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铝电解电容器之电子电路实践简谈

作者:杨光明来源:青佺电子 日期:2013年12月3日 22:34

一、 电容器根念:
电容器是一种用来储存电能之简单组件。其构造为两电极导体及相对中间之电气绝缘体。
 
电极导体均为金属导体,且通常都以板状或箔状构成,电气绝缘体则使用液体或固体。
二、 电容器种类:
电容器基本上是由两个电极及介于电极间之电气绝缘体所构成。即其构成要素为第一电极绝缘体与第二电极,此三项要素之不同。电容器可分为“非电解电容器”与“电解电容器”两种。
1、 非电解电容器
非电解电容之第一电极、第二电极原理上只要是体即可,通常由金属导体构成。电气绝缘体则有磁器、玻璃、云母、空气、塑胶等。因绝缘物性质不同而各具有特征,故一般皆以绝缘物名称而加以命名。
2、 电解电容器
电解电容器之第一电极仅当阳极使用,其材料之特性需如铝或钽之类在电解液中能产生阳极氧化而生成致密且绝缘性良好之氧化膜者为限。
电气绝缘体是利用第一电极表面藉阳极氧化生成具有耐电压性,氧化物所构成,第二电极即为电解质。
电解电容器又因阳极所使用之材料分为“铝电解电容器”与“钽电解电容器”。
3、 电解电容器之用途
1) 电容器接上直流电压至充电完成为止。会有电流流通,待充电完成后电流就不再流通。然而接上交流电压时,因充电与放电交变产生,导致交流电流就可一直流通。因电容器有阻止直流流通,而容许交流电流流通之特性。利用此特性可扩展其用途,可分为旁路用电容器、滤波用电容器、耦合用电容器。
2) 电容器施加交流电压后,流通之电流与施加之电压两者之间会有时间差距,此时差大小约为1/4周期,且为电流越前电压之状态,即流经电容器之交流电流比交流电压越前约90˚(π/2弧度),利用此时特性扩展之用途可分为功率因数改善电容器、起动用电容器。
4、 电容器之电容量
电容器端子间之电压与单侧电极所储存之电量成正比,此关系用下列表示:
电量=比例常数×电压
比例常数为电容器储存电能之能力,用以表示电容器之大小,一般称为静电容量或简称容量。
电量以“Q”表示,其单位为“库仑”,电压以“V”表示,其单位为“伏特”,电容量以“C”表示,其单位为“法拉”,故得:
Q(库存)=C(法拉)×V(伏特)
因法拉单位太大使用不方便,故电容器于一般使用以微法拉、毫微法拉、微微法拉表示之:
1微法拉=1microfarad(uF)=10ˉ6法拉
1毫微法拉=1nanofarad(nF)=10ˉ9法拉
1微微法拉=1picofarad(pF)=10ˉ12
5、 电容量与电极板面积之关系
当两电极板之面积增大时,储存于电极板之电容再随增加,即电容量也随之增加,换言之电容量与电极板面积成正比
 
6、 电容量与电极板厚度关系
电容器所储存之电量是存于电极板之表面,因此其电容量与电极板厚度无关系如下,依此原理可使用很薄的铝箔来制作电容器。
 
7、 电容量与电极板间距离之关系
两相同面积之电极板,当两极间之距离变小时,即减少两极间绝缘体之厚度。因而两极靠愈近,正负电相吸引力变少强,致使电极板表面储存之电量增加。反之则储存之电量减少,此即电容量与两极板间践离成反比关系。
 
8、 电容量与介质之关系
电容器两极间之绝缘体可为真空或空气或气化气体,然具对两电极之正负电相吸引力量非常微弱,故一般都使用高密度液体或固体绝缘体会比使用真空状态在两电极间获得更大的吸引力之理由。在于绝缘体上电压时,其内部会产生电气变化,即绝缘体表面会感应与外加上电压正负相对应之电荷。此种具有感应作用之绝缘体称为介质,其感应作用称为极化。表示介质之极化能力者,称为该介质常数(Dielectric Constajt),使用高介质常数之介质,其极化能力强,使得储存之电量增加相对应电容量亦增加。
介质常数通常以“ε”表示之。
 
 

真空及空气

非电解电容器用绝缘物

真空1.000

空气1atm1.000

空气334atm

 

一般物品          2-5

云母              6-10

氧化钛磁器        10-20

钛酸钡系磁器

电解电容器用氧化膜

      

铝氧化膜      7-10

钽氧化膜      28

铌氧化膜      41

钛氧化膜      90

    2      93.9

    0      90.36

乙二醇         26.5

甘油           36


 9、 电容量与电极板介质之关系
综合以上概述,可知电容器之电容量与电极板的面积及介质常数成正比,而与电极间的距离成反比,即欲制造大电容量之电容器时,可藉增加电极板之尺寸及使用高介质常数之介质而求得,一般可用下式表示:
 
