14.47 0.049 14.28 0.045 10 kHz 14.13 0.080 15.03 0.073 14.27 0.072 14.35 0.075 14.64 0.074

1800 1800 1600 1400 1400 1200 1000 1000

z/ Ω

Z/Ω

800 600 600 400 200 200 0

–200 1 1
-200

10 10

100 100

1000 10000 1000 10000 100000 1000000 100000 1000000

f /Hz 图 1 电解电容器的工作频率对于阻抗影响的示意曲线 Fig. 1 Frequency dependence of resistance of electrolytic capacitors

f / Hz

此外, 音响用电解电容器要求在工作的频率范围, 其损耗角正切值和电容量变化率越小越好。电容器行 业目前基本认可双极性音频电容器在 1 kHz 频率下测 量产品的电容量和损耗值。其实最理想是在分频网络 的分频点频率测量,这样选用的产品能较好保证分频 点的精确和优良的信号保真度。 1.3 工作电解液满足频率特性要求 电解电容器的工作电解液需要在物理化学和电化 学性质方面保持长期稳定,在使用中不断提供修补电 极氧化膜的电化学能力,具有很高的氧化效率和极少 的气体产生。音频电容器所用工作电解液还应具有极 低的黏度和电阻率。电容器的等效串联电阻 Res 的计 算公式(3): Res = r 介 + r 金 + r 解 (3)

音频电容器应用在音响电路中,所承受的交流信 号电压相当复杂,它由不同频率的正弦波叠加而成。 频率对电容器的电容量和损耗值影响很大,而电性能 指标是以某一固定频率为考核标准。若采用国家标准 规定的 100 Hz 频率, 与实际应用频率相差较大。 为此, CM04 型产品标准采用相对严格的 1 000 Hz 频率,比 国家标准更接近实用分频点的频率。 1.2 频率特性好 随着工作频率的升高,电容器的容量值会降低, 而损耗值会增高。虽然选用材料和工艺不尽相同,但 是电解电容器的频率特性曲线变化趋势是一样的,只 [ ] 是曲线钭率大小和曲线拐点位置不同而已 5 。 分频电容器要求谐振频率 fr 要高,在谐振频率点 附近阻抗要低。超过谐振频率后电解电容器阻抗随频 率上升而加大。工作频率对于阻抗的影响曲线如图 1 所示。U 形曲线底部的稍微翘起表明电容器的阻抗已 由容抗为主转变成以感抗为主,U 形曲线底部谷点所 对应的频率 fr 是电容器的谐振频率点。由于卷绕式结 构的电容器存在一定的电感,当电感量越大时,就越 易在较低频率时呈现 U 形特征: fr = 1/[2π(LC)1/2] (2)

式中:r 介为介质损耗的等效串联电阻;r 金为金属接触 等效串联电阻,r 解为电解液等效串联电阻。从电容器 生产工艺分析,降低等效串联电阻的最主要方法是降 低电解液的电阻率。 由于音频双极性电解电容器的特殊生产工艺,获 得稳定的电容器漏电流值一直是生产中的难题。主要 原因在于双极性电解电容器生产老练时充当负极的 铝氧化膜,受到析出氢气的挤压,氧化膜会留下泄漏 电流的疵点。根据音频双极性电容器特殊要求,笔者 在工作电解液的配方中添加了磷化合物,既能抑制析 氢作用,又有加强氧化膜层能力,从而使生产出的产 品具有极低的漏电流和耐储存性能。开发出高稳定 性、高离子迁移率、高电导率,具有优良高频特性的 Z 系列工作电解液,对提高产品的电性能指标起到了 关键作用。参考配方如表 2 所示。
表 2 Z 系列工作电解液的配方 Tab.2 Compositions of series Z as working electrolytic solutions 材料 w /% 乙二醇 H2O 对硝基苯甲酸 己二酸胺 己二酸 甲酸胺 添加剂 1~5 5~10 1~5 1~5 1~5

由式(2)可见,要使电容器适应宽频率使用,必 须提高谐振频率点 fr,避免电容器由容抗元件变成感 抗元件而无法满足电路设计的需要。提高谐振频率最 有效的措施就是降低电感量 L。

60~70 15~25

50

电 子 元 件 与 材 料

2005 年

1.4 原材料的筛选满足频率特性要求 根据双极性电解电容器的工作原理和业内制造经 [6 ] 验 , 笔者对音频电解电容器原材料进行了以下选择: (1) 电极箔 选用耐高压、低比容的优质电极箔。由于降低了 电极箔的比容,电极箔表面相对平坦,降低了极板介 质损耗的等效串联电阻,即式(2)的 r 介,很适合在宽频 率下使用;通过对众多电极箔的适应性筛选,选择的 电极箔能与工作电解液优势互补,相得益彰。 (2) 电解纸 电解电容器专用纸对产品电性能有较大影响,研 究了多种电解纸的紧度、渗透系数及对电容器阻抗性 能的影响,筛选出适合音频电容器的电解纸,以马尼 拉麻纸最佳, 如日本 NKK 公司的 MER 系列和国产 M 系列的电解纸。

