Ce que vous devriez savoir sur les condensateurs en aluminium électrolytiques ?

Structure de base de la construction d'un condensateur en aluminium électrolytique est présentée ci-dessous : Anode : feuille d'aluminium Diélectrique : oxyde d'aluminium Papiers séparateurs imprégnés d'électrolyte Conduction ionique assurée par l'électrolyte Cathode : feuille d'aluminium La plaque positive est une feuille d'aluminium gravée recouverte d'alumine qui est le diélectrique du condensateur

La plaque négative est constituée d'une deuxième feuille d'aluminium qui sert d'alimentation en courant, et de couches de papier imprégnées d'électrolyteLe métal utilisé pour l'anode est de l'aluminium de qualité ≥ 99,98 %Le diélectrique a une épaisseur de 13 Å / V

1. L'aluminium utilisé pour la cathode est un aluminium de qualité ≥ 98 % recouvert d'une couche diélectrique d'une épaisseur d'environ 40 Å
2. > Voir nos condensateurs dans le catalogue 2
3. Schéma du circuit équivalent CA = Capacitance de l'anode CK = Capacitance de la cathode Rp = Résistance parallèle due aux films d'oxyde d'aluminium
4. RL = Résistance en série des connexions, plaques et séparateur imprégné
5. Ls = Inductance de l'enroulement et des connexions

Un schéma simplifié standard est : Cs est la capacité en série des deux capacitances anode et cathodeLes condensateurs en aluminium électrolytiques sont naturellement polarisés à cause du film isolant sur l'anodeEtant donné la très fine couche d'oxyde d'aluminium, une tension inversée ne doit pas dépasser 1,5 V lorsqu'il y a une alimentation en énergie

Les tensions inversées de courte durée peuvent être absorbées par une construction spéciale, une deuxième anode remplaçant l'ancienne cathode

3Caractéristiques électriques ✪ Capacité nominale Cr La capacité nominale est définie à 100 Hz et à température ambiante

✪ Tension nominale Ur Ur est la tension continue maximale qui peut être appliquée en fonctionnement continu

Lors de l'application d'une tension alternative superposée, la valeur de crête de la forme d'onde résultante ne doit pas dépasser la tension nominale

✪ Tension de crête Up Up est la tension répétitive maximale qui peut être appliquée sur de courtes périodesDéfinie dans CECC 30 300 et IEC 60 384-4: 1000 cycles de 30 s de charge suivis d'une période de non charge de 5 min

30 s avec une température de catégorie supérieure

Up ≤ 1,15 UR (UR ≤ 315 V) Up ≤ 1,10 UR (UR > 315 V) ✪ Facteur de dissipation Tan Le facteur de dissipation ou de perte est défini par son tangent Tand ✪ Résistance équivalente en série ESR La relation entre ESR et le facteur de dissipation Tand✪ Impédance Z - Inductance L L'impédance est donnée par : Z =g R2 + (Lv –1 )2 Cv L inductance
En général, L = 5 à 20 nH Z et ESR en fonction de la fréquence suivent généralement le graphique : ✪ Courant de ripple admissible (I r.m.s.) Le courant est défini à la catégorie climatique maximale et à 100 HzIl s'agit de la valeur quadratique moyenne r.m.s
La valeur I0 est la valeur nominale pour les calculs de durée de vie jusqu'à 3 I0✪ Courant de fuite Il Il est mesuré à 20°C après une polarisation de 5 min
sous tension nominalePour CR en μF et UR en V: Il ≤ 0,01 CR UR ou 1 μA* lorsque CR UR ≤ 1000 μC Il ≤ 0,006 CR UR + 4 μA lorsque CR UR > 1000 μC Pour UR > 350 VDC, il peut être spécifié : avec K = 4, 6 ou 8 ou Il ≤ 0,3 (CR UR)0,7 + 4 μA (CECC 30 300) * Lequel que soit le plus grand ✪ Caractéristiques en fonction de la température (valeurs typiques)
- Derive de la capacité en fonction de la température - Dérives de ESR et Z à 100 Hz en fonction de la température - Dérive du courant de fuite en fonction de la température > Voir nos condensateurs dans le catalogue 4Spécification à appliquer Les condensateurs en aluminium électrolytiques sont définis dans : NF et UTE norme nationale française CECC spécifications européennes IEC spécifications internationales Les procédures d'assurance qualité sont décrites dans ces spécifications

