电解电容的结构原理与性能参数.docx

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电解电容的结构原理与性能参数

1.电解电容概况：

首先，在深入学习了解电解电容之前，我们必须给电容下个定义，这里我援引一位IT界资深硬件专业人士万鹏先生的一个定义：

电容就是两块导体之间夹杂着一块绝缘体而构成的一种电子元器件。

从物理学上讲，它是一种静态电荷存储介质〔就像一只水桶一样，你可以把电荷充存进去，在没有放电回路的情况下，并且不考虑介质漏电和自放电效应，电荷会永久存在，这是它的特征〕，它的用途较广，它是电子、电力领域中不可缺少的电子元件。

电容的产量占到全球电子元器件产量的40%以上。

根本上所有的电子产品，里面都有电容的存在。

电容是两块导体〔阴极和阳极〕夹杂着一块绝缘体〔介质〕构成的电子元器件。

因此，电容首先按照介质来分类。

根据介质的不同，可将电容分为三大类：

无机介质电容、有机介质电容和电解电容。

这里，我们着重研究电解电容。

如果说电容是电子元器件中最重要和不可取代的元件的话，那么电解电容器又在整个电容产业中占据了半壁江山。

我国电解电容年产量300亿只，且年平均增长率高达30%，占全球电解电容产量的1/3以上。

大家别小看电解电容，它其实是一个国家的工业能力和技术水平的反映。

世界上最先进的电解电容的设计和生产国是美国和日本，顶级的电解电容器的生产工艺要求非常高，别看我国电解电容产量这么高，可是各项核心技术都掌握在其它国家手里，我国也就能算来料加工的“世界工厂〞而已，自主力量还很薄弱，并且生产的产品也都以低档的为主。

因此，对于电解电容的研究，具有十分重要的意义。

2.〔电解〕电容的作用：

电容的用途非常多，主要有如下几种：

1隔直流：

作用是阻止直流通过而让交流通过；

2退耦：

为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路，将不需要的交流信号去掉；

3耦合：

作为两个电路之间的连接，允许交流信号通过并传输到下一级电路；

4温度补偿：

针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响进行补偿，改善电路的稳定性；

5计时：

电容器与电阻器配合使用，确定电路的时间常数；

6调谐：

对与频率相关的电路进行系统调谐，比方、收音机、电视机；

7滤波：

电源电路中将交流电压滤成平滑的直流电压减小负载电路的纹波干扰；

8储能：

储存电能，用于必须要的时候释放。

例如相机闪光灯。

有极性电解电容器通常在电源电路或中频、低频电路中起电源滤波、退耦、信号耦合及时间常数设定、隔直流等作用。

一般不能用于交流电源电路，在直流电源电路中作滤波电容使用时，其阳极〔正极〕应与电源电压的正极端相连接，阴极〔负极〕与电源电压的负极端相连接，不能接反，否那么会损坏电容器。

