电解电容.docx

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电解电容

电解电容在电路中地作用

1，滤波作用，在电源电路中，整流电路将交流变成脉动地直流，而在整流电路之后接入一个较大容量地电解电容，利用其充放电特性，使整流后地脉动直流电压变成相对比较稳定地直流电压。

在实际中，为了防止电路各部分供电电压因负载变化而产生变化，所以在电源地输出端及负载地电源输入端一般接有数十至数百微法地电解电容．由于大容量地电解电容一般具有一定地电感，对高频及脉冲干扰信号不能有效地滤除，故在其两端并联了一只容量为0.001--0.lpF地电容，以滤除高频及脉冲干扰．

2，耦合作用：

在低频信号地传递与放大过程中，为防止前后两级电路地静态工作点相互影响，常采用电容藕合．为了防止信号中韵低频分量损失过大，一般总采用容量较大地电解电容。

二、电解电容地判断方法

电解电容常见地故障有，容量减少，容量消失、击穿短路及漏电，其中容量变化是因电解电容在使用或放置过程中其内部地电解液逐渐干涸引起，而击穿与漏电一般为所加地电压过高或本身质量不佳引起。

判断电源电容地好坏一般采用万用表地电阻档进行测量．具体方法为：

将电容两管脚短路进行放电，用万用表地黑表笔接电解电容地正极。

红表笔接负极（对指针式万用表，用数字式万用表测量时表笔互调），正常时表针应先向电阻小地方向摆动，然后逐渐返回直至无穷大处。

表针地摆动幅度越大或返回地速度越慢，说明电容地容量越大，反之则说明电容地容量越小．如表针指在中间某处不再变化，说明此电容漏电，如电阻指示值很小或为零，则表明此电容已击穿短路．因万用表使用地电池电压一般很低，所以在测量低耐压地电容时比较准确，而当电容地耐压较高时，打时尽管测量正常，但加上高压时则有可能发生漏电或击穿现象．

三、电解电容地使用注意事项．当电源电路中地滤波电容极性接反时，因电容地滤波作用大大降低，一方面引起电源输出电压波动，另一方面又因反向通电使此时相当于一个电阻地电解电容发热．当反向电压超过某值时，电容地反向漏电电阻将变得很小，这样通电工作不久，即可使电容因过热而炸裂损坏．

2．加在电解电容两端地电压不能超过其允许工作电压，在设计实际电路时应根据具体情况留有一定地余量，在设计稳压电源地滤波电容时，如果交流电源电压为220~时变压器次级地整流电压可达22V，此时选择耐压为25V地电解电容一般可以满足要求．但是，假如交流电源电压波动很大且有可能上升到250V以上时，最好选择耐压30V以上地电解电容。

3，电解电容在电路中不应靠近大功率发热元件，以防因受热而使电解液加速干涸．

4、对于有正负极性地信号地滤波，可采取两个电解电容同极性串联地方法，当作一个无极性地电容。

5.对于有正负极性的信号的滤波，可采取两个电解电容同极性串联的方法，当作一个无极性的电容。

这样串联是等效于一只无极电解,耐压不变,容量按串联计,一般要求是两只容量,耐压一样的电容才这样接,可用一只无极电容代替

电解电容按照引脚极性可分为有极性电解电容和无极性电解电容；

电解电容按照制造材料可分为CD铝电解电容、CA钽电解电容、CN铌电解电容；

有极性电解电容有介质就是氧化膜，当电解电容正极接高电位，负极接低电位，电容器内部的氧化膜和电解质才能发生化学作用，从而具有较大的电容量的较小的漏电流，电解电容器才能发挥出正常的作用。

有极性电解电容器内部的氧化膜类似晶体管中的PN结，具有单向导电特性。

当有极性电解电容器的正极引脚接高电位，负极引脚接低电位时，氧化膜处于阻流状态，如同三极管中PN结处于反向偏置状态，正、负极板之间的漏电流很小，电解电容器正常工作。

