電解電容器的基礎知識

本文主要介紹電解電容器的基礎知識，包括其參數(shù)、分類、應用等。

電解電容器是按結構和制造工藝劃分的一種電容器。一般來說，電解電容是極化電容。電解電容器的陽極采用可鈍化的金屬材料，如鋁、鉭、鈮、鈦等，介質(zhì)材料是陽極金屬材料表面形成的致密氧化膜。電解電容器的陰極采用電解質(zhì)。電解電容器的主要特點是它們可以獲得比普通電容器大得多的電容（假設耐受電壓相同）。電解電容器因其使用電解質(zhì)作為陰極而得名。

— 額定電容

額定電容是電容器上標注的電容值。

— 基本單位

電容器的基本單位是法拉（F），但這個單位太大，實際使用中無法使用。

其他單元之間的關系如下：

1F=1000mF

1mF= 1000μF

1 μF = 1000nF

1nF=1000pF

—準確性

實際電容與額定電容之間的偏差稱為誤差，精度是在允許偏差范圍內(nèi)的誤差。

精度等級與允許偏差的對應關系為：00(01)-±1%、0(02)-±2%、Ⅰ-±5%、Ⅱ-±10%、Ⅲ-±20%、Ⅳ -(+20%-10%)、Ⅴ-(+50%-20%)、Ⅵ-(+50%-30%)

普通電容器常為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級，電解電容器常為Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級。

—標稱電壓

標稱電壓是指在最低環(huán)境溫度和額定環(huán)境溫度下，可連續(xù)施加于電容器的直流電壓的最大有效值。一般直接標在電容器外殼上。如果工作電壓超過電容器的耐受電壓，它們將被擊穿并造成不可修復的永久性損壞。

—絕緣電阻

對電容器施加直流電壓并產(chǎn)生漏電流。直流電壓與漏電流之比為絕緣電阻。

當電容較小時，絕緣電阻主要取決于電容器的表面狀態(tài)。當容量>0.1uf時，主要看介質(zhì)的性能。絕緣電阻越大越好。

——時間常數(shù)

引入時間常數(shù)來評估大電容器的絕緣性。它等于絕緣電阻乘以電容的結果。

—損失

在電場作用下，電容器單位時間內(nèi)因發(fā)熱而消耗的能量稱為損耗。各種電容器都規(guī)定了自己在一定頻率范圍內(nèi)的允許損耗值。電容器的損耗主要是由電容器所有金屬部分的電介質(zhì)、電導損耗和電阻引起的。

在直流電場的作用下，電容器的損耗以漏電損耗的形式存在，一般較小。在交變電場作用下，電容器的損耗不僅與漏導有關，還與周期性極化建立過程有關。

—頻率

隨著頻率的增加，一般來說，電容器的電容量會減小。

—極性和電路符號

—等效電路

漏電：漏電電阻

ESR：等效串聯(lián)電阻

ESL：等效串聯(lián)電感

預期壽命：電解電容器在最高工作溫度下連續(xù)工作的持續(xù)時間。

lx=lo*2(to-ta)/10

lx=實際工作壽命

lo=保修期

to=最高工作溫度

ta=電容器的實際工作溫度

電解電容一般分為鋁電解電容、鉭電解電容和鈮電解電容三大類。

2.1.1 介紹

鋁電解電容器是極化電解電容器。它們的陽極由鋁箔制成，表面蝕刻。鋁箔上涂有一層薄薄的氧化鋁絕緣層，是電容器的電介質(zhì)。氧化鋁涂有非固體電解質(zhì)，這是電容器的陰極 (-)。還有一層鋁箔，稱為“陰極鋁箔”，與電解液接觸，與電容器的負極相連。

鋁電解電容器按其電解液的種類可分為三類：非固體鋁電解電容器；電解液為固體二氧化錳的固體鋁電容器；電解質(zhì)為固體聚合物的聚合物電容器。

非固體鋁電解電容器是最便宜的一種，具有最廣泛的尺寸、電容和電壓等級。它們的最小電容為 0.1μF，最大為 270 萬 μF (2.7 F)，電壓范圍為 4 V 至 630 V。液體電解質(zhì)提供所需的氧氣，因為介電氧化物層會自行恢復。但是電解液會蒸發(fā)并且干燥過程隨溫度變化，導致電氣參數(shù)漂移并限制電容器的壽命。

