鋁液體電解電容器

★★★ Cap-4---鋁液體電解電容 ★★★

引言：電解電容器有別于其他電容器，其理由在于電極材料和介質(zhì)的特殊性。鋁電解電容器在陽極的鋁箔表面形成作為電介質(zhì)的鋁氧化被膜，電解質(zhì)(陰極)使用電解液(溶媒中溶解了電解質(zhì)的液體)。鋁電解電容器的特點在于其大電容，通過對鋁箔的表面進行蝕刻來形成凹凸以增大電極表面積(S)，再在埃級的極薄狀態(tài)下形成氧化被膜的厚度(d)來實現(xiàn)。但是與陶瓷電容器和薄膜電容器相比，等效串聯(lián)電阻(ESR)變大。

鋁電解電容器是使用壽命有限的產(chǎn)品，這是因為電解液會在溫度的影響下氣化，漸漸地滲透到封口橡膠中，伴隨時間的推移電容下降，ESR上升，最終成為開路狀態(tài)(電解液干涸)。鋁電解電容器的壽命預測一般可應用“10℃-2倍的定律”。

€1.鋁液體電解電容

圖4-1：電容器按屬性分類

如 圖4-2 ，電解電容器是根據(jù)將在電極表面電化學生成的氧化被膜作為介質(zhì)來使用而取的名稱。鋁(A?)，鉭(Ta)，鈮(Nb)，鈦(Ti)，鋯(Zr)，鉿(Hf)等金屬可生成綿密而富于絕緣性的氧化被膜。電容器中目前已被實用化的金屬包括鋁，鉭和鈮這3種金屬。在陽極的表面生成的氧化被膜只有在其被生成的電極成為陽極的時候才會呈現(xiàn)電氣絕緣性，發(fā)揮介質(zhì)的功能。因此電解電容器從原理上來看，是具有極性的電容器。

圖4-2：電解電容器的原理圖

圖4-3：電解電容器的種類

鉭非固體電解電容器限定于非常特殊的用途 ，產(chǎn)量也非常少因而在提到電解電容器時，可以認為是指鋁電解電容器（非固體和固體）與鉭固體電解電容器（下稱鉭電解電容器）這兩種。鋁電解電容器與鉭電解電容器的特點和差異如表4-1所示。

表4-1：三種常用電解電容的特點和差異

鋁電解電容器構(gòu)造上的特點在于電極采用箔型，電解質(zhì)使用液體。鉭電解電容器構(gòu)造上的特點在于陽極在電解質(zhì)中使用固體。鋁電解電容器和鉭電解電容器，兩者的最大差異體現(xiàn)在電解質(zhì)的差異（液體或固體）上，此構(gòu)造上的差異都會大大影響到其性能和可靠性。

對于溫度特性，頻率特性等特性，由于液體電解質(zhì)電導率變化大，無論如何也比不過固體電解質(zhì)。相反地，固體電解質(zhì)與液體電解質(zhì)相比，氧化被膜的修復性能不太好，因而如果在氧化被膜產(chǎn)生缺陷的情況下，往往會呈現(xiàn)漏電流的增加或短路這樣的故障模式。耐脈動，耐充放電性能，逆電壓施加性能不好，也是此修復性的差異造成的。

從壽命來看，鋁非固體式電解電容器，電解液會從封口部逐漸滲透或蒸發(fā)，最終干涸導致容量下降或減少，最后成為開路狀態(tài)，但是固體式電容器電解質(zhì)幾乎不會蒸發(fā)，與鋁電解電容器相比，具有非常長的使用壽命。

** €2. 鋁電解電容器的故障**

可以按照以下所圖4-4示的方式來大致區(qū)分故障模式：

圖4-4：故障模式分類

劣化故障是其他電容器上幾乎很少有的故障模式。鋁電解電容器其故障率會隨著時間的經(jīng)過而增加，最終導致全部故障（開路）。致命故障會導致電容器的功能完全喪失，因而很容易判斷故障，但是劣化故障時，由于其特性是慢慢地發(fā)生變化，因而在哪個階段判斷為故障，會根據(jù)所使用的電子設(shè)備的要求性能而存在差異。劣化故障時，從規(guī)格書和產(chǎn)品目錄規(guī)格值偏離的階段為大致標準來做出故障判斷。各自的故障模式和發(fā)生要因以及與故障機理的關(guān)系如表4-2所示。

表4-2：鋁電解電容器的故障模式和故障機理

**** €3. 壽命設(shè)計****

鋁電解電容器是具有有限壽命的零部件，正如以上反復描述的那樣，在通常的使用條件下左右其壽命的只限于溫度。（因為電解液的滲透速度會隨使用溫度而變化之故）其他因素，也即電壓和安裝條件等，如表4-2項中所示，在發(fā)生異常時，將會成為導致壽命縮短的要因，在通常的條件內(nèi)不成問題。

壽命的求取方法：

電解液的滲透速度，在溫度每上升10℃時其速度就大約增大2倍，總結(jié)為“10℃-2倍定律”，40℃到140℃左右的范圍內(nèi)成立。因此可根據(jù)式1來求出該電容器在使用溫度下的預期壽命，此外在簡易地求取時，可以使用圖4-5 。

L：實際使用時的預期壽命（小時）

T：實際使用時的周圍溫度 + 脈動電流的發(fā)熱（℃）

L0：該電容器的保證壽命（℃）

T0：1) 疊加額定脈動電流來規(guī)定耐久性時該電容器的范疇上限溫度 + 額定脈動電流設(shè)定時的發(fā)熱［5℃］（℃）；2) 施加額定電壓來規(guī)定耐久性時該電容器的范疇上限溫度（℃）