当有极性电解电容器的负极引脚接高电位，正极引脚接低电位时，氧化膜处于通流状态，如同三极管中PN结外于的正向导通一样，两极板之间的漏电流很大。

当有极性电解电容的正负引脚接反后，严重情况下可能会发生爆炸现象。

电解电容的质量判断和普通电容器的检测方法一样，电解电容的容量检测一般都是专用仪器来测量。

电解电容的极性判断一般可以通过直接观察来分析，新的电解电容正极针脚长，在负极外表面标“-”负号；如果旧电解电容已经剪齐两脚，并且外面模糊不清的时候也可以用万用表来判断，将万用表置R×1k挡，测量其漏电流大小，然后对调表笔再测一次，比较两次测量结果，对漏电流较大的一次，黑笔所接的一端即为电解电容的正极，红表笔所接的一端为电解电容器的负极。

铝电解电容器基本构造、原理及基本电气参数

   一个基本铝电解电容器由如下几部分组成：

阴极铝箔；电解纸；电解液；阳极铝箔以及形成于阳极铝箔表面作为电介质的氧化铝层。

绕制结构示意图

1、电介质（氧化铝层）：

   如图一所示，形成于阳极内侧表面极薄的一层氧化铝在电解电容中扮演电介质的角色。

它具有优越的介电常数e及单向特性（rectifyingproperties）当与电解液接触后，这层氧化膜就具有优良的单方向绝缘特性（forwarddirectioninsulationproperty）。

电介质这一特性决定了一般电解容的单向极性应用。

如果阴/阳都有此般同样的氧化薄膜，那么其就成为无极性行电解电容。

在工艺上，这一层是在一片高纯度的蚀刻铝箔上进行极化处理而得。

阳极箔片进行极性化的这一过程需要施加一定的DC电压进行，这一电压被称为“化成电压”（FormingVoltage”）。

这个电介质层的厚度近乎正比于极化过程所施加的“化成电压”，大约有0.0013~0.0015（mm）/V的关系。

氧化铝形成的化学表达式：

2Al+3H2OàAl2O3+3H2（Gas）+3e-（Electron）。

电介质层同时构成了一个依电压变化而变化的电阻，经过此电阻的电流即所谓的漏电流。

当电压到达“化成电压”后，漏电流急剧上升以至损坏电容器。

此具有单向特性电介质无法承受反向的电压（大于1.5Vdc），很小的反向电压就会形成很大的反向电流以损坏电容器。

如下图所示：

阳极箔片进行极性化所施加的“形成电压”决定了电介质（氧化铝层）的厚度，而此厚度决定了此电容器的耐压等级。

2、电解液及电解纸：

   将电解纸隔离的阴阳铝箔绕卷成圆柱状，即可称为“电容器单元”。

但此时的电介质是电介纸和氧化铝层共同充当。

这种单元具有很小的电容量。

注入电解液后，阴阳铝箔就有了电气接触，电介质就单独由阳铝箔上的氧化铝层独自扮演了，而电解液就形成了实际的电容阴极。

电容的许多特性由这些电解液决定，故供应制造商会根据电气规格，工作温度及应用场合等配制不同的电解液以适应要求。

电解纸主要作用有：

以其毛孔存储电解液；提供阻止电气短路的足够空间；提供阴阳两铝箔所需的介电强度。

3、阴阳极铝箔：

   图一所示的阴阳铝箔面对面一边成曲线状，是为了表示这在工艺上对此两面进行了蚀刻处理以增加有效面积，从而增加了电容量。

4、电容量：

电解电容容量表达式如下：

（二）铝电解电容电气参数定义及特性

1电压参数

如上示意图，电解电容的电压参数主要有：

1.1额定电压（RatedvoltageUR）额定电压指电容器的设计最大连续正常工作电压。

1.2直流电压（DCVoltageUDC）额定电压指施加于电容器件的直流电压的平均值

1.3交流叠加电压/纹波电压（SuperimposedACVoltageUAC/ripplevoltage）

交流叠加电压又称纹波电压,指叠加于直流电压上的最大交流电压成分。

施加的DC电压与交流叠加电压（纹波电压）之和不能大于电容器的额定电压,既有关系式:

