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

中心議題：

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

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(cuò)。電容由兩個(gè)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(diǎn)
電解電容器特點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)三：價(jià)格比其它種類具有壓倒性優(yōu)勢，因?yàn)殡娊怆娙莸慕M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(duì)比較低。
 
三、電解電容的缺點(diǎn)
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(duì)于容量下鋁箔及接點(diǎn)本身的電阻所形成 此內(nèi)電阻 在等價(jià)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(shí)，可能會(huì)引致發(fā)熱等現(xiàn)象。
 
靜電容量誤差大：因?yàn)殡娊怆娙萜鞯拇蟛糠蛛娙萘渴且揽夸X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(shí)，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(xiàng)缺陷在電源電路中并無所影響。
 
漏電流大：主要是因?yàn)榻橘|(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(chǔ)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(shí)間后恢復(fù)之。
 
延伸閱讀：電解電容知識(shí)

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(duì)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(jì)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(shí)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(shí)的溫度對(duì)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(huì)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(diǎn)，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(duì)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(shí)，重新形成以及修復(fù)氧化膜的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一種很小的稱之為漏電流的電流，剛施加電壓時(shí)，漏電流較大，隨著時(shí)間的延長，漏電流會(huì)逐漸減小并最終保持穩(wěn)定。

測試溫度和電壓對(duì)漏電流具有很大的影響。漏電流會(huì)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(shí)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(jì)算。與溫度比較，降壓使用對(duì)電容器的壽命影響很小，可忽略不計(jì)。

其中，L：溫度 T 時(shí)的壽命，L0：溫度 T0 時(shí)的壽命
 
5.2.考慮紋波電流時(shí)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(jì)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(shí)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(shí)）,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(shí)，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(shí)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(shí)際的推算壽命時(shí)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(qǐng)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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)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(dòng)元件（如CPU，存儲(chǔ)器等）被擊穿的危險(xiǎn)，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(xiǎn)的發(fā)生。因此在無法辨識(shí)的電氣回路上或使用于有極性變換設(shè)計(jì)的回路時(shí)，請(qǐng)選用雙極性電解電容器。
 
8.電解電容器的儲(chǔ)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(chǔ)存。當(dāng)電解電容器經(jīng)過了長時(shí)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(shí)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(jì)
在電路設(shè)計(jì)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(shí)，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(shí)系列大講臺(tái)—電解電容應(yīng)用選型篇（二）