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电容的认识与介绍-铝电解电容

一 铝解电容的构成
一般的铝解电容是将一个铝箔卷绕的芯子(芯子由阳极箔、浸透电解质的分隔纸和阴极箔)构成,浸渍在液态电解质中(少数SMT的铝电容是固态电解质),引出两个端子并包封在金属外壳中。铝电解电容包含两个导电电极,中间有绝缘层隔开。一个电极(阳极)由扩大了表面积的铝箔形成。铝氧化层(AL2O3)在其表面形成绝缘层。与其它电容相比,铝电解电容的负极(阴极)是导电液体,称作电解液。另外一个铝箔,是所谓的阴极箔,其有更大的表面积,以传递电流到电解液。电容的阳极是极纯的铝箔,其有效表面被极大地增大(比例可以到200倍),增大方式是一个电化学腐蚀过程,这样可以使电容到*大容量。

二 铝解电容的工艺制程
2.1 蚀刻
阳极和阴极金属箔是由高纯度的,很薄的只有0.02—0.1mm铝箔做成的,为了增加盘面积和电容量,与电解液接触的表面积的增加是通过蚀刻金属箔去溶解铝,使整个铝箔的表面形成一个高密度的网状的有几十亿个精细微管道的结构。蚀刻技术是牵引在滚筒上的铝箔通过氯化物溶液,并且在蚀刻溶液和铝箔之间加AC,DC或AC-&-DC电压。表面面积对于低压电容来说可以增加100倍,对于高压电容来说可以增加20-25倍。

2.2 化成
阳极箔上有电容器的电介质。电介质是一层很薄的铝氧化物,Al2O3,它是在阳极箔上的化学生成的,这个过程叫“化成”。

2.3 裁切
铝箔以一卷成40~50cm宽的条状,在经过刻蚀和形成工艺后,再根据终电容高度规格要求切成所需的宽度。

2.4 卷绕
铝箔切片后,在卷绕机上按一层隔离纸、阳极箔、另一层隔离纸、阴极箔合成并卷绕成柱状芯子结构,并在外面在卷上一个带状的压敏条来防止芯子散开。分隔纸作为阳极箔和阴极箔之间的衬垫层,既可以用以防止两电极箔接触而短路,同时作为吸附和蓄存液态工作电解质的载体。  在芯包卷绕前或卷绕过程中,铝垫引出片铆接到两个电极箔上,以方便后面引出到电容的端极 。优秀的铆接方法是采用微处理器控制定位的冷压焊接,以保证这过程中芯子的寄生电感小于2nH,较古老的铆接方法是通过穿透铝箔,折叠起来的方式,冷压焊接降低了短路失效的可能性,而且在高纹波电流应用下有较好的特性,而旧的铆接方式在充放电应用场合下常会使个别连接点断裂失效。

2.5 连接端子
在SMT电容和微小型电容里有橡皮塞,带子的扩展部分是电容器的端子。但大罐电容器如牛角和螺栓端子型,带子铆在或焊在电容器顶部的下面与插入端子相连。焊接产生*低的接触电阻和较高的电流处理能力。有电阻焊和超声波焊接两种方法可用。高达12对带子可以用,大螺栓端子电容经常在安装期间要求更强的机械支撑,那样电容可能先铆在端子的延伸柱上,然后焊接。在轴向引线的电容里阴极带在密封之前焊接到罐上。

2.6 浸渍
在芯子里注满了工作电解液让分隔纸充分吸收并渗透至毛细的刻蚀管道中。注入过程是将芯子浸渍在电解液中并进行加热(或不加热)的真空-强压循环处理,对于小容量电容,仅仅只是浸渍吸收就可以。电解液由不同化学成分混合而成,根据不同的电压和应用环境温度范围,其组成成分也不同。水在电解液成分中占据一个主要角色,它增加了电解液可导性从而减小了电容的ESR,但同时降低了沸点影响了在高温下的性能,降低了贮藏时间。当漏电流流过,水分子分解成氢气和氧气,氧气在漏电流处与阳极箔金属生成新的氧化膜(自愈),氢气则通过电容的橡胶塞逸出。因此为了维持氧化膜的自愈特性,是需要有一定比例成分的。

2.7 密封 
电容芯子密封在金属外壳罐里,大多数金属外壳为铝。为了释放产生的氢气,并不是的密封,当内外压力差值超过某一值时,氢气可单向透过橡胶逸出,消除爆破的危险。总的来说,封得太密,会导致过强的压力,太松,则会使电解液挥发干涸失效。

2.8 老化
在此电容装配完成了整个周期。后的生产步骤是老化即给电容加上高于额定电压但是小于化成电压的直流电压,通常是在电容的额定温度下加上电压的,但是也可能使用其它的温度甚至室温。这个步骤改良了在阳极薄膜上的剪切边缘和任何坏点,覆盖上任何带铝氧化电介质的裸铝。老化可以减少或消除早期寿命失效(早期失效)。低的初始的直流漏电流就是有效老化的表征。



