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

电解电容的结构原理与性能参数

1.电解电容概略：

首先，在深化学习了解电解电容之前，我们必需给电容下个定义，这里我征引一位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，你可以把电荷充存出来，在没有放电回路的状况下，并且不思索介质漏电和自放电效应，电荷会永世存在，这是它的特征〕，它的用途较广，它是电子、电力范围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。

基本上一切的电子产品，外面都有电容的存在。

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，电容首先依照介质来分类。

依据介质的不同，可将电容分为三大类：

无机介质电容、无机介质电容和电解电容。

这里，我们着重研讨电解电容。

假设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，它其实是一个国度的工业才干和技术水平的反映。

世界上最先进的电解电容的设计和消费国是美国和日本，顶级的电解电容器的消费工艺要求十分高，别看我国电解电容产量这么高，可是各项中心技术都掌握在其它国度手里，我国也就能算来料加工的〝世界工厂〞而已，自主力气还很单薄，并且消费的产品也都以高档的为主。

因此，关于电解电容的研讨，具有十分重要的意义。

2.〔电解〕电容的作用：

电容的用途十分多，主要有如下几种：

1隔直流：

作用是阻止直流经过而让交流经过；

2退耦：

为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路，将不需求的交流信号去掉；

3耦合：

作为两个电路之间的衔接，允许交流信号经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顺应性不够带来的影响停止补偿，改善电路的动摇性；

5计时：

电容器与电阻器配合运用，确定电路的时间常数；

6调谐：

对与频率相关的电路停止系统调谐，比如手机、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搅扰；

8储能：

贮存电能，用于必需要的时分释放。

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。

普通不能用于交流电源电路，在直流电源电路中作滤波电容运用时，其阳极〔正极〕应与电源电压的正极端相衔接，阴极〔负极〕与电源电压的负极端相衔接，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〔留意和电介质区分〕，电解电容器因此得名。

4.电解电容特点：

电解电容器特点一：

单位体积的电容量十分大，比其它种类的电容大几十到数百倍。

电解电容器特点二：

额外的容量可以做到十分大，可以随便做到几万μf甚至几f〔但不能和双电层电容比〕。

电解电容器特点三：

价钱比其它种类具有压倒性优势，由于电解电容的组成资料都是普通的工业资料，比如铝等等。

制造电解电容的设备也都是普通的工业设备，可以大规模消费，本钱相对比拟低。

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，与阴极箔叠片一同卷绕而成。

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，下面标注有型号、电容量、耐压值及允许误差等。

铝电解电容器普遍运用于家用电器和各种电子产品中，其容量范围较大，普通为1~1000μF，甚至更高，额外任务电压范围为6.3~450V。

其缺陷是介质损耗、容量误差较大〔最大允许偏向为+100%、-20%〕，耐高温性较差，寄存时间长容易失效。

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〕资料采用金属钽资料，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，但消费本钱高，耐压值低，普遍运用于通讯、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。

依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，外部采用卷绕芯子，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动摇性高，寿命长。

箔式钽电解电容器通常采用银外壳，封装方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，其任务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。

任务电解质也有固体和非固体之分。

铌电解电容器的功用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.电解电容功用参数：

电路系统功用的动摇牢靠，与选用的元器件参数、等级、质量等亲密相关。

电路中运用的铝质电解电容普通用于电源平滑滤波，除容量、耐压、容量误差、任务温度、封装尺寸等熟知的参数外，还有儿个有关电容器质量的重要参数，包括损耗角正切、漏电流、等效串联电阻ESR、允许的纹波电流、运用寿命等。

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，但这些参数有能够是关系电路功用的关键。

电解电容主要参数包括如下几个局部：

6.1标称电容量

在实践电容选型中，对电流变化节拍快的中央要用容量较大的电容，但并非容量越大越好，首先，容量增大，本钱和体积能够会上升，另外，电容越大充电电流就越大，充电时间也会越长。

这些都是实践运用选型中要思索的。

电解电容国际规范电容量:

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额外任务电压

在规则的任务温度范围内，电容临时牢靠地任务，它能接受的最大直流电压。

在交流电路中，要留意所加的交流电压最大值不能超越电容的直流任务电压值。

电容在电路中实践要接受的电压不能超越它的耐压值。

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，还要留意的一个效果是任务电压裕量的效果，普通来说要在15%以上。

例如某电容的额外电压是50V，虽然浪涌电压能够高至63V，但普通最高只会施加42V电压。

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

虽然说48V的任务电压运用50V的铝电解电容短时间不会出现效果，但运用久了，寿命就有能够降低。

常用的固定电容任务电压有4V；6.3V；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下计算取得的值。