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Tests d'endurance / durée de vie ✪ Test d'endurance standard à température de catégorie maximale : Les tests d'endurance standard ne dépassent pas 2000 heures à 125°CCependant, les technologies actuelles d'EXXELIA concernant les électrolytes liquides ont conduit à des tests d'endurance allant jusqu'à 5000 heures à 125°C (PRORELSIC 125 - FELSIC 125 RS) et même 20000 heures à 125°C (PRORELSIC 145 - ALSIC 145)
✪ Exigences de performance sur les tests d'endurance standard Dérive admissible de la capacité ∆C/C (%) Facteurs d'augmentation admissibles sur les valeurs initiales de Tand, ESR, Z et Il (1) Tand ou ESR : pour la valeur initiale, prendre la valeur standard(2) Z : pour la valeur initiale, prendre la valeur spécifiée (voir la fiche technique)

Des exigences spécifiques peuvent être prises en compte en ce qui concerne les valeurs initiales du facteur de dissipation ou de la résistance équivalente en série et de l'impédance
✪ Critères de défaillance pour les condensateurs électrolytiques Les critères de défaillance sont définis dans CECC 30 301 Défauts non mesurables conduisant à une défaillance complète

Défauts mesurables conduisant à des pertes d'ajustement du circuit de charge (défaillance due à des variations)

- Défauts non mesurables Ils pourraient être résumés comme suit : Circuit ouvert Court circuit Fonctionnement du dispositif de soulagement de pression Isolation gravement endommagée Terminaisons inutilisables - Défauts mesurables Les variations dépassant les valeurs ci-dessous caractérisent un défautDérive de la capacité ∆C/C (%) : 3 fois la limite pour les essais d'endurance standard ou 50 % (la plus petite des deux)

Tand ou ESR : 3 fois les valeurs initiales maximales standard

3 fois les valeurs initiales maximales standardIl : limite initiale (en conditions de charge)

Des exigences spécifiques peuvent être prises en compte en ce qui concerne des dérives inférieures
Influence du paramètre principal sur la durée de vie opérationnelle

- Température La durée de vie opérationnelle des condensateurs dépend fortement de leur température interne Ui et donc de la température ambiante et du courant de rippleConnaissant les valeurs de ESR et de puissance dissipée, on peut déterminer l'augmentation de la température interne et donc la durée de vie prévue des condensateurs

Avec les électrolytes actuels à point d'ébullition élevé, Ui max = 125 à 185°C selon les styles
- Courant de ripple Le courant de ripple traversant le condensateur augmente la température interne par dissipation de puissance
Les normes définissent le courant admissible à 100 Hz et considèrent généralement une augmentation de température de 5 à 10°C de la température de catégorie maximaleLes formes d'onde et les fréquences du courant rendent difficile la détermination précise de l'augmentation de la température interne du condensateur, qui définit la durée.

Up ≤ 1,15 UR (UR ≤ 315 V)
Up ≤ 1,10 UR (UR > 315 V)

✪ Dissipation factor Tan

The dissipation or loss factor is defined by its tangent Tand

✪ Equivalent series resistance ESR

The relation between ESR and dissipation factor Tand.

✪ Impedance Z - Inductance L

The impedance is given by: 
Z =g R2 + (Lv –1 )2
                        Cv
L inductance. Generally L = 5 to 20 nH

Z and ESR as function of frequency typically follows the chart: 

✪ Permissible ripple current (I r.m.s.)

The current is defined at the maximum climatic category and at 100 Hz.

It is the root mean square value r.m.s. The value I0 is the rated value for calculations of expected life up to3 I0.

✪ Leakage current Il

Il is measured at 20°C after a 5 min. polarization under rated voltage.