人的結構UMIN鎓電解電容

2 . 1.2優(yōu)缺點

好處

—鋁電解電容器價格便宜，容量大，可用于低頻濾波。

—它們的能量密度高于薄膜電容器和陶瓷電容器。

—它們的功率密度高于雙層電容器。

—峰值電流沒有限制。

—外觀款式多樣，定制壽命、使用溫度、電氣參數(shù)等變化多端。

—有很多鋁電解電容器制造商。

缺點

—鋁電解電容器的壽命受到電解液蒸發(fā)的限制。

—鋁電解電容器對機械應力敏感。

—鋁電解電容器對鹵化物污染很敏感。

2.1.3應用

鋁電解電容器通常用于許多電氣設備的電源、開關電源和DC-DC轉(zhuǎn)換器。它們還用于許多工業(yè)電源轉(zhuǎn)換器和變頻器。一些特殊的電容器用于儲能，如頻閃燈、閃光燈或音頻中使用的頻率耦合器件。

鋁電解電容器由于其陽極氧化而成為極化電容器。它們只能與正確極性的直流電一起使用。如果將它們連接到與直流電或交流電相反的極性上，它們會因短路而損壞。唯一的例外是雙極鋁電解電容器，可用于交流電。

2.2.1簡介

鉭電解電容器的陽極由鉭顆粒制成，外覆絕緣氧化物作為電介質(zhì)，周圍環(huán)繞著作為陰極的液體或固體電解質(zhì)。由于鉭電解電容器介電層薄，容性高，其單位體積的電容量比普通電容器和其他電解電容器大。

目前鉭電解電容器主要分為燒結固體、箔狀繞組固體和燒結液體三種，其中燒結固體占總產(chǎn)量的95%以上，主要種類為非金屬密封樹脂封裝。

鉭電解電容器的工作介質(zhì)是在鉭表面形成的極薄的五氧化二鉭薄膜。這層氧化膜介質(zhì)與電容器的一端是一體的，不能單獨存在。因此，單位體積的電容特別大。即比容量非常高，所以特別適合小型化。

鉭電解電容器在工作過程中，具有自動修復或隔離氧化膜中缺陷性能的能力，使氧化膜介質(zhì)得到強化，隨時恢復其應有的絕緣能力，而不會遭受連續(xù)的累積損壞。這種獨特的自愈能力保證了它們的長壽命和可靠性優(yōu)勢。電容器具有單向?qū)щ娦裕淳哂小皹O性”。

應用時，應按電源的正負方向接通電流。電容器的陽極接電源的“+”極，陰極接電源的“-”極。如果電容器斷開，不僅不起作用，而且漏電流會很大。結果，核心會在短時間內(nèi)升溫，損壞氧化膜，然后使其失效。

2.2.2 優(yōu)缺點

好處

—體積小

由于鉭電解電容器由鉭粉制成，鉭氧化膜的介電常數(shù)比氧化鋁膜的介電常數(shù)高17，因此鉭電容器單位體積的電容量更大。

寬工作溫度范圍

一般鉭電解電容器在-50℃~100℃的溫度下都能正常工作。雖然鋁電解電容也可以在這個溫度范圍內(nèi)工作，但其性能遠不如鉭電解電容。

—性能

鉭電解電容器中的鉭氧化膜介質(zhì)不僅耐腐蝕，而且使用壽命長、絕緣電阻高、漏電流低、長期使用性能好。

—阻抗頻率

固態(tài)電解電容可以工作在50kHz以上的頻率。鉭電解電容器的電容量隨著頻率的增加而減小，但減小的程度很小。數(shù)據(jù)顯示，工作在10kHz時，鉭電解電容器的電容量下降不到20%，而鋁電解電容器的電容量下降了40%。