UAC+UDC≤UR。

1.4额定反向电压（RatedreversedvoltageURE）

额定反向电压指电解电容最大允许反向电压（非持续性）。

电介质（氧化铝层）单向特性（rectifyingproperties）决定了电解电容具有很小的反向耐压特性。

一般只有1V左右的容许量。

1.5浪涌电压（SurgevoltageUS）

浪涌电压指允许短时间内施加于电解电容的最大电压值。

按IEC60384-4规定，电电解电容应具有这样的浪涌电压值：

对于UR≤315V的电解电容，US=1.15XUR；对于UR315V的电解电容，＞US=1.10XUR。

浪涌电压允许持续的时间和发生的频率请参阅具体规格书目。

1.6瞬间电压（TransientvoltageUT）

有些电容能够承受得住大于浪涌电压的一个电压值，此一参数往往没能在供应商提供的公共性规格书中找到.这是由于这些特别的电容一般是根据客户提出的个性要求而特制，而非一般公售品。

2、容量值参数

2.1AC和DC容量

   电容量可由两种测试方法获得：

阻抗测量法（以相位及幅度考量）或者电量测试法（施加直流电压时其所存储的电量）.。

此两种方法的结果会有轻微的差异一般地。

直流电压测试方式得到的容量值（DC电容）会较交流方式得到的容量值（AC电容）大些.两者间的因子大约在1.1到1.5之间，此关系在低容量等级的产品中会有很大的偏差，对应于最常见之应用（即滤波及耦合），往往以AC电容值决定电解电容的容量。

电解电容简化等效电路模式

在正常使用情况下绝缘电阻极大。

故在一般应用分析情况下不表示出来

CS：

串联电容（即自身电容，以小于0.5V之交流电测试而得）

ESR：

等效串联电阻。

ESL：

等效串联电感。

其与引线、电容极板结构有关

   电容表现量受频率及温度影响很大，故IEC60384-1and60384-4作了如下测试条件规定：

于100Hz或120Hz及20°C温度条件下进行（其它参量由指定要求决定）。

在一些应用场合（例如利用充放电时间原理的电路）DC容量值起着决定性的作用，但我们还是利用AC测定方式确定容量，并借以误差量进行补偿校正。

在一些特别案例中仍是有必要进行DC容量的确定，IEC并未在此上进行说明，缘于此单独对此提供了一种测试方法（DIN41328，part4）。

2.2额定容量CR

   额定容量CR指的是AC容量值。

CR由（IEC60384-1and60384-4）相关标准提供的测试方法测试而得。

一般会在电容器上有标识。

2.3容量公差（Tolerance）

   电容容量公差是指偏离规格额定容量的范围值。

一般会在电容器上有标识。

如下图，IEC60062提供了一种符码表示法：

用字符对应某一误差量进行简化标记。

i2.4容量的温度特性

   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。

下图是容量的温度特性典型表现示意图：

Figure7TemperaturedependenceofseriescapacitanceCs（typicalbehavior）

Referencevalue:

ACcapacitanceat20°Cand100Hz

   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。

2.5容量的频率特性

   AC电容量除了跟温度有关外还跟频率有着很大关系。

下图是容量的频率特性典型表现示意图：

只要阻抗还在范围内（容性表现起支配作用），有效容量值即可由阻抗曲线得到。

电容量之频率特性曲线

C=1/（2*π*f*Z）

CCapacitanceF

fFrequencyHz

ZImpedanceW

              来自:

