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电子知识

被动电子元器件之铝电解电容

作者:立深鑫        发布时间:12-03        点击:
摘要 : 电容器是与电阻、线圈并存的三大被动元器件之一,是可反复进行充电(电荷的蓄积)和放电的元器件。在被动电子元器件的产品种类构成中,电容器占比超半数份额,达 66%左右,三分天下占地两分。其中,铝电解电容市场占比达 34%,本文将从电容器件的浅谈,引出主角-铝电解电容器。
电容器是与电阻、线圈并存的三大被动元器件之一,是可反复进行充电(电荷的蓄积)和放电的元器件。在被动电子元器件的产品种类构成中,电容器占比超半数份额,达 66%左右,三分天下占地两分。其中,铝电解电容市场占比达 34%,本文将从电容器件的浅谈,引出主角-铝电解电容器。

电容器实质为将电介质平行地夹在金属板(电极)之间而构成。如果向金属板(电极)间施加直流电压, 就可将电荷蓄积起来。这就是电容器的蓄电原理。被蓄积起来的电荷量叫做静电电容,静电电容C由绝缘体的介电常数ε、电极的表面积S、绝缘体的厚度d来决定。可通过增大绝缘体的介电常数ε,增大电极的表面积S,减薄绝缘体的厚度d来增大静电电容C。

电容器是与电阻、线圈并存的三大被动元器件之一,是可反复进行充电(电荷的蓄积)和放电的元器件。在被动电子元器件的产品种类构成中,电容器占比超半数份额,达 66%左右,三分天下占地两分。其中,铝电解电容市场占比达 34%,本文将从电容器件的浅谈,引出主角-铝电解电容器。

电容器实质为将电介质平行地夹在金属板(电极)之间而构成。如果向金属板(电极)间施加直流电压,就可将电荷蓄积起来。这就是电容器的蓄电原理。被蓄积起来的电荷量叫做静电电容,静电电容C由绝缘体的介电常数ε、电极的表面积S、绝缘体的厚度d来决定。可通过增大绝缘体的介电常数ε,增大电极的表面积S,减薄绝缘体的厚度d来增大静电电容C。

如前所述,电容器具有以下特性,即①能够在瞬时进行充电和放电;②直流不会通过,但交流则会通过;③频率越高交流就越容易通过。故可以应用于以下放电电路(瞬时性)、平滑电路和耦合电路(阻直通交)、去耦电路(通高频)中。如前所述,电容器具有以下特性,即①能够在瞬时进行充电和放电;②直流不会通过,但交流则会通过;③频率越高交流就越容易通过。故可以应用于以下放电电路(瞬时性)、平滑电路和耦合电路(阻直通交)、去耦电路(通高频)中。


铝电解电容

电容器根据所使用的材料和结构等有许许多多的种类。此外,特性种类而有所差异,设计时根据这些特点来选择。主要的电容器有固定电容器、可变电容器。其中固定电容器包含极性(主要是电解电容器、电气双层电容器)和非极性(陶瓷、薄膜电容器)。本文将主要以电解电容器中应用较为广泛的铝电解电容器为主。

铝电解电容器一般采用如图2所示的结构,在阳极的铝箔表面形成作为电介质的铝氧化被膜,电解质(阴极)使用电解液,也起到修补氧化膜介质的作用。通过对铝箔的表面进行蚀刻来形成凹凸以增大电极表面积(S),再在极薄状态下形成氧化被膜的厚度(d)而实现的,故而电容较大。电解电容的高容量也是牺牲了很多其它的特性换来的,比如具有较大的漏电流、较大的ESR、ESL,容值误差较大、寿命短等。电解电容器的一些性质主要取决于氧化膜和电解液,故其虽具有极性,但在结构和工艺上采取措施后,也可制造出无极性的或用于交流的电解电容器。


铝电解电容

根据使用方法和外观等,作为电解电容领导者的台湾至美电器将铝电解电容器分为导电性高分子固态铝电解电容器、表面黏着型铝电解电容器、螺栓式铝电解电容器、直立式/卧式铝电解电容器、大型铝解电容器(图4)。如图3所示为其中两种的结构剖面图。

铝电解电容
铝电解电容
铝电解电容

根据组成电解电容可等效为如图 5 所示的电路。其中,R1:电极和引出端子的电阻;R2:阳极氧化膜和电解质的电阻;R3:损坏的阳极氧化膜的绝缘电阻;D1:具有单向导电性的阳极氧化膜;C1:阳极箔的容量;C2:阴极箔的容量;L :电极及引线端子引起的等效电感。这些小参数和结构决定了电解电容的总体参数。