3.电解电容的结构原理：

电解电容器通常是由金属箔〔铝/钽〕作为正电极，金属箔的绝缘氧化层〔氧化铝/钽五氧化物〕作为电介质。

电解电容器以其正电极的不同分为铝电解电容器和钽电解电容器。

铝电解电容器的负电极由浸过电解质液〔液态电解质〕的薄纸/薄膜或电解质聚合物构成；钽电解电容器的负电极通常采用二氧化锰。

由于均以电解质作为负电极〔注意和电介质区分〕，电解电容器因而得名。

4.电解电容特点：

电解电容器特点一：

单位体积的电容量非常大，比其它种类的电容大几十到数百倍。

电解电容器特点二：

额定的容量可以做到非常大，可以轻易做到几万μf甚至几f〔但不能和双电层电容比〕。

电解电容器特点三：

价格比其它种类具有压倒性优势，因为电解电容的组成材料都是普通的工业材料，比方铝等等。

制造电解电容的设备也都是普通的工业设备，可以大规模生产，本钱相比照拟低。

我们公司常用的电解电容型号为：

CD11K系列〔广州市广宏佳电子〕、KM系列〔深圳中怡达电子〕、CDVS系列〔常州华威电子〕、CD268系列〔海门市三鑫电子有限责任公司〕

5.电解电容分类：

5.1铝电解电容器

铝电解电容器是将附有氧化膜的铝箔和浸有电解液的衬垫纸，与阴极箔叠片一起卷绕而成。

铝电解电容器分为有极性和无极性两种结构，其外形封装有管式和立式等，电极引出方式有轴向型、同向型〔单向〕和螺栓式，外壳有纸壳、铝壳和塑料壳。

铝壳电解电容器外面还套有蓝色或黑色、灰色的塑料套，上面标注有型号、电容量、耐压值及允许误差等。

铝电解电容器广泛应用于家用电器和各种电子产品中，其容量范围较大，一般为1~1000μF，甚至更高，额定工作电压范围为6.3~450V。

其缺点是介质损耗、容量误差较大〔最大允许偏差为+100%、-20%〕，耐高温性较差，存放时间长容易失效。

5.2钽电解电容器

钽电解电容器有无极性钽电解电容器和有极性钽电解电容器之分。

有极性钽电解电容器的阳极〔正极〕材料采用金属钽材料，与铝电解电容器相比，其介质损耗小，频率特性好，耐高温，漏电流小，但生产本钱高，耐压值低，广泛应用于通信、航天、军工及家用电器上种中、低频电路和时间常数设置电路中。

根据钽电解电容器阳极结构的不同，又可分为箔式钽电解电容器和钽粉烧结式钽电解电容器两种。

5.2.1箔式钽电解电容器 箔式钽电解电容器也称液体钽电解电容器，内部采用卷绕芯子，阴极〔负极〕为液体电解质，介质为氧化钽，较铝电解电容器的氧化膜介质稳定性高，寿命长。

箔式钽电解电容器通常采用银外壳，封装形式为管式轴向型或立式柱型。

常用的国产箔式钽电解电容器有CA30、CA31、CA35、CAK35等系列。

5.2.2钽粉烧结式钽电解电容器 这种电容器的阳极〔正极〕是用颗粒很细的钽粉压块后烧结而成的，其工作电解质分为固体电解质和非固体电解质。

常用的国产钽粉烧结式钽电解电容器有CA40、CA41、CA42、CA42H、CA49、CA70〔无极性〕等系列。

5.3其它电解电容器

5.3.1铌电解电容器 铌电解电容器是用铌金属作为阳极〔正极〕，介质为氧化铌。

按其阳极结构可分为烧结式铌电解电容器和箔式铌电解电容器。

工作电解质也有固体和非固体之分。

铌电解电容器的性能仅次于钽电解电容器，但优于铝电解电容器。

5.3.2钛电解电容器和钽-铌合金电解电容器 钛电解电容器是用钛金属作为阳极〔正极〕，介质为氧化钛。

钽-铌合金电解电容器的阳极〔正极〕是用钽-铌合金粉烧结而成，介质为其外表上的氧化膜。

6.电解电容性能参数：

电路系统性能的稳定可靠，与选用的元器件参数、等级、质量等密切相关。

电路中使用的铝质电解电容一般用于电源平滑滤波，除容量、耐压、容量误差、工作温度、封装尺寸等熟知的参数外，还有儿个有关电容器品质的重要参数，包括损耗角正切、漏电流、等效串联电阻ESR、允许的纹波电流、使用寿命等。

这些参数不标在成品封装外皮上，只在产品规格书中表达的，但这些参数有可能是关系电路性能的关键。

电解电容主要参数包括如下几个局部：

6.1标称电容量

在实际电容选型中，对电流变化节奏快的地方要用容量较大的电容，但并非容量越大越好，首先，容量增大，本钱和体积可能会上升，另外，电容越大充电电流就越大，充电时间也会越长。

这些都是实际应用选型中要考虑的。

电解电容国际标准电容量:

1uf；2.2uf；3.3uf；4.7uf；6.8uf；10uf；22uf；33uf；47uf；68uf；100uf；120uf；150uf；220uf；330uf；470uf；560uf；680uf；820uf；1000uf；1200uf；1500uf；2200uf3300uf……

6.2额定工作电压

在规定的工作温度范围内，电容长期可靠地工作，它能承受的最大直流电压。

在交流电路中，要注意所加的交流电压最大值不能超过电容的直流工作电压值。

电容在电路中实际要承受的电压不能超过它的耐压值。

在滤波电路中，电容的耐压值不要小于交流有效值的1.42倍。

另外，还要注意的一个问题是工作电压裕量的问题，一般来说要在15%以上。

例如某电容的额定电压是50V，虽然浪涌电压可能高至63V，但一般最高只会施加42V电压。

让电容器的额定电压具有较多的余裕，能降低内阻、降低漏电流、降低损失角、增加寿命。

虽然说48V的工作电压使用50V的铝电解电容短时间不会出现问题，但使用久了，寿命就有可能降低。

常用的固定电容工作电压有4V；；10V；16V；25V；35V；50V；63V；100V；160V；200V；250V；350V；400V；450V；500V；630V。

