上期回顧：電容選型與應(yīng)用知識系列大講臺—電容基礎(chǔ)知識大搜羅

中心議題：

• 電解電容的原理
• 電解電容的優(yōu)、缺點
• 鋁電解電容器的壽命
• 鋁電解電容器的電路設(shè)計

一、電解電容的原理
電解電容是電容的一種，介質(zhì)有電解液，涂層有極性，分正負(fù)，不可接錯。電容由兩個金屬極，中間夾有絕緣材料（介質(zhì)）構(gòu)成。電解電容器通常是由金屬箔（鋁/鉭）作為正電極，金屬箔的絕緣氧化層作為電介質(zhì)，電解電容器以其正電極的不同分為鋁電解電容器和鉭電解電容器。鋁電解電容器的負(fù)電極由浸過電解質(zhì)液（液態(tài)電解質(zhì)）的薄紙/薄膜或電解質(zhì)聚合物構(gòu)成；鉭電解電容器的負(fù)電極通常采用二氧化錳。由于均以電解質(zhì)作為負(fù)電極（注意和電介質(zhì)區(qū)分），電解電容器因而得名。

 
延伸閱讀：電解電容解構(gòu)

二、電解電容的特點
電解電容器特點一：單位體積的電容量非常大，比其它種類的電容大幾十到數(shù)百倍。
電解電容器特點二：額定的容量可以做到非常大，可以輕易做到幾萬μf甚至幾f（但不能和雙電層電容相比）。
電解電容器特點三：價格比其它種類具有壓倒性優(yōu)勢，因為電解電容的組成材料都是普通的工業(yè)材料，比如鋁等等。制造電解電容的設(shè)備也都是普通的工業(yè)設(shè)備，可以大規(guī)模生產(chǎn)，成本相對比較低。
 
三、電解電容的缺點
內(nèi)部損耗大：此主要是由于電解液所形成的電阻 加上相對于容量下鋁箔及接點本身的電阻所形成 此內(nèi)電阻 在等價電路上為串聯(lián)電阻亦即影響逸散因子的因素。在大電流充放電時，可能會引致發(fā)熱等現(xiàn)象。
 
靜電容量誤差大：因為電解電容器的大部分電容量是依靠鋁箔表面凹凸不平的曲面及電解形成的氧化膜介質(zhì)所形成，而此二者不管在進(jìn)行處理或使用時，性質(zhì)均不安定，使得許多電解質(zhì)電容器的容量誤差為標(biāo)示值的-20％到+80％。為此項缺陷在電源電路中并無所影響。
 
漏電流大：主要是因為介質(zhì)特性的關(guān)系，此在使用于交連等需要隔絕直流之處宜特別注意。
長期儲存后，漏電流有增大及容量降低之傾向：此乃由于氧化鋁膜長期浸漬在電解液中，使鋁膜的介質(zhì)特性劣化所致，但可于施加電壓若干時間后恢復(fù)之。
 
延伸閱讀：電解電容知識

四、鋁電解電容
鋁電解電容與其他的電容相比，具有體型小、容量大、對抗過高電壓和逆向電壓能力強(qiáng)的特征。在要求高性能和高信賴度的計算機(jī)、 導(dǎo)航儀技術(shù)以及影像設(shè)備、照相機(jī)閃光燈中得到廣泛應(yīng)用。

1.電容量
電容器的電容量由測量交流容量時所呈現(xiàn)的阻抗決定。交流電容量隨頻率、電壓以及測量方法的變化而變化。JISC5102 規(guī)定:鋁電解電容的電容量的測定是在 120HZ 頻率,最大交流電壓為 0.5Vrms、DC bias電壓為 1.5～2.0V 的條件下進(jìn)行。鋁電解電容器的容量隨頻率的增加而減小。以下是典型的電容量隨頻率變化圖：