For CR in μF and UR in V: 
 Il ≤ 0,01 CR UR or 1 μA*
when CR UR ≤ 1000 μC
 Il ≤ 0,006 CR UR + 4 μA
when CR UR > 1000 μC
For UR > 350 VDC it can be specified: 
with K = 4, 6 or 8
or
 Il ≤ 0,3 (CR UR)0,7 + 4 μA (CECC 30 300)

* Whichever is the greater

✪ Characteristics

Versus temperature (typical values).

- Capacitance drift
Versus temperature

- ESR and Z drifts at 100 Hz
Versus temperature

- Leakage current drift

Versus temperature

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4. Specification to apply

Electrolytic aluminum capacitors are defined in: 

• NF and UTE French national standard
• CECC European specifications
• IEC international specifications

Quality insurance procedures are described in these specifications.

5. Endurance tests / life time

✪ Standard endurance test

at max category temperature: 

Standard endurance tests do not exceed 2000 hours at 125°C. However, present EXXELIA technologies concerning liquid electrolytes have led to endurance tests up to 5000 hours at 125°C (PRORELSIC 125 - FELSIC 125 RS) and even 20000 hours at 125°C (PRORELSIC 145 - ALSIC 145).

✪ Performance requirements on standard endurance tests

Permissible capacitance drift ∆C/C (%)
Permissible increase factors on Tand, ESR, Z and Il initial values
 

(1) Tand or ESR: for initial value, take standard value.
(2) Z: for initial value, take specified value (see data sheet ).

Specific requirements can be taken into consideration with regards to initial values of dissipation factor or equivalent series resistance and impedance.

✪ Failure criteria for electrolytic capacitors

Failure criteria are defined in CECC 30 301

• Non measurable defaults leading to complete failure.
• Measurable defaults leading to adjustment losses of the load circuit (failure due to variations).

- Non measurable defaults
They might be summed up as: 

• Open circuit
• Short circuit
• Operation of pressure relief device
• Severely damaged insulation
• Unusable terminations

- Measurable defaults
Variations exceeding the values given below characterize a default.

• Capacitance drift ∆C/C (%): 3 times the limit for standard endurance testing or 50 % (whichever is the smallest).
• Tand or ESR: 3 times standard max initial values.
• Z: 3 times standard max initial values.
• Il: initial limit (under load conditions).

Specific requirements can be taken into consideration with regards to lower drifts.

Influence of main parameter on operational life.

- Temperature

The capacitors operational life is highly dependent upon its internal temperature Ui and therefore upon the ambient temperature and the ripple current.
Knowing ESR and dissipated power values one can figure out, the internal temperature rise and then determine the capacitors expected life.
With present high boiling point electrolytes
Ui max = 125 to 185°C depending on styles.

- Ripple current
The ripple current flowing through the capacitor increase the internal temperature through power dissipation.
Standards define the permissible current at 100 Hz and generally consider a temperature rise of 5 to 10°C of max category temperature.
Current waveforms and frequencies make it difficult to clearly determine the capacitors internal temperature rise, which defines the operationally life.
Experiments confirm following relationship: 

Ui = Ua + (Uc - Ua) K

Where: 

• Ui = Internal hot spot temperature
• Ua = Ambient temperature
• Uc = Case temperature
• K = Parameter depending upon case diameter and cooling

Ø ≥ 51 k = 2 ± 0,5
Ø < 51 k = 1,5 ± 0,5    (air cooling - 0,2 m/s)

r.m.s. value according to current waveform.

- Dissipated power versus case dimension
For calculations of ripple currents, considering an internal temperature rise of 10°C

P = ESR.I ²
P = Dissipated power (mW)
(Ui - Ua = 10°C)
ESR: Equivalent series resistance (100 Hz 20°C)
I: Ripple current (r.m.s. value at 100 Hz)
For different frequencies from 100 Hz, I must be multiplied by the factor F, according to above chart.

- Thermal resistance Rth and air cooling
Rth is static thermal resistance (without cooling) between capacitor central hot spot and ambient temperature measured at a distance of one capacitor diameter

Forced or not cooling air can lead to a significant decrease of these values.
Consequently, r.m.s. ripple current can be increased as a function of air cooling speed: 

This parameter shall be applied to one capacitor alone.
For capacitors in bank, ambient temperature must be strictly equal around all capacitors.