圖4-5：降額壽命時間簡易換算表

**** €4. 設(shè)計示例****

使用背景：設(shè)備的預期壽命（要求壽命）在24小時連續(xù)運轉(zhuǎn)下使用10年，每天運轉(zhuǎn)8小時下使用10年，電容器的周圍溫度為65℃ （確認在背面和周圍沒有發(fā)熱的零部件），壽命計算：考慮在105℃下使用2000小時保證品時：

即使用溫度65℃下32000小時的預期壽命

選定使用的電容器：對于Ａ：24小時運轉(zhuǎn)下使用10年時，L=24小時×365日×10年= 87600小時，10年的運轉(zhuǎn)時間，即使是在105℃下使用2000小時的產(chǎn)品也不滿足預期壽命，因而需要調(diào)低周圍溫度。對于Ｂ：1日8小時運轉(zhuǎn)下使用10年時，L=8小時×365日×10年= 29200小時，10 年的運轉(zhuǎn)時間在105℃下使用2000小時的產(chǎn)品可沒有問題地使用。

****** €5. 電路設(shè)計考量******

在使用鋁電解電容器時，如表4-3所示，電路設(shè)計上成問題的包括以下７個種類：

表4-3：鋁電解電容選型考慮因素

(1) 過電壓

要點：請勿施加額定電壓以上的過電壓。如果是短暫的時間（1 秒以內(nèi)），可以施加至電涌電壓。電路上有電感時，電容器的兩端電壓會上升至預想值以上。特別是對于馬達上的感生電流等。

如果施加額定電壓以上的過電壓，就會因封口密封不良中所描述的電容器的氧化被膜自修復作用，導致容量減少，tan δ增加或電容器的破壞。

(2) 逆電壓

要點：請勿施加逆電壓。包括電源的ON/OFF時等在內(nèi)，在施加逆電壓時，請使用兩極性的電容器。（但是無法在AC電路上使用）通常鋁電解電容器在構(gòu)造上采用只對單極進行陽極氧化并形成氧化被膜的極化構(gòu)造。

(3) 紋波電流

要點：請使用具有比電路的紋波電流更大的容許脈動電流值的電容器。需要根據(jù)頻率來對紋波電流進行修正，測量電路的紋波電流困難時, 請確認電容器本身的發(fā)熱。請在自發(fā)熱處于紋波電流的頻率修正系數(shù)，將影響壽命的各頻率下的紋波電流應力設(shè)定為同等，是非常具有意義的數(shù)值。紋波動電流引起的自發(fā)熱影響ESR，一旦頻率升高就會下降。因此頻率越高，紋波電流就越易于流過。

(4) 充放電

要點：不可在頻繁地反復進行充放電的電路中使用。一般的鋁電解電容器在通常的狀態(tài)下電流幾乎不會流過，因而幾乎沒有什么發(fā)熱。但是在充放電時會有電流流過，因而會發(fā)熱。因此如果該頻度增多，則會因自發(fā)熱溫度而導致壽命縮短，極端的情況下會導致漏電流的極端增加或電容器的破壞（電解液漏出等）。

(5) 溫度特性

要點：溫度引起的電氣特性的變動，請考慮設(shè)備的使用環(huán)境來研究并選定電容器。鋁電解電容器使用液體電解質(zhì)，因而與陶瓷電容器那樣的固體電解質(zhì)相比，電導率變化大，所以會使得溫度特性變差。

(6) 多個使用

并聯(lián)使用或者串聯(lián)使用２個以上的電容器，將2個以上的電容器并聯(lián)連接時電容器的電阻值是接近電路電阻的值，因而在有的情況下會導致電容器間的電流失去平衡，致使脈動電流流向部分電容器。請充分考慮布線方法，讓脈動電流均勻流向各電容器。

圖4-6：推薦粉色連接方式

安裝部位：在進行鋁電解電容器安裝部位的設(shè)計時，需要考慮以下項目。

表4-4：鋁電解電容安裝考慮因素

******** €6. 使用場景********

直流穩(wěn)定電源，大致區(qū)分為斷續(xù)控制方式和連續(xù)控制方式。下面就以開關(guān)調(diào)節(jié)器為例，用于開關(guān)調(diào)節(jié)器的電容器是根據(jù)電路來選定的，屬于前饋型開關(guān)調(diào)節(jié)器。

① 線路濾波器電路 ：陶瓷電容器，薄膜電容器

② 輸入側(cè)平滑電路 ：鋁電解電容器（層疊陶瓷電容器）

③ 緩沖電路 ：陶瓷電容器

④ 輸出側(cè)平滑電路 ：鋁電解電容器，層疊陶瓷電容器，薄膜電容器，鋁固體電解電容器，鉭電解電容器

⑤ 控制電路 ：陶瓷電容器，薄膜電容器，鉭電解電容器，鋁電解電容器

(1) 輸入側(cè)（一次側(cè)）平滑電路用鋁電解電容器

在商用電壓(100V.AC，200V.AC) 和商用頻率(60Hz，50Hz) 下使用的輸入側(cè)平滑用鋁電解電容器，是對應商用電壓的高耐電壓電容器，由于是商用頻率（通常為全波電流），所以要求具備對應商用頻率×2的耐脈動電流性能。此外電容器在所嵌裝的零部件中占有較大的體積( 接地面積)，隨著電源的小型化，人們對電容器提出了非常強烈的小型化要求。

(2) 輸出側(cè)平滑用鋁電解電容器

在開關(guān)頻率(20k～500kHz) 下被作為平滑用使用的鋁電解電容器，其額定電壓是根據(jù)所設(shè)定的輸出電壓來決定的，此外其必須具備的條件是在開關(guān)頻率下為低阻抗。