和頻率一樣，測量時的溫度對電容器的容量有一定的影響。隨著測量溫度的下降，電容量會變小。以下是典型的電容量隨頻率變化圖：

另一方面，直流電容量，可通過施加直流電壓而測量其電荷得到，在常溫下容量比交流稍微的大一點，并且具有更優(yōu)越的穩(wěn)定特性。
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2.Tanδ（損耗角正切）
在等效電路中，串聯(lián)等效電阻 ESR 同容抗 1/ωC 之比稱之為 Tan   δ，其測量條件與電容量相同。

 
Tanδ=RESR/ (1/ωC)=ωC RESR
 
其中：RESR =ESR（120 Hz），ω=2πf，f=120Hz
 
Tan δ隨著測量頻率的增加而變大，隨測量溫度的下降而增大。以下是典型的電容量隨頻率變化圖：

 
3.阻抗（Z）
在特定的頻率下，阻礙交流電通過的電阻就是所謂的阻抗（Z）。它與容量以及電感密切相關(guān)，并且與等效串聯(lián)電阻 ESR 也有關(guān)系。具體表達(dá)式如下：

以下是典型的電容量隨頻率變化圖：

 
由圖可知電容的容抗（Xc）在低頻率范圍內(nèi)隨著頻率的增加逐步減小，頻率繼續(xù)增加達(dá)到中頻范圍電抗（XL）降致 ESR。當(dāng)頻率達(dá)到高頻范圍感抗（XL）變?yōu)橹鲗?dǎo)，所以電抗隨著頻率的增加而增加。由于電解液電導(dǎo)率隨溫度改變而改變，所以阻抗隨著溫度的變化而變化如下圖所示：

4.漏電流
電容器的介質(zhì)對直流電具有很大的阻礙作用。然而，由于鋁氧化膜介質(zhì)上浸有電解液，在施加電壓時，重新形成以及修復(fù)氧化膜的時候會產(chǎn)生一種很小的稱之為漏電流的電流，剛施加電壓時，漏電流較大，隨著時間的延長，漏電流會逐漸減小并最終保持穩(wěn)定。

測試溫度和電壓對漏電流具有很大的影響。漏電流會隨著溫度和電壓的升高而增大（如下圖所示）。

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5.鋁電解電容器的壽命
5.1.忽略紋波電流時的壽命推算
一般而言，鋁電解電容器的壽命與周圍的環(huán)境溫度有很大的關(guān)系，其壽命可以由以下公式計算。與溫度比較，降壓使用對電容器的壽命影響很小，可忽略不計。

其中，L：溫度 T 時的壽命，L0：溫度 T0 時的壽命
 
5.2.考慮紋波電流時壽命的推算
疊加紋波電流，由于內(nèi)部等效串連電阻（ESR）引起發(fā)熱，從而影響電容器的使用壽命，產(chǎn)生的熱量可由下式計算

其中，I：紋波電流（Arms），R：等效串聯(lián)電阻（Ω）
由于發(fā)熱引起的溫升如下式所示：
 
其中，△T:電容器中心的溫升（℃）,I::紋波電流 (Arms) ,R: ESR (Ω),A:電容器的表面積(cm2), H:      散熱系數(shù)( 1.5~2.0x10-3W/cm2℃)
 
上面公式（3）顯示電容器的溫度上升與紋波電流的平方以及等效串聯(lián)電阻 ESR 成正比，與電容器的表面積成反比，因此，紋波電流的大小決定著產(chǎn)生熱量的大小，且影響其使用壽命，電容器的類型以及使用條件影響著△T 值的大小，般情況下，△T<5℃。下圖表示紋波電流引起的溫升的測量處

測試結(jié)果：
 
（1）.考慮到環(huán)境溫度和紋波電流時的壽命公式
 
其中，Ld：直流工作電壓下的使用壽命,（K=2，紋波電流允許的范圍內(nèi)）,（K=4，超過紋波電流范圍時）,T0：最高使用溫度,T：工作溫度,△T：中心溫升
 