6.3正切损耗角

电容器在电场作用下消耗的能量，通常用损耗功率和电容器的无功功率之比，即损耗角的正切值表示。

在电容器的等效电路中，串联等效电阻ESR同容抗1/ωC之比称之为Tanδ〔即：

tanδ=ESR/（1/wC）=wC*ESR〕，这里的ESR是在120Hz下计算获得的值。

显然，Tanδ随着测量频率的增加而变大，随测量温度的下降而增大。

损耗角越大，电容器的损耗越大，损耗角大的电容不适于高频情况下工作。

散逸因数dissipationfactor（DF）存在於所有电容器中，有时DF值会以损失角tanδ表示，此参数愈低愈好。

DF值是高还是低，就同一品牌、同一系列的电容器来说，与温度、容量、电压、频率都有关系；当容量相同时，耐压愈高的DF值就愈低。

此外温度愈高DF值愈高，频率愈高DF值也会愈高。

6.4漏电流

电容器的介质对直流电流具有很大的阻碍作用。

然而，由于铝氧化膜介质上浸有电解液，在施加电压时，重新形成的以及修复氧化膜的时候会产生一种很小的称之为漏电流的电流。

通常，漏电流会随着温度和电压的升高而增大。

它的计算公式大致是:

I＝K×CV。

漏电流I的单位是μA，K是常数。

一般来说，电容器容量愈高，漏电流就愈大。

从公式可得知额定电压愈高，漏电流也愈大，因此降低工作电压亦可降低漏电流。

6.5纹波电流和纹波电压

在有的资料中称作涟波电流和涟波电压。

纹波电流通常是指加在电解电容上的电压〔直流偏压〕中的交流成分引起的电流。

假设加在电解电容上的电压没有直流偏压，那么纹波电流就等于流过电容的交流电压。

在纹波电流的影响是引起电解电容发热。

所以评价纹波电流有两种方法，一种是测量电容的温升，另外一种是测量纹波电流本身

纹波电压等于纹波电流与ESR的乘积。

当纹波电流增大的时候，即使在ESR保持不变的情况下，纹波电压也会成倍提高。

换言之，当纹波电压增大时，纹波电流也随之增大，这也是要求电容具备更低ESR值的原因。

叠参加纹波电流后，由于电容内部的等效串连电阻〔ESR〕引起发热，从而影响到电容器的使用寿命。

一般的，纹波电流与频率成正比，因此低频时纹波电流也比拟低。

额定纹波电流是在最高工作温度条件下定义的数值。

而实际应用中电容的纹波承受度还跟其使用环境温度及电容自身温度等级有关。

规格书目通常会提供一个在特定温度条件下各温度等级电容所能够承受的最大纹波电流。

甚至提供一个详细图表以帮助使用者迅速查找到在一定环境温度条件下要到达某期望使用寿命所允许的电容纹波量。

此电流关系到电解电容的带载温升，在电容寿命计算时候，在不测量电解电容中心点温度的情况下，可以通过此纹波电流来估计电容的设计寿命。

6.6阻抗和ESR

一只电容器会因其构造而产生各种阻抗、感抗。

ESR〔等效串联电阻〕及ESL〔等效串联电感〕是一对重要参数。

在特定的频率下，阻碍交流电流通过的电阻即为所谓的阻抗。

它与电容等效电路中的电容值、电感值密切相关，且与ESR也有关系。

电容的容抗在低频率范围内随着频率的增加逐步减小，频率继续增加到达中频范围时阻抗降至ESR的值。

当频率到达高频范围时感抗变为主导，所以阻抗是随着频率的增加而增加。

开关电源中的输出滤波电解电容器，其锯齿波电压频率高达数十kHz，甚至是数十MHz，这时电容量并不是其主要指标，衡量高频铝电解电容优劣的标准是“阻抗-频率〞特性，要求在开关电源的工作频率内要有较低的等效阻抗，同时对于半导体器件工作时产生的高频尖峰信号具有良好的滤波作用。