—高可靠性

氧化鉭膜的化學性質(zhì)穩(wěn)定。由于鉭2 ? 5 ，鉭陽極的襯底能承受強酸，強堿，鉭電解電容器可以使用固體電解質(zhì)或液體電解質(zhì)具有非常低的電阻率的含有酸。因此，鉭電解電容的損耗比鋁電解電容小。

缺點

由于鉭電解電容器不使用電解質(zhì)作為介質(zhì)，因此與其他類型的電容器相比，鉭電解電容器價格昂貴且容量有限。

2.2.3應用

鉭電解電容器形狀多樣，易于制作成適合表面貼裝的小型元件，滿足電子技術自動化和小型化的需要。雖然鉭資源稀缺，鉭電解電容器價格相對昂貴，但由于高比容量鉭粉（30kuF.g-100kuF.V/g）的大量采用以及電容器制造技術的改進和完善，鉭電解電容器得到了迅速發(fā)展開發(fā)和使用的范圍越來越廣。

鉭電解電容器不僅廣泛應用于軍事通訊、航空航天，還廣泛應用于工業(yè)控制、影視設備、通訊儀器等產(chǎn)品。此外，由于鉭電解電容器具有儲存電量、充放電等功能，因此也用于濾波、儲能與轉(zhuǎn)換、標記旁路、耦合與去耦，并用作時間常數(shù)元件。

2.3.1簡介

鈮電解電容器是極化電容器。它們的陽極 (+) 是鈍化的鈮或氧化鈮，絕緣的五氧化二鈮作為鈮電容器的電介質(zhì)。氧化層的表面是一層固體電解質(zhì)，它是鈮電解電容器的陰極（-）。

鈮電解電容器的結構

早在1960年代，以美國和蘇聯(lián)為首的許多國家就開始了鈮電解電容器的研究。但在研究過程中，五氧化二鈮介電薄膜因熱和電應力受到嚴重破壞，導致電容器漏電流大，故障率高。90年代以來，隨著粉體生產(chǎn)技術的不斷進步，鈮粉的電性能有了很大的提高，為鈮電解電容器的發(fā)展奠定了堅實的基礎。

新型鈮電解電容器性能好，價格低廉，受到世界各國的廣泛關注。鈮電解電容器的制備必須滿足以下要求： 1.避免鈮陽極氧過飽和，即必須防止低氧化物的形成；2、抑制氧通過Nb 2 O 5 膜和Nb/Nb 2 O 5 界面遷移；3、保證介質(zhì)層的熱穩(wěn)定性。英國AVX公司提供鈮電解電容器樣品，其電容范圍為100-470μF，工作溫度高達105℃。

美國Kemet、日本NEC等全球鉭電解電容器龍頭企業(yè)，都在積極開發(fā)鈮電解電容器。俄羅斯在前蘇聯(lián)研究的基礎上不斷進行研究，在這方面也處于較高水平。

此外，還有鉭鈮合金電解電容器，其陽極由鉭鈮合金粉末燒結而成。而介質(zhì)是在正極表面化學形成的氧化膜。此類電解電容的性能僅次于鉭電解電容，優(yōu)于鋁電解電容。由于鈮資源豐富，價格適中，這種合金電容器具有廣闊的發(fā)展前景。

2 .3 .2 優(yōu)缺點

好處

—同等電容量下，鈮電解電容器的介電常數(shù)是鉭電解電容器的兩倍。

—鈮電解電容器的化學穩(wěn)定性優(yōu)于鋁電解電容器。

—漏電流和損耗小。

缺點：

鈮電解電容器還可以在其表面形成介電氧化膜。鈮電解電容器最大的問題是熱和電應力對介質(zhì)氧化膜的破壞會導致漏電流增加和電容器失效。

2.3.3應用

鈮電解電容器已進入高比容量電容器市場，其容量/電壓范圍與普通鉭電解電容器相似，等效串聯(lián)電阻特性與標準鉭電解電容器相似。鈮電解電容價格低廉，性能穩(wěn)定，可替代部分鉭電解電容、陶瓷電容和鋁電容。鈮電容不易因著火而擊穿，保證了電路的安全。