显然，Tanδ随着测量频率的添加而变大，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状况下任务。

散逸因数dissipationfactor（DF）存在於一切电容器中，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；当容量相反时，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。

但是，由于铝氧化膜介质上浸有电解液，在施加电压时，重新构成的以及修复氧化膜的时分会发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降低而增大。

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。

普通来说，电容器容量愈高，漏电流就愈大。

从公式可得知额外电压愈高，漏电流也愈大，因此降低任务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〕中的交流成分惹起的电流。

假定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惹起电解电容发热。

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自身

纹波电压等于纹波电流与ESR的乘积。

当纹波电流增大的时分，即使在ESR坚持不变的状况下，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，这也是要求电容具有更低ESR值的缘由。

叠参与纹波电流后，由于电容外部的等效串连电阻〔ESR〕惹起发热，从而影响到电容器的运用寿命。

普通的，纹波电流与频率成正比，因此低频时纹波电流也比拟低。

额外纹波电流是在最高任务温度条件下定义的数值。

而实践运用中电容的纹波接受度还跟其运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可以接受的最大纹波电流。

甚至提供一个详细图表以协助运用者迅速查找到在一定环境温度条件下要到达某希冀运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，在电容寿命计算时分，在不测量电解电容中心点温度的状况下，可以经过此纹波电流来估量电容的设计寿命。

6.6阻抗和ESR

一只电容器会因其结构而发生各种阻抗、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，阻碍交流电流经过的电阻即为所谓的阻抗。

它与电容等效电路中的电容值、电感值亲密相关，且与ESR也有关系。

电容的容抗在低频率范围内随着频率的添加逐渐减小，频率继续添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添加而添加。

开关电源中的输入滤波电解电容器，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目的，权衡高频铝电解电容优劣的规范是〝阻抗-频率〞特性，要求在开关电源的任务频率内要有较低的等效阻抗，同时关于半导体器件任务时发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一切任务条件下都原封不动，其受温度的影响极为清楚。

这是由于电解液的粘性会随着温度的下降而添加，从而削弱了其传导特性。

普通地，此特性曲线在低电压等级的电容器件上更显得峻峭。

一些高温运用电容之所以有着较好的高温表现及颠簸的特征曲线是因其运用了特别的电解液配方。

相关于AC电容量而言，DC电容量的温度特征曲线会更陡峭些。

6.8运用寿命

首先要明白一点，铝电解电容一定会坏，只是时间效果。

影响电容寿命的缘由有很多，过电压，逆电压，高温，急速充放电等等，正常运用的状况下，最大的影响就是温度，由于温度越高电解液的挥发损耗越快。

需求留意的是这里的温度不是指环境或外表温度，是指铝箔任务温度。

厂商通常会将电容寿命和测试温度标注在电容本体。

因电容的任务温度每增高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，要留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践数据停止计算。

需求了解的是要提高铝电解电容的寿命，第一要降低任务温度，在PCB上远离热源，第二思索运用最高任务温度高的电容，当然价钱也会高一些。

电解电容的最基本寿命公式〔MTBF〕，应以纹波电流为基准。

假设施加电流未超越厂商资料中规则的纹波电流值，那么以以下公式计算：

假设施加电流超越厂商资料中规则的纹波电流值，那么依以下公式计算：

其中:

L2：

实践运用条件下电容寿命估量值（小时）

L1：

厂商目录提供的电容估量运用寿命（小时）

T1：

电容器之额外最高任务温度

TX：

电容器实践运用时的周围温度

ΔTx：

电容器实践运用时由于纹波电流而发生的外部热温升，通常以ΔTx=5*

來表示.其中Iin：

为实践运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，不同的消费厂家，会提供不同点计算公式。

这个公式仅供参考。

7.影响铝电解电容功用的要素：

7.1温度对参数功用的影响

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添加招致漏电流添加。

但温度降低后也使电解质的粘度增加，因此外部等效串联电阻增加，招致损耗tanδ减小，电容量添加。

反之，温度下降时，漏电流增加，外部串联电阻增大招致损耗添加，电容量增加。

在温度很低时，电解质能够近于凝结，这时tanδ变得十分大，而容量那么很小，致使电容器失效。

7.2运用时间对参数功用的影响

在长时间的运用进程中，铝电解电容器的氧化膜会加厚，招致漏电流增加，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，甚至干枯，串联电阻上升，招致损耗tanδ变得十分大，而容量那么很小，致使电容器失效。