其中：

CA为阳极电容；Cc为阴极电容；RP为等效漏电阻电阻；ESR为等效串联电阻；ESL为等效串联电感；D为等效稳压管。

6.7温度特性

电解电容的容量值并在所有工作条件下都一成不变，其受温度的影响极为显著。

这是因为电解液的粘性会随着温度的下降而增加，从而削弱了其传导特性。

一般地，此特性曲线在低电压等级的电容器件上更显得陡峭。

一些低温应用电容之所以有着较好的低温表现及平稳的特征曲线是因其应用了特别的电解液配方。

相对于AC电容量而言，DC电容量的温度特征曲线会更平缓些。

6.8使用寿命

首先要明确一点，铝电解电容一定会坏，只是时间问题。

影响电容寿命的原因有很多，过电压，逆电压，高温，急速充放电等等，正常使用的情况下，最大的影响就是温度，因为温度越高电解液的挥发损耗越快。

需要注意的是这里的温度不是指环境或外表温度，是指铝箔工作温度。

厂商通常会将电容寿命和测试温度标注在电容本体。

因电容的工作温度每增高10℃寿命减半，所以不要以为2000小时寿命的铝电解电容就比1000小时的好，要注意确认寿命的测试温度。

每个厂商都有温度和寿命的计算公式，在设计电容时要参照实际数据进行计算。

需要了解的是要提高铝电解电容的寿命，第一要降低工作温度，在PCB上远离热源，第二考虑使用最高工作温度高的电容，当然价格也会高一些。

电解电容的最根本寿命公式〔MTBF〕，应以纹波电流为基准。

如果施加电流未超过厂商资料中规定的纹波电流值，那么以以下公式计算：

如果施加电流超过厂商资料中规定的纹波电流值，那么依以下公式计算：

其中:

L2：

实际使用条件下电容寿命估计值（小时）

L1：

厂商目录提供的电容预计使用寿命（小时）

T1：

电容器之额定最高工作温度

TX：

电容器实际使用时的周围温度

ΔTx：

电容器实际使用时因为纹波电流而产生的内部热温升，通常以ΔTx=5*

來表示.其中Iin：

为实际使用时的纹波电流大小（rms值）；Is：

为资料提供的纹波电流值。

当然，不同的生产厂家，会提供不同点计算公式。

这个公式仅供参考。

7.影响铝电解电容性能的因素：

7.1温度对参数性能的影响

温度上升，电解质内离子运动速度加快，同时穿过氧化膜的离子数增加导致漏电流增加。

但温度升高后也使电解质的粘度减少，因而内部等效串联电阻减少，导致损耗tanδ减小，电容量增加。

反之，温度下降时，漏电流减少，内部串联电阻增大导致损耗增加，电容量减少。

在温度很低时，电解质可能近于凝固，这时tanδ变得非常大，而容量那么很小，致使电容器失效。

7.2使用时间对参数性能的影响

在长时间的使用过程中，铝电解电容器的氧化膜会加厚，导致漏电流减少，电容量下降，同时由于电容器发热，会使电解液的水会蒸发致使电解液粘度增大，甚至干涸，串联电阻上升，导致损耗tanδ变得非常大，而容量那么很小，致使电容器失效。