85℃高温下,125 h 极性变换一次,2 000 h 后恢复常 温,于 24 h 后且 48 h 内测量电性能需满足:(1)静电 容量变化率为试验前的±20%以内;(2)损耗角正切值 小于规定的 1.5 倍;(3)漏电流小于 0.03 CU+3 (?A)。
120 120 100 100

样品1 样品2 样品3

80
80

Res / Ω

ESR / Ω

60
60 40 40 20 20 0 0 10 10 100 100 1000 1000 10000 10000 100000 100000

lg f / Hz

lg( f / Hz)

图 2 CM04 型 15 μF,100 V 电解电容器的 Res 与频率 f 关系 Fig.2 Frequency dependence of Res of electrolytic capacitor CM04

2

电容器结构的改进

电容器的电感量 L 与引出结构方式有较大关系。 [ ] 笔者开发出一项专利技术可以较好地降低电感量 7 。 通过合理选择铆接定位尺寸,使引出片在极板正中, 且成对引出片接近重合,这种方式被认为上下极板电 流方向相反,避免形成磁场以降低电感量,使产品的 频率特性得到进一步改善(图 2)。从图 2 可见:在频率 测试范围未出现曲线拐点, 产品适合 100 Hz~100 kHz 频率段。

3

试验与分析

3.1 产品设计定型试验 产品设计定型试验,需通过二次高温负载试验。 其高温负载特性试验如下:施加额定工作电压,在

3.2 上机负荷试验 上机验证参考方案如下:按电路设计将电容器组 装成分频器,接上音源(如 CD、VCD、DVD 等),配 上满足整机设计功率要求的放大器, 连接音箱(按设计 功率并可测分频电流);单曲重放《×××》歌曲,环 境温度 38℃左右 ,电源电压 220 V,电源高电压 240 V;配接 AB207KB 功放,主音量置××位置,其它音 调旋钮置中;工作电压常压 220 V 工作 48 h,工作电 压高压 240 V 工作 2 h; 工作电压常压 220 V、 高温 85℃ 连续工作 48 h;监测实验全过程,无失音、断续失音、 音响失真;试验结束后检查电容器外观有无漏液、鼓 胀等异常,检测电容器电容量、漏电流等性能指标是 否在合格范围。 CM04 系列电容器产品经使用厂家设计采纳, 并 经上机负荷试验全部性能优良,验证全部合格(详见 表 3) 。

表 3 CM04 产品上机验证数据 UR / V CR /μF 外形尺寸 D×H / mm I 分频 max /mA f 分频 /Hz IL /μA tgδ(max)/10–2 ΔC·C–1/% t /℃ 上机负荷验证 Tab.3 Data of circuit experiment in equipment for CM04 50~ 100 V 4.7 10 22 12×31 679 4 200 16×34 16×42

2.2 10×22 357 9 000

3.3 12×26 520 6 000

47 19×42

68 22×45 4 208 290

100 25×52 5 845 200

1 197 1 972 3 143 2 000 900 420 0.03 CU + 3 (?A) 4 ±20;±10 –40 ℃~+ 85 ℃ 电容量、损耗角正切值、漏电流及外观符合规定要求

4

结论

参考文献:
[1] [2] [3] [4] [5] [6] 张继虞.实用音箱制作技术[M]. 福州:福建科学出版社,1997. 梁华. Hi-Fi 音响技术[M]. 沈阳:辽宁科学出版社,1995. 陈国光,曹婉真.电解电容器(修正本)[M]. 西安:西安交通大学出版社,1993. 林学清.铝电解电容器工程技术[M]. 厦门:厦门大学出版社,2002. 崔志武, 韦春才, 王绍洲.铝电解电容器[M]. 北京:学宛出版社,1992. 陈卫东.铝电解电容器 S 矫正电路的研究[J]. 电子元件与材料.1989, 8(5): 37–39. [7] 姜正明.一种全封闭式轴向铝电解电容器[P].中国专利: ZL99212615.0. (编辑:傅成君)

研制开发出具有高稳定性、高电导率和优良高频 特性的 Z 系列工作电解液,通过电容器结构的改进、 原材料的筛选,生产的 CM04 型电容器产品经用户厂 家设计采纳并经上机负荷试验全部性能优良。


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