 
三 铝解电容的优点与缺点
3.1 优点
(1) 单位体积所具有的电容量特别大。工作电压越低,这方面的特点愈加突出,因此,特别适应电容器的小型化和大容量化。   
(2) 铝电解电容器在工作过程中具有“自愈”特性。所谓“自愈”特性是指介质氧化膜的疵点或缺陷在电容器工作过程中随时可以得到修复,恢复其应具有的绝缘能力,避免招致电介质的雪崩式击穿。       
(3) 铝电解电容器的介质氧化膜能够承受非常高的电场强度。   
(4) 可以获得很高的额定静电容量。低压铝电解电容器能够非常方便地获得数千乃至数万微法的静电容量。一般来说,电源滤波、交流旁路等用途所需的电容器只能选用电解电容器。
 
3.2 缺点
(1) 绝缘性能较差。可以这样说,铝电解电容器是所有类别的电容器中绝缘性能差的。对铝电解电容器而言,通常采用漏电流来表征其绝缘性能。    
(2)损耗因子较大,低压铝电解电容器的DF通常在10%以上。       
(3) 铝电解电容器的温度特性及频率特性均较差。      
(4) 铝电解电容器具有极性。使用在电子线路中时,铝电解电容器的阳极要接电路中的电位高的点,阴极接电位低的点,才可能正常发挥电气功能。如果接反了,电容器的漏电流急剧增大,芯子严重发热,导致电容器失效,并有可能燃烧爆炸,损害线路板上的其它器件。       
(5) 工作电压有一定的上限。根据铝电解电容器介质氧化膜的特殊生成手段,其较高工作电压一般为500V,且发展潜力十分有限;      
(6) 铝电解电容器的性能容易劣化。使用经过长期存放的铝电解电容器,不宜突然施加额定工作电压,而应逐渐升压至额定电压。

四 选型参照性能
 
4.1 电容量
容量是选择应用电容首要考虑的*一个因素。目前,铝电解电容的电容量范围业界可做到0.1uF~3F。工作电压从5V~500V。电容每一量级一般分6个数值:1.0、1.5、2.2、3.3、4.7、6.8 。
 
4.2 额定电压
电容设计时的设计直流电压。对于铝电解电容,额定电压≤100 V通常叫做低压电容,而额定电压>100 V 称作(中)高压电容,常用的额定电压有6.3V,10V,16V,25V,50V,63V,100V,250V,400V,450V,500V,630V等。
电解电容额定电压选型规则为:实际电路工作电压乘以1.5倍,在此基础上向上选取近一个通用电压。例如:电路为5V,则降额后需要耐压7.5V,终选择额定电压10V。     对于额定电压替代,通用原则是高额定电压替代低额定电压。但不建议在相差两个以上等级的额定电压间替代,即不建议用50V替代16V,推荐用25V替代16V。
 
4.3 工作电压
电容可以在额定电压(包含一些叠加成份)下额定工作范围内连续工作。允许的连续工作电压范围为0V到额定电压之间。在很短时间内,因阴极铝箔上有一层空气氧化层,电容可以承受不超过1.5 V 的反向电压。
 
4.4 使用温度范围
即电容器能够稳定工作的温度范围,目前常见的低温极*值大致有-55℃,-40℃,-25℃几种,高温极*值大致有85℃,105℃,125℃,130℃等几种。温度范围选型需要依据产品热设计及使用环境确定。对于室内产品,温度范围可以在-25℃~105℃,对于室外产品,推荐-40℃~105℃必要时选用125℃。对于温度范围替代,使用宽温度范围替代窄温度范围。对于低温的替代可以降低替代标准,无特殊要求,则按照-40℃为标准。
 
4.5 耗散因数tanδ
耗散因数是等效串联电阻与等效串联线路里(如图3)容性电抗成分的比值,或者是在正弦电压下有功功率(耗散功率)与无功功率的比值。耗散因数越高,对应的电容设计越好。因此,优选耗散因数高的电容。
 
4.6 等效串联电感ESL
自身电感或者称等效串联电感来源于接线端子及电容内部设计等效串联电感越低,对应的电容设计越好。因此,优选等效串联电感低的电容。
 
4.7 等效串联电阻ESR
等效串联电阻是指等效串联线路的阻性成分。ESR值与频率,温度有关,而且与耗散因数有关。等效串联电阻越低,对应的电容设计越好。因此,优选等效串联电阻低的电容。
 
4.8 温度特性
温度对电解电容的容量有较大影响,温度降低时,电容粘性增加,这会降低导电性。电解电容的容值随着温度的降低而降低。电解电容容量-温度特性曲线如下图所示


 
4.9 容量频率特性
电解电容的容量随着测试频率的升高而降低。电解电容容量-频率特性曲线如下图所示:


 
4.10 阻抗Z的频率温度特性
阻抗Z的频率温度特性曲线如下图所示:
 


4.11 封装
铝电解电容器封装按安装方式分类有以下几种:引线型、牛角型、贴片型、螺丝型等;按本体形状分类由于其结构特点决定了常用的就只有圆柱形一种。常用的为标准引线型。

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