7.3储存时间对参数的影响

铝电解电容器经长期贮存，未加电压，其氧化膜会在电解液的微弱的溶解力作用下逐渐变薄，因而容量、漏电流都会增加，而耐压那么减低。

这将导致电容在长期闲置存储后初始使用时会产生一个远超出额定数值的漏电流〔在最初一分钟内，此数值可能会到达额定数值的100倍左右〕。

虽然此电流将会回落到正常的额定值，但在应用电路设计中要考虑产品长期闲置后大漏电流的冲击承受能力—例如电路中设计中的其它与此相关的电路参数是否能够承受此冲击。

所以，储存日久的铝电解电容器不能立即使用，必须先加一低电压进行赋能，使其氧化膜逐渐得到修复后电容器的性能才趋于稳定。

8.电解电容实验考前须知：

8.1注意直流电解电容的正负极。

如果正负极接反，将产生异常电流，导致电路短路，甚至损坏器件本身。

如果不确定正负极性，就要使用直流双极电解电容。

直流电容不能使用在交流电路中。

8.2在额定电压范围内使用如果电容两端电压超过其额定电压，急剧增加的漏电流将导致电容特性的恶化或器件的损毁。

8.3在需要快速充放电的电路中不要使用电解电容如果在需要快速充放电的场合使用电解电容，那么电容发热将导致电容特性恶化甚至损坏。

8.4在额定纹波电流下使用如果纹波电流超过其额定纹波电流，电容寿命将缩短，在极端情况下，其内部发热会将其烧毁。

在这种电路中，要使用高纹波类型的电解电容。

8.5电容特性随着操作温度的改变。

电解电容的特性将会随着温度的改变而改变。

这种改变是暂时的，而且在初始温度下，仍然保持其初始特性〔如果在长时间的高温下，其特性还没有恶化的话〕。

如果使用温度超出其规定的温度范围，增加的漏电流将损坏电容器件。

设计中，要注意诸多因素对电容温度的影响，比方说周边温度的影响，设备的内部温度的影响，电路单元中其他发热器件的热辐射影响，还有电容本身由于纹波电流而引起的发热产生的影响。

一般情况下，标注的静电电容是在20℃，120Hz下的值。

这个值会随着温度的升高而增加，随着温度的降低而降低。

通常，标注的正切损耗角〔tanδ〕也是在20℃，120Hz下的值。

这个值随着周边温度的升高而降低，随着周边温度的降低而升高。

漏电流随着温度的升高而增加，随着温度的降低而减少。

8.6电容特性随着频率的变化当工作频率改变是，电解电容的特性会随之改变。

通常，电解电容的值是20℃，120Hz下的值。

该值随着频率的增加而增加。

同样，正切损耗角〔tanδ〕也是20℃，120Hz下的值，随着频率的增加而增加。

特性阻抗通常是20℃，100Hz下的值。

它将随着频率的降低而增加。

8.7铝电解电容的寿命当铝电解电容的特性恶化到致其失效时，它的寿命也就终止了。

温度和纹波电压是影响其寿命的两个重要因素。

参见东佳索引。

8.8存储过程中铝电解电容特性的改变。

在经过长时间的存储之后，无论是否装配在设备中，铝电解电容的的漏电流都会增加。

当周围温度较高时，这种趋势更为显著。

如果电容在常温下存储时间超过两年〔高温下时间更短〕，漏电流有所增加，推荐加电压存储。

考虑到初始增流的影响，推荐在设备中采用额外的保护电路。

8.9电容器和阴极引出端间的绝缘电容器和阴极引出端是通过电解液连接在一起的，电解液的阻值又是不确定的。

所以，如果需要完全绝缘，须要在装配时加上一个绝缘器。

8.10PCB板立式电容的非接线端〔附加的引出端〕由于NC端没有绝缘，它应被装配在与电路其他器件电气隔离的地方。

8.11外部套筒如果在有机溶液中浸过后又曝露在高温之中，覆盖在电容器外表的套筒可能会破裂。

铝电解电容的外部材料通常采用聚氯乙烯材料，但是，这层套筒仅仅只是用于标注指示目的而非用于绝缘。

如果您需要绝缘电容，请与我们联系。

8.12特殊的工作环境如果在含有高密度卤素化合物气体以及在PCB板的清洁中使用，铝电解电容将逐渐显示出腐蚀性。

在PCB清洁这种情况中，请事先与我们联系。

在特性环境中使用时，也请与我们联系。

8.13根据电容pin间距调整PCB板的孔间距根据电容pin间距调整PCB板的孔间距〔目录中的〞F〞距离〕。

要注意短路，断路以及漏电流的增加。

由于孔间距和pin间距的差距，可能会给引线端承当较多压力。

8.14带压力阀的电容器〔1〕当电容两端加上反向电压或正向电压过大时，电容内部压力会增大。

为了防止电容爆炸，电容器的一局部被做得很薄以具有压力阀的功能。

一旦电容被当作压力阀工作而损毁，就需要更换电容。

因为这个压力阀损毁是不能恢复的。

〔2〕当你使用一个具有压力阀功能的电容时，要保证压力阀的上方有足够的空间以防止干扰。

空间要求如下所示:

电容直径〔mm〕:

1820-354050所需空间〔mm〕:

2，03，04，05

8.15两层板当在两层板上使用电解电容时，注意装配电容的地方，其下方不能有走线。

否那么，可能导致短路故障。

8.16电容器的连接当有一个或多个电容并行连接时，要考虑其电流均衡。

当有2个或多个电容串联时，要考虑其电压的均衡，并加上一个并联电阻。