C=电容量
ε=介质之介质常数
A=电极板之面积
d=电极板间距离
10、 电容器之选用
电容器之使用介质之不同,亦呈现各种不同之特性,如电压极性,额定电压范围,电容量带域,电容量容许误差及各种物理特性,故于选用电容器时需增加选择,以求事半功倍。
电解电容器的结构与特征
一、 电解电容器的基本结构
电解电容器的基本结构如图
  
电解电容器的构造是由阳极铝箔、阴极铝箔、电解纸、电解液之结合而成。阳极铝箔经化成后,含有高介质常数之氧化膜A2O3,此氧化膜当着阳极铝箔与阴极铝箔间之绝缘层,氧化膜的厚度即极板间之距离(d),此厚度可由化成来控制,由于氧化膜的介质常数高,且厚度薄,故电解电容器的容量较其它电容器之容量高,且体积小。电容器的实值阴极是与氧化膜接触之电解液,而阴极箔只是将电流传导至电解液而已,电解纸是用来帮助电解液之吸收及保存,避勉阳极铝箔与阴极铝箔直接接触,因磨擦而使氧化膜破损,相关构成元件如下:
1、 阳极铝薄(附内部端子线)。
2、 阴极铝薄(附内部端子线)。
3、 电解纸与止松胶水或止松胶带。
4、 电解液。
5、 外壳(铝质)。
6、 素子与外壳之固定材料。
7、 封口材料如橡胶盖、电木橡胶。
8、 外部端子。
9、 外部端子与内部端子之固定具。
10、 安全装置。
11、 外壳被覆套管。
12、 铝板与品名标识。
13、 电容器支撑装置。
二、 泄漏电流(Leakage Current)
1、 电解电容器的阳极箔、氧化膜如果完整无缺陷时,则阳极与阴极没有电流流通。然而事实上氧化膜并非十分地完整,其在制造过程中常会受到轻微污染、磨损,致使电极间有一少许之电流流过,此电流即为泄漏电流。亦即施加相等额定电压之直流电压时所流通之导电电流。当电容器有泄漏电流时,即会损失能量,如泄漏电流过大时,甚致会破坏电容器。电极材料用之铝箔因多少含有杂质,此杂质大以铁质为甚,因其甚难溶于铝中,使得氧化膜之形成受到铁质之破坏,而造成泄漏电流。
影响泄漏电流的因素除铝中之铁质杂质外,有下列几项因素:
a. 相同纯度之铝箔施以不同方法之化成时泄漏电流亦不同。
b. 使用电解液不同时,亦会造成泄漏电流大小亦相互不同。
c. 外加电压大小与温度变化,亦是影响泄漏电流的重要因素。
d. 因氯杂质成份的存在,产生极部电位差而影响泄漏电流。
e. A铝端子的表面化成技术。
2、 泄漏电流与容量的关系
泄漏电流之大小在使用电压一定之情况下,似乎与电容量(c)成比例增加,然而实际并非如此,例如100uF之电容器泄漏电流若为10uA,而200uF电容器之泄漏电流并不是20uA,而可能为15uA,即较小于其比例值,电容量与泄漏电流之关系(如下)
 
一般电解电容器之泄漏电流可由下式求得,如特殊规定者另行规定之。
LC=0.03cv+constant  or  0.01cv+constant
C=电容器之电容量,单位uF。
V=电容器之额定电压,单位伏特。
LC=单位uA。
3、 泄漏电流与外加电压之关系
当阳极箔施加电压时,如外加电压低于生成氧化膜时之电压,因氧化膜破坏,则泄漏电流急剧增大。另如于阴极铝箔施加1—2伏特电压时,流通之泄漏电流极小,然超过此电压时,则泄漏电流突然增大,所以泄漏电流与外加电压之关系(如图)
 
4、 泄漏电流与时间之关系
当电解电容器施加额定电压时,则有直流电流通过,电流强度随时间之增加而减小,约30分钟左右,将变成极小之漏电流而已,即施加电压愈长,泄漏电流将愈小,一般电解电容器之泄漏电流规格是以施加额定电压5分钟为准。(如图)
 
三、 损失角(tanδ)或散逸因素(Dissipation  Factor)
1、 电解电容器于充电时,其负荷经由阴极及电解液传至氧化膜的表面,因电解液的电阻系数比金属导体为高,(如阳箔、阴箔、纸等),故电解电容器的损失角可由电解液的电阻系数来决定,当电解电容器的散逸因素大时,则损失的电解亦大,此会导致电解电容器发热,为了降低电解电容器的散逸因素,最简单的主法就是用低电阻系数的电解液,然而电解液的电阻系数越低,则其对无氧化膜保护的阴极箔腐蚀性就越强,电容器的寿命也就越短,漏电回升也就快,电能随之也就降低产品发热至报废,因此一般均选用具有良好的电阻系数及低腐蚀性的电解液。
电解电容器的等效电路
 