电源谷     

铝电解电容的漏楼电流、纹波和寿命

1、漏电流（LeakagecurrentIL）

   作为电介质的氧化铝层具有的一个特性：

即使在DC正向电压施加于电容器一段时间后仍有一个微小电流持续从正电极流向负电极。

这个微小的电流即称为漏电流。

越小的漏电流表明电介质制作得越精良。

1.1漏电流的时间/温度/正向电压特性：

图漏电流的时间特性

图漏电流的温度特性

图漏电流的正向电压特性

   如上图漏电流的时间特性所示，在施加正向电压的最初数分钟的时间内会出现一个很大的漏电流（称为涌入电流inrushcurrent。

电容器如长期未施加电压后这一现象就更明显）。

随着工作时间的延续，此漏电流将衰减到一个很小的“稳定状态”值。

漏电流的温度特性见中间一图所示，一般地随着温度的升高漏电流将会变得越来越大。

漏电流的温度特性见右边一图所示，一般地随着温度的升高漏电流将会变得越来越大。

AluminumElectrolyticCapacitors

1.2工作漏电流（OperatingleakagecurrentILOP）

   指稳定持续工作下的稳定电流。

一些制造商会提供一些关于此数值的计算方法或特征曲线。

不同制造商，不同规格类型的电容器，不同的应用环境（温度、所施加电压等）都有不同的计算方式或特征曲线，当单独对待。

例如EPCOS提供其AI的漏电流计算式如下：

   这些计算方法将得到额定电压UR及20°C条件时的漏电量数值。

对于其它温度和电压条件下则应该进行一些乘积运算，具体情况当根据规格数提供的方法进行折算。

例如DIN41240andDIN41332规定对其它温度条件的换算作了如下乘积运算：

温度（°C）

0

20

50

60

70

85

125

乘积因子（典型值）

0．5

1

4

5

6

10

12．5

Nichicon提供其AI的漏电流特征曲线：

1.3漏电流的测试标准（LeakagecurrentforacceptancetestIL）

   依据标准EN130300，当以额定电压正向施加于电容器5分钟时刻测试得到漏电流作为标准值。

对于双极型，数值当乘以2作为判定标准。

判定标准如下：

温度乘积变换如下

温度（°C）

15

20

25

30

35

乘积因子（典型值）

0．8

1

1．5

2

2．5

   仲裁测试被指定于20°C条件下。

依据标准IEC60384-4，漏电流合格与否的仲裁还需要先对电容器进行一个称为重整（Reforming）的预处理，然后再进行测试。

如不进行重整预处理漏电流测试就已经符合标准，那么预处理工作就可省略掉。

1.4无压存储对漏电流的影响（voltage-freestorage）

   无加压存储电解电容会使氧化层恶化，在高温环境下更是如此。

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，此数值可能会达到额定数值的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。

2、纹波电流（IRAC）

   额定纹波电流IRAC又称为最大允许纹波电流。

其定义为：

在最高温度工作温度条件下电容器最大所能承受的交流纹波电流有效值。

并且指定的纹波为标准频率（一般为100Hz/120Hz）的正弦波。

2.1纹波定义及其与寿命关系：

   纹波电流在这里指的是流经电容器的交流电流的RMS值，其在电容电压上的表现为脉动或纹波电压。

电容器最大允许纹波电流受环境温度、电容器表面温度（及散热面积）、损耗角度（或ESR）以及交流频率参数的限制。

温度是电解电容器件寿命的决定性因素，因此由纹波产生的热损耗将成为电容寿命的一个关键参考因数。

2.2纹波与频率：

   电解电容的损耗因子（其与ESR有关）随所施加电压的频率不同而不同。

故电容的纹波承受度不简单是一个固定量，跟其纹波频率还成一关系。

规格书目中提供的某一数值往往指的是100或120Hz的频率，或是一些特定的频率条件下。

对于其它频率情况规格书通常会提供一个转换因数。

2.3纹波与温度：

   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达到某期望使用寿命所允许的电容纹波量。

3、自寿命（ShelfLife）及负载寿命（LoadLife）

3.1自寿命（ShelfLife）

   当电解电容在不充电状态下长期放置之后，漏电流及ESR将会逐渐增大，而容量会逐渐衰减。

然而常温条件下普通电容两年左右的存储以及低漏电流电容约半年的存存储都不会令这些参数有太大的恶化。

故一般情况下这些特性都不会在实际应用中带来麻烦。

   这种变化往往被解释为电解液与氧化铝薄膜间的化学反应所致。

   另一个致使漏电流增大的原因是电解液渗透到氧化膜缺陷处并替代氧气扩散，以阻止缺陷处暴露于电解液高温的环境将令密封材质的密封力度逐渐衰减，从而加速电解液的挥散。

这些都会致使电容器参数的恶化。

   一般规格书目会提供一个上限温度情况下的自寿命值（多长的时间之后，容量值、损耗角、漏电流等关键参数能够保持在多少的范围之内）。

3.2负载寿命（LoadLife）

   当电解电容被长时间施加了一定的DC电压及纹波电流之后，一些关键参数将会往不良方面发展（容量衰减、损耗角增大等）。

规格书目将对这些变化量进行规范并据此定义其电容器件的寿命。

   在负载寿命测试中（施加了一定的DC电压及纹波电流），漏电流往往都保持着很小的一个数量值，这是由于其间的DC电压一直在对作为电介质的氧化铝层进行修复作用（消耗电解液）。