鈮電解電容器的高漏電流對于大多數(shù)應用來說不是問題，因為最大剩余電流遠低于 50μA。例如，在個人電腦（PCS）的使用中，這個數(shù)字與微處理器的總功耗相比是很小的，并沒有太大的區(qū)別。壽命試驗證明，鈮電解電容器的電容量是穩(wěn)定的，漏電流隨時間不斷增加，但增長速度下降，出現(xiàn)飽和狀態(tài)，這是由于鈮陽極氧化膜的不穩(wěn)定性造成的。

鈮電解電容器經(jīng)過改進，可避免形成低價氧化物并穩(wěn)定電介質(zhì)氧化膜。隨著電子電路和電子工業(yè)的發(fā)展，鈮電解電容器將作為一種新型電容器引入市場，開拓其應用領域。

——電解電容器單位體積的電容量非常大，比其他種類的電容器大幾十到幾百倍。

—額定電容可以非常大，很容易達到幾萬μf甚至幾μf。

—電解電容器的價格絕對優(yōu)于其他種類，因為電解電容器是由普通的工業(yè)材料制成的，例如鋁。用于制作電解電容器的設備是普通設備，可以以相對較低的成本進行批量生產(chǎn)。

——電路中電解電容的實際電壓不應超過其耐壓值。使用電解電容時要注意正負極不能接反。在電源電路中，當輸出正電壓時，電解電容的正極接電源的輸出端，負極接地。當輸出電壓為負時，陰極接輸出端，陽極接地。不同的電路應使用不同類型的電容器。

在將電容器裝入電路之前，請確保沒有短路、開路和漏電等情況，并應檢查電容值。安裝時，要容易看到電容器的型號、容量、耐壓等符號，以便驗證。

—當電源電路中濾波電容的極性接反時，電容的濾波效果會大大降低。一方面造成電源的輸出電壓波動，另一方面相當于電阻的電解電容被反向電流加熱。當反向電壓超過一定值時，電容器的反向漏電阻變得很小，這將導致電容器在通電后不久因過熱而爆裂和損壞。

——施加在電解電容器兩端的電壓不得超過其允許的工作電壓。在實際電路的設計中，應根據(jù)具體情況有一個允許的電壓范圍。在設計穩(wěn)壓電源濾波電容時，如果交流電源電壓為220V，變壓器從屬整流電壓可達22V，PCB圖紙設計中耐壓為25V的電解電容一般可以滿足要求. 但如果交流電源電壓波動較大，可能上升到250V以上，最好選擇能承受30V以上的電解電容。

—電解電容不要靠近電路中的大功率發(fā)熱元件，以免電解液受熱迅速干涸。

—對于正負極性的濾波器，可將兩個極性相同的電解電容串聯(lián)，構成無極性電容。

—電容器外殼、輔助引線端子必須與正負極和電路板完全隔離。

1 、電解電容有什么用？

電解電容器由于其大容量和小尺寸，通常用于直流電源電路，以幫助降低紋波電壓或用于耦合和去耦應用。

2、電解電容和非電解電容有什么區(qū)別？

由于電解液，電解電容器是單極的，就像電池一樣。非電解質(zhì)是雙極性的，因為它由介電材料而不是電解質(zhì)組成。

3、如何鑒別電解電容？

許多最近的電容器都標有實際的 + 和 - 符號，這使得確定電容器的極性變得容易。電解電容器極性標記的另一種格式是在組件上使用條紋。在電解電容器上，條紋表示負極。

4、電解電容失效怎么辦？

電解電容失效的原因有很多，如焊接過程中的高溫、紋波引起的內(nèi)部功耗等、環(huán)境溫度高、反向電壓、電壓瞬變等。高溫會導致電容器內(nèi)部產(chǎn)生熱點并導致其失效。

5、電解電容和陶瓷電容有什么區(qū)別？

電解電容器非常適合以低成本獲得大電容值，但是它們具有較大的 ESR 和 ESL。陶瓷電容器具有非常低的 ESR 和 ESL，這使得它們非常適合瞬態(tài)性能，但它們在電容器尺寸上有限制。