R称为等效串联电阻(Equivalent  Series  Resistance)一般而言,电解电容器的电感在低频时假设为零
 
ω=2πf    f=频率(HZ)
C:容量  单位法拉F
R:ESR   单位Q
损失角与频率成正比
 
散逸因素值愈大,则电容器损失电能愈大,以品质而言,则散逸因素值愈大则品质愈低劣。DF之称呼为欧美地区所惯用,是以百分比(%)来表示,如12%。损失角(tanδ)之称呼为日本地区所惯用,是以小数来表示,如0.12两者之意义完全要同。
2、 频率对散逸因素(DF)的影响
因散逸因素(DF)是由等效串联电阻所形成,
故电容量器的发热量=(2πfcv)²˙R
                  =2πfcv²˙DF     (∴DF=WCR=2πfCR)
因此发热量是受频率直接影响的,即若f上升时,则发热量大,发热量大则又将造成E.S.R的增加,也就使DF增大,这就是DF为何会随频率增加而增大的原因。如此若电容器的散热量比发热量小时,则终必造成恶性循环而破坏了此电容器。有时也会使通过的信号衰减,因此我们由图(各种电容器的适用频率范围)及电解电容器散史因素,频率特性曲线图得知多种电容器可适用频率范围及DF与频率特性的关系,故在选用时应采用适当的范围及特性,使其动作有所充裕,以避免影响电路的正常功能
 
(1) 干式铝电解电器
(2) 钽电解电容器
(3) 固态铝电解电容器
 
四、 电解电容器的特征与使用上的缺陷
1、 电解电容器的特征
a. 金属氧化膜当绝缘体(介质)作用为极性。
b. 氧化膜厚度很薄(A1:14A/V,介电率高(A1:)-10),故单位体积容量大。
c. 氧化厚度与化成呈比例,但厚度有了限度。(A1:650V)
d. 导电用电解质具有化成性,氧化膜能自己恢复。
e. 化成电压以上电压印加,泄漏电流急增。工作电压较耐电压为
f. 要使氧化膜完成绝缘困难,泄漏电流较大。
g. 导电用电解质,串联电阻大,损失高。
h. 导电用电解液之粘度…电导度受温度变化很敏感,静电容量损失,泄漏电流较差,因而使用温度范围受到限制。
i. 导电用电解液以地氧化膜有劣化溶解的倾向,故长期限无负荷放置时,其特性会稍有变化。
2、 电解电容器使用上缺陷
a. 损失(tanδ)较大。
b. 静容量容许偏差较大。
c. 泄漏电流较大。
d. 长期放置时泄漏电流增加较大。
e. 使用周围的条件(温度、频率)变化,则特性变化变较大。
电解电容器之种类
一、 依形状分类:
1、 小型电解电容器可分
a. Radial Type(端子单向形,简称R型)
b. Axial Type(端子双向形,简称A型)

2、 大型电解电容器之形状

二、 依使用温度范围分类
电解电容器于早期之使用温度范围非常狭小,今日科技的发达,其使用温度范围已大量增加,且使用寿命亦增长,现使用温度范围可分为:
-70—+155℃
-40—+125℃
-55—+105℃
-40—+105℃
-40—+85℃
-25—+85℃
额定电压为6.3V—450V
三、 依用途别分类
1、 充放电用电容器
电容器在充电后,如果小负裁电阻放电时,放电电流就会很大而使中合作用和作用在瞬间时间转变成热能并产生瞬时大电力,此瞬间大电力一般用在电焊机,闪光灯,放电加工经电器电路上。
 
2、 波用电容器
利用二极体整流作用与电容器率放电之直线波用,将调变波中之信号波出。
  
3、 作锯齿波产出用电容器
电能经由电阻充电或放电时,电压与电流会与时间产生特有之变化,此变化视电容量与电阻值之乘积(C×R时间常数)而定期,时间常数大时变化会缓缓进行,时间常数小时,变化就会急速时行,利用CR之选择而有不同之用途,如方向灯,号灯,电视同步分离电路等。
 
4、 滤波用电容器
利用整流器将交流电流改变为直流电流时,输出之直流电中常混杂着交流电,此交流部份可藉由电容器过滤使其成为平稳之直流,如图
 
5、 旁路用电容器
电容器接上直流电压开始至充电完成止,会电流流通待充电完之后,电流就不再流通,然而接上交流电压时充电与放电交变产生,所以交流电流就可一直流能,即电容器会阻止直流电流流通,而容许交流电流流通,因此当电气负载需外力直流电压,而不可有交流电压时,只要在负载两端并联一电容器,此时交流电流就几乎不会通过负载而经由电容器流通,即负载不会承受交流电压,此种用途之电容器称为旁路用电容器。
6、 藕合用电容器
利用电容器对直流电与交流电所具有不同性质,使交流信号可以藕合至另一端级而阻隔直流不于流通,如以直流为能源之交流增幅电路,即利用电容器把直流阻断而仅使达交流,此种用途之电容器称为藕合电容器