- Quality guaranty
We guarantee products manufactured during 2 years from the data of shipment against defaults of material and assembly.
This guaranty can be involved by the buyer only if our products are used within normal conditions, always according to the state of the art and taking in account storage conditions.
The equipment design should take into consideration possible failures of our capacitors and related effects in order to avoid them.
Guaranty is not applicable for damages occurred by surge voltage, irregular use, polarity inversion or maintenance default.
Guaranty is exclusively limited to the replacement of individual defective capacitors within the terms of delivery. This rule applied to all cases and particularly to any further consequence of failures.

- Reliability
Failure rate: 
FR = Number of components tested x test duration / Number of failures

Failure rate is measured in FIT (failure in time = 10–9 / hour).
The failure rate is set up during the life time of the capacitor (phase II)

I. Early failure phase (generally excluded during ageing process).
II. Operational life time of the capacitors
III. End of life

Mean time between failures MTBF = 1/FR mesured in years

Multiplying factor of FR with voltage and temperature

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6. Information on application

✪ Cleaning solvents

Use aliphatic alcohols, such as denatured ethyl alcohol, isopropanol, or butylacetate, or else alkaline d Iluted solutions. Avoid incompatible solvents (halogenous for example).

✪ Shelf life

There is no electrical characteristics variation for long periods of storage except leakage current which can increase.
It is caused by chemical reactions between the dielectric alumina and the electrolyte. These reactions are reversible when switched on. Capacitors can generally be stored at temperature between –5° and +50°C without reforming for the following periods of time: 

• For UR ≤ 100 V, storage time:     5 years
• (up to 10 years under specific conditions)
• For 100 V < UR ≤ 360 V storage time:     3 years
• For 360 V < UR < 500 V storage time:     1 year
• For UR ≤ 500 V, storage time:     6 months

Generally when these periods are overstepped, one hour at rated voltage causes the decrease of leakage current under the specified limits. An other way to avoid this leakage current increase problem is to always limit ava Ilable power through capacitor during first seconds or minutes after storage or transport, according to the following chart: 
 

✪ Low pressure resistance

EXXELIA capacitors can be used with ambient low pressure decreasing up to 10 mbar (altitude 28000 m – 92000 feet).
 

✪ Mounting screw terminals capacitors (FELSIC)

Capacitors may be used vertically (terminals on top) or horizontally. When used horizontally, the following position in relation to the safety vent, is recommended: 
Mounting capacitors in series may be used for operating voltage exceeding Ur. See FELSIC in bank.

✪ Mounting solder type capacitors

They may be used in any position. During mounting, avoid applying excessive force to capacitor pins or wires. There is a risk of damaging internal connections.
After soldering and for the same reasons, do not try to move the capacitor's body.

✪ Electrolytes: safety rules

Electrolytes used in EXXELIA capacitors are manufactured by EXXELIA. Main solvents are generally g butyrolactone and ethylene glycol, very stable high boiling point solvents. Ionic conductive salts in electrolyte induce a very weak acidity (pH 5 to 7).

✪ Environment

In aluminium capacitors with liquid electrolyte there is no component showing a pollution risk, in small amounts, of air or water. EXXELIA is always involved in this security field particularly in using chemicals for electrolyte, without well-known risks.

• Dimethylformamide (DMF) dangerous solvent forbidden in several uses is completely excluded by EXXELIA,since 1990.
• There is no halogen compound such as chlorofluorocarbon (CFC or FCKW in german) or polychlorobiphenyl (PCBPyralene) or pentabromodiphenylether or octabromodiphenylether.

There is neither benzene, toluene or phenyl compound nor explosive such as picric acid, nor asbestos in plastic covers. All the capacitors made by EXXELIA since 1991, can be scrapped or used in raw materials recycling processes without special care in compliance with Community rules.

EXXELIA aluminium capacitors with non-solid electrolyte are particularly suitable for different kinds of environment taking in account severity increasing laws.
European directives 2003/11/EC, 2002/96/EC (WEEE) and 2002/95/EC (RoHS) applies to all EXXELIA capacitors including every solder type, manufactured with pure tin coated pins or wires, since at least January 2006.

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