铝电解电容

在选用电解电容时,要主要考虑以下几个总体参数:温度系数、 额定工作电压、绝缘电阻、损耗、频率特性。温度系数主要考虑到电解电容受热影响大,故而在使用时需要尽 量避开热源如大功率管、变压器等。(电解电容器的耐温性能很差, 如果工作电压超过允许值,介质损耗将增大,很容易导致温升过高, 最终导致损坏。)

额定工作电压与电容器的结构、介质材料和介质的厚度有关。超 过额定工作电压,电解电容内部电解质极化,引起漏电流大大增加, 于是介质的绝缘性能遭到破坏,使两个极板短接(介质击穿),完全 丧失电容的作用,电容器被毁坏。(电容器的额定工作电压应高于实 际工作电压,并留有足够余量,以防因电压波动而导致损坏。一般而言,应使工作电压低于电容器的额定工作电压的 10%~20%。在某些 电路中,电压波动幅度较大,可留有更大的余量。)

电解电容器的绝缘电阻一般较小。电容器漏电的大小用绝缘电阻 来衡量。电容器漏电越小越好,也就是绝缘电阻越大越好。损耗是在电场作用下,电容器单位时间内发热而消耗的能量。频率特性通常是指电容器的电参数(如电容量、损耗角正切值等)随电场频率而变化的性质。在高频下工作的电容器,由于介电常数在高频时比低频时小,因此电容量将相应地减小。与此同时,它的损耗将随频率的升高而增加。

这些参数决定了电容选取是否得到,应用是否合规。一旦操作出现问题,一些故障模式便出现了。电解电容产生选用不当或长时间工作或工作环境恶劣易出现如图5的问题,出现问题是可能是使用原因,对于采用了非正规厂家制造的产品时还会出现制造问题带来的原罪。


铝电解电容

在应用时,考虑前文的参数,也需要明确铝电解电容器的优缺点,更要明确在使用不当时带来的后果,从而谨慎选择电容器。如图5长时间使用、过高的纹波电流、急速充放电、施加AC电压等都会带来恶劣的影响。比如允许的最大纹波电流,如果铝电解电容器受到过度的纹波电流的影响,电解液将会由于不正常的自加热温度而迅速干燥,从而缩短了寿命。这种电容器可能会由于产生气体的内部压力而爆裂。所以,应用得当很重要。

虽然运用不当会有一定的威胁,然而,铝电解电容具有的优点也是不可忽略的。相比电路板上应用更广泛的陶瓷、薄膜电容器,铝电解电容器的电容值更大(以单位体积和电压等级而言),所以具有较高的容积效率。因此,电解电容器的单位体积电容比任何其他类型的电容器都高。其次,大多数铝电解电容器的额定电压要高于其他类型的电容器。又有,这些电容器具有极高的储能能力,因为它们既有高电容值,又具有高额定电压。电容器中存储的能量随电容值线性增加,随电压呈指数增加。

这些优点,使得在开关电源中电解电容应用广泛。同时,前文提到的具有较大的漏电流、较大的等效串联电感和电阻、容值误差较大、寿命短、怕热等缺点也是应用时必须考虑到的。铝电解电容器不仅具有较高的单位体积电容值,而且几乎可用于任何电子系统,包括用于过滤不需要的交流频率,以及在一些应用中用于储存能量。此外,由于它提供高电容值和低阻抗,因此也常用于DC-DC变换器、逆变器和电源之中。

一般在电路中用于低频耦合、旁路去耦等,电气性能要求不严格时可以采用电解电容器。低频放大器的耦合电容器,选用1-22μF的电解电容器。旁路电容器根据电路工作频率来选,如在低频电路中,发射极旁路电容选用电解电容器。在电源滤波和退耦电路中,可选用电解电容器。因为在这些场合中对电容器的要求不高,只要体积允许、容量足够就可以。此外,将两个同样的电解电容背靠背封装在一起,可以作为无极性电解电容,损耗大、可靠性低、耐压低,只能用于少数要求不高的场合 。

全球铝电解电容器应用领域的用量比例为消费性电子产品占45%,工业占23%,资讯13%,通信7%,汽车5%,其他7%。监视器、CD音响、电视机、电源供应器及主机板产品是铝电解电容器最典型的应用。随着电子设备的小型化,越来越要求电解电容器具有更好的频率特性、更低ESR、更低阻抗、更低ESL,更高耐压性能、无铅化,这也是电解电容器今后的发展方向。