容量及损耗角的改变主要是由于电解液的消耗（挥散及自身分解）所致。

高温环境会加快电解液的消耗速度。

故负载寿命的计算其实就是归结为器件内部温度的求解过程。

电容基本原理和电气特性

一、电容基本公式

1、容量与构造一般关系式：

CCapacitance（F）

ε0Absolutepermittivity（ε0=8.85×10-12F/m）（As/Vm）

εrRelativedielectricconstant

ACapacitorelectrodesurfacearea（m2）

dElectrodespacing（m）

2、一般应用公式

电场能：

Wc（t）=1/2×（Vc）2*×C;△Wc=1/2×{（Vc1）2-（Vc1）2}×C=（∫Vc（t）×Ic（t）dt）/C

电压：

Vc（t）=Qc（t）/C;△Vc=△Qc/C=（∫I（t）dt）/C

电流：

Ic（t）=C×dVc（t）/dt

频域：

Zc=1/（jωC）=1/（j2πfC）;Xc=j2πfC;I（t）=C×du/dt=C×d[Umax×sin（ωt）]/dt=Umax/（1/ωC）cos（ωt）=Imax×sin（ωt+π/2）

二、电容器的基本参数

a、容量与误差：

实际电容量和标称电容量允许的最大偏差范围。

一般分为3级：

I级±5%，II级±10%，III级±20%。

精密电容器的允许误差较小，而电解电容器的误差较大，它们采用不同的误差等级。

常用的电容器其精度等级和电阻器的表示方法相同。

用字母表示：

D——005级——±0.5%；F——01级——±1%；G——02级——±2%；J——I级——±5%；K——II级——±10%；M——III级——±20%。

b、损耗角正切值（θ）：

通常以某一标准频率（例如120Hz）下数字电桥测定的数值为准，指在规定频率的正弦电压下，通过电容器的有功功率跟无功功率的比值。

c、涌浪电压或崩溃电压（Surgevoltage：

SV或Vs）：

超过这个电压值电容器件会有损坏的危险。

根据国际IEC384-4规定，低於315V时，Vs=1.15×VR，高於315V时，Vs=1.1×VR。

d、绝缘电阻：

绝缘电阻则是电容器隔离直流作用的数值化表征。

一般应用希望电容器的绝缘电阻越高越好。

在电解电容，这个参数一般用漏电流来表征。

e、ESR：

串联等效电阻，包括引线和铝箔的接触电阻、电解液的电阻等。

f、ESL：

串联等效电感。

g、其他参数：

击穿电压；允许通过的最大纹波电流；使用温度范围；温度系数；频率特性等

三、实际电容器基本等效电路

实际电路中一般的电容器件在电路的分析可以做如下简单等效：

C：

自身电容；

Rleak：

绝缘电阻。

表达电容器漏电量大小；

ESR：

等效串联电阻。

表表征电容器损耗角的大小。

其跟引线、焊接和介质极化有关。

ESL：

等效串联电感。

其与引线、电容极板结构有关。

Z：

总阻抗

在各类型电容器中，这些参数会有很大的差异。

而且这些参数会因使用环境参数（例如温度，频率，电压等）的变化而变化。

如果某些量相对较小，则等效分析电路中可以将此些量省略以简化分析。

电容基本作用

1、隔直流：

作用是阻止直流而让交流通过。

2、旁路（去耦）：

为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。

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、平滑或滤波：

将整流以后的脉状波变为接近直流的平滑波，或将纹波及干扰波虑除。

5、温度补偿：

针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响，而进行补偿，改善电路的温度稳定性。

6、计时：

电容器与电阻器配合使用，确定电路的时间常数。

7、调谐：

对与频率相关的电路进行系统调谐，比如手机、收音机、电视机。

8、储能：

储能型电容器通过整流器收集电荷，并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。

电压额定值为40～450VDC、电容值在220～150000μF之间的铝电解电容器为较常见的规格。

根据不同的电源要求，器件有时会采用串联、并联或其组合的形式，对于功率级超过10KW的电源，通常采用体积较大的罐形螺旋端子电容器。

9、浪涌电压保护：

开关频率很高的现代功率半导体器件易受潜在的损害性电压尖峰脉冲的影响。

跨接在功率半导体器件两端的浪涌电压保护电容器通过吸收电压脉冲限制了峰值电压，从而对半导体器件起到了保护作用，使得浪涌电压保护电容器成为功率元件库中的重要一员。

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