（2）電容器工作在額定的紋波電流和上限溫度時，電容器的壽命可通過轉(zhuǎn)化（4）式得到，如下：

其中，Lr：工作在額定紋波電流和最高工作溫度下的壽命（h）,△T0：最高工作溫度下的電容器中心容許溫升。
 
（3）考慮紋波電流，環(huán)境溫度時可由（5）式得到下式：

其中，I0：最高工作溫度下的額定紋波電流（Arms）,I：疊加的紋波電流（Arms）
 
由于直接測量電容器的內(nèi)部溫升存在著困難，下表列出了表面溫度和內(nèi)部核心溫度的換算關(guān)系。

壽命的推算公式，原則上適用于周圍環(huán)境溫度為+40℃到最高工作溫度范圍內(nèi)，但由于封口材料的老化等因素，實際的推算壽命時間一般最大為 15 年。

表 5-1    壽命推算曲線

延伸閱讀：電解電容的使用壽命
                 淺談電解電容壽命——請注意測試條件！
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 6.冗余電壓
鋁電解電容器先充電，再放電，而后再將兩引線短接，再將其放置一段時間后，兩端子間存在電壓上升的現(xiàn)象；由這種現(xiàn)象所引起的電壓稱之為再生電壓。當(dāng)電壓施加在介質(zhì)之上時，在介質(zhì)內(nèi)部引起電子的轉(zhuǎn)移，從而在介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電場，其方向與電壓的方向相反，這種現(xiàn)象稱之為極化反應(yīng)。在施加電壓引起介質(zhì)極化后，如果兩端子進(jìn)行放電一直到端子間的電壓為零，而后將其開路放置一段時間后，一種潛在的電勢將出現(xiàn)在兩端子上，這樣就引起了再生電壓。再生電壓在電容器開路放置 10~20 天時達(dá)到峰值，然后逐漸降低，再生電壓有隨元件變大而增大的趨勢（基板自立形）如果電容器在產(chǎn)生再生電壓后，兩端子短路，瞬間高電壓放電可能引起組裝線上的操作員工的恐懼感，并且，有可能導(dǎo)致一些低壓驅(qū)動元件（如CPU，存儲器等）被擊穿的危險，預(yù)防出現(xiàn)這種情況的措施是在使用前加 100Ω~1KΩ的電阻進(jìn)行放電，或者在產(chǎn)品包裝中用鋁箔覆蓋引起兩端子間短路。
 
7.極性
鋁電解電容器一般是有極性的。極性接反是造成鋁電解電容器短路及漏液的原因，并可能導(dǎo)致危險的發(fā)生。因此在無法辨識的電氣回路上或使用于有極性變換設(shè)計的回路時，請選用雙極性電解電容器。
 
8.電解電容器的儲存
電解電容器應(yīng)在溫度為 5～30℃，濕度為 75%以下的室內(nèi)儲存。當(dāng)電解電容器經(jīng)過了長時間放置后，由
于原電池的作用使其漏電流有增加傾向。因此在使用經(jīng)過長時間放置的電解電容器以前，需先施加額定電
壓直至其電氣特性恢復(fù)正常。
 
9.電路設(shè)計
在電路設(shè)計及生產(chǎn)過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照鋁電解電容器的額定性能范圍使用，盡量避免下述情況下使用
（1）     高溫（溫度超過最高使用溫度）
（2）     過流（電流超過最高紋波電流）
（3）     過壓（電壓超過最高額定工作電壓）
（4）     反向加壓或交流電壓
（5）     使用于多次急劇充放電的回路中
電容器外殼、輔助引出端子與正、負(fù)極以及電路板間必須完全隔離；當(dāng)電容器套管的絕緣性能不能保證時，在有絕緣性能特定要求的地方不要使用；
 
電容選型與應(yīng)用知識系列大講臺—電解電容應(yīng)用選型篇（二）