7.3贮存时间对参数的影响

铝电解电容器经临时贮存，未加电压，其氧化膜会在电解液的微弱的溶解力作用下逐突变薄，因此容量、漏电流都会添加，而耐压那么减低。

这将招致电容在临时闲置存储后初始运用时会发生一个远超出额外数值的漏电流〔在最后一分钟内，此数值能够会到达额外数值的100倍左右〕。

虽然此电流将会回落到正常的额外值，但在运用电路设计中要思索产品临时闲置后大漏电流的冲击接受才干—例如电路中设计中的其它与此相关的电路参数能否可以接受此冲击。

所以，贮存日久的铝电解电容器不能立刻便用，必需先加一低电压停止赋能，使其氧化膜逐渐失掉修复后电容器的功用才趋于动摇。

8.电解电容实验本卷须知：

8.1留意直流电解电容的正负极。

假设正负极接反，将发生异常电流，招致电路短路，甚至损坏器件自身。

假设不确定正负极性，就要运用直流双极电解电容。

直流电容不能运用在交流电路中。

8.2在额外电压范围内运用假设电容两端电压超越其额外电压，急剧添加的漏电流将招致电容特性的好转或器件的损毁。

8.3在需求快速充放电的电路中不要运用电解电容假设在需求快速充放电的场所运用电解电容，那么电容发热将招致电容特性好转甚至损坏。

8.4在额外纹波电流下运用假设纹波电流超越其额外纹波电流，电容寿命将延长，在极端状况下，其外部发热会将其烧毁。

在这种电路中，要运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动。

电解电容的特性将会随着温度的改动而改动。

这种改动是暂时的，而且在初始温度下，依然坚持其初始特性〔假设在长时间的高温下，其特性还没有好转的话〕。

假设运用温度超出其规则的温度范围，添加的漏电流将损坏电容器件。

设计中，要留意诸多要素对电容温度的影响，比如说周边温度的影响，设备的外部温度的影响，电路单元中其他发热器件的热辐射影响，还有电容自身由于纹波电流而惹起的发热发生的影响。

普通状况下，标注的静电电容是在20℃，120Hz下的值。

这个值会随着温度的降低而添加，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降低而降低，随着周边温度的降低而降低。

漏电流随着温度的降低而添加，随着温度的降低而增加。

8.6电容特性随着频率的变化当任务频率改动是，电解电容的特性会随之改动。

通常，电解电容的值是20℃，120Hz下的值。

该值随着频率的添加而添加。

异样，正切损耗角〔tanδ〕也是20℃，120Hz下的值，随着频率的添加而添加。

特性阻抗通常是20℃，100Hz下的值。

它将随着频率的降低而添加。

8.7铝电解电容的寿命当铝电解电容的特性好转到致其失效时，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要素。

参见东佳索引。

8.8存储进程中铝电解电容特性的改动。

在经过长时间的存储之后，无论能否装配在设备中，铝电解电容的的漏电流都会添加。

当周围温度较高时，这种趋向更为清楚。

假设电容在常温下存储时间超越两年〔高温下时间更短〕，漏电流有所添加，引荐加电压存储。

思索到初始增流的影响，引荐在设备中采用额外的维护电路。

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经过电解液衔接在一同的，电解液的阻值又是不确定的。

所以，假设需求完全绝缘，需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中央。

8.11外部套筒假设在无机溶液中浸事先又曝露在高温之中，掩盖在电容器外表的套筒能够会分裂。

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

假设您需求绝缘电容，请与我们联络。

8.12特殊的任务环境假设在含有高密度卤素化合物气体以及在PCB板的清洁中运用，铝电解电容将逐渐显示出腐蚀性。

在PCB清洁这种状况中，请事前与我们联络。

在特性环境中运用时，也请与我们联络。

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

要留意短路，断路以及漏电流的添加。

由于孔间距和pin间距的差距，能够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，电容外部压力会增大。

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用。

一旦电容被当作压力阀任务而损毁，就需求改换电容。

由于这个压力阀损毁是不能恢复的。

〔2〕当你运用一个具有压力阀功用的电容时，要保证压力阀的上方有足够的空间以防止搅扰。

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运用电解电容时，留意装配电容的中央，其下方不能有走线。

否那么，能够招致短路缺点。

8.16电容器的衔接当有一个或多个电容并行衔接时，要思索其电流平衡。

当有2个或多个电容串联时，要思索其电压的平衡，并加上一个并联电阻。