電容的認(rèn)識(shí)與介紹-鋁電解電容

一 鋁解電容的構(gòu)成
一般的鋁解電容是將一個(gè)鋁箔卷繞的芯子（芯子由陽(yáng)極箔、浸透電解質(zhì)的分隔紙和陰極箔）構(gòu)成，浸漬在液態(tài)電解質(zhì)中（少數(shù)SMT的鋁電容是固態(tài)電解質(zhì)），引出兩個(gè)端子并包封在金屬外殼中。鋁電解電容包含兩個(gè)導(dǎo)電電極，中間有絕緣層隔開(kāi)。一個(gè)電極（陽(yáng)極）由擴(kuò)大了表面積的鋁箔形成。鋁氧化層（AL2O3）在其表面形成絕緣層。與其它電容相比，鋁電解電容的負(fù)極（陰極）是導(dǎo)電液體，稱作電解液。另外一個(gè)鋁箔，是所謂的陰極箔，其有更大的表面積，以傳遞電流到電解液。電容的陽(yáng)極是極純的鋁箔，其有效表面被極大地增大（比例可以到200倍），增大方式是一個(gè)電化學(xué)腐蝕過(guò)程，這樣可以使電容到最大容量。

二 鋁解電容的工藝制程
2.1 蝕刻
陽(yáng)極和陰極金屬箔是由高純度的，很薄的只有0.02—0.1mm鋁箔做成的，為了增加盤面積和電容量，與電解液接觸的表面積的增加是通過(guò)蝕刻金屬箔去溶解鋁，使整個(gè)鋁箔的表面形成一個(gè)高密度的網(wǎng)狀的有幾十億個(gè)精細(xì)微管道的結(jié)構(gòu)。蝕刻技術(shù)是牽引在滾筒上的鋁箔通過(guò)氯化物溶液，并且在蝕刻溶液和鋁箔之間加AC，DC或AC-&-DC電壓。表面面積對(duì)于低壓電容來(lái)說(shuō)可以增加100倍，對(duì)于高壓電容來(lái)說(shuō)可以增加20-25倍。

2.2 化成
陽(yáng)極箔上有電容器的電介質(zhì)。電介質(zhì)是一層很薄的鋁氧化物，Al2O3，它是在陽(yáng)極箔上的化學(xué)生成的，這個(gè)過(guò)程叫“化成”。

2.3 裁切
鋁箔以一卷成40～50cm寬的條狀，在經(jīng)過(guò)刻蝕和形成工藝后，再根據(jù)最終電容高度規(guī)格要求切成所需的寬度。

2.4 卷繞
鋁箔切片后，在卷繞機(jī)上按一層隔離紙、陽(yáng)極箔、另一層隔離紙、陰極箔合成并卷繞成柱狀芯子結(jié)構(gòu)，并在外面在卷上一個(gè)帶狀的壓敏條來(lái)防止芯子散開(kāi)。分隔紙作為陽(yáng)極箔和陰極箔之間的襯墊層，既可以用以防止兩電極箔接觸而短路，同時(shí)作為吸附和蓄存液態(tài)工作電解質(zhì)的載體。  在芯包卷繞前或卷繞過(guò)程中，鋁墊引出片鉚接到兩個(gè)電極箔上，以方便后面引出到電容的端極 。最好的鉚接方法是采用微處理器控制定位的冷壓焊接，以保證這過(guò)程中芯子的寄生電感小于2nH，較古老的鉚接方法是通過(guò)穿透鋁箔，折疊起來(lái)的方式，冷壓焊接降低了短路失效的可能性，而且在高紋波電流應(yīng)用下有較好的特性，而舊的鉚接方式在充放電應(yīng)用場(chǎng)合下常會(huì)使個(gè)別連接點(diǎn)斷裂失效。

2.5 連接端子
在SMT電容和微小型電容里有橡皮塞，帶子的擴(kuò)展部分是電容器的端子。但大罐電容器如牛角和螺栓端子型，帶子鉚在或焊在電容器頂部的下面與插入端子相連。焊接產(chǎn)生最低的接觸電阻和最高的電流處理能力。有電阻焊和超聲波焊接兩種方法可用。高達(dá)12對(duì)帶子可以用，大螺栓端子電容經(jīng)常在安裝期間要求更強(qiáng)的機(jī)械支撐，那樣電容可能先鉚在端子的延伸柱上，然后焊接。在軸向引線的電容里陰極帶在密封之前焊接到罐上。

2.6 浸漬
在芯子里注滿了工作電解液讓分隔紙充分吸收并滲透至毛細(xì)的刻蝕管道中。注入過(guò)程是將芯子浸漬在電解液中并進(jìn)行加熱（或不加熱）的真空－強(qiáng)壓循環(huán)處理，對(duì)于小容量電容，僅僅只是浸漬吸收就可以。電解液由不同化學(xué)成分混合而成，根據(jù)不同的電壓和應(yīng)用環(huán)境溫度范圍，其組成成分也不同。水在電解液成分中占據(jù)一個(gè)主要角色，它增加了電解液可導(dǎo)性從而減小了電容的ESR，但同時(shí)降低了沸點(diǎn)影響了在高溫下的性能，降低了貯藏時(shí)間。當(dāng)漏電流流過(guò)，水分子分解成氫氣和氧氣，氧氣在漏電流處與陽(yáng)極箔金屬生成新的氧化膜（自愈），氫氣則通過(guò)電容的橡膠塞逸出。因此為了維持氧化膜的自愈特性，是需要有一定比例成分的。

2.7 密封 
電容芯子密封在金屬外殼罐里，大多數(shù)金屬外殼為鋁。為了釋放產(chǎn)生的氫氣，并不是絕對(duì)的密封，當(dāng)內(nèi)外壓力差值超過(guò)某一值時(shí)，氫氣可單向透過(guò)橡膠逸出，消除爆破的危險(xiǎn)?？偟膩?lái)說(shuō)，封得太密，會(huì)導(dǎo)致過(guò)強(qiáng)的壓力，太松，則會(huì)使電解液揮發(fā)干涸失效。

2.8 老化
在此電容裝配完成了整個(gè)周期。最后的生產(chǎn)步驟是老化即給電容加上高于額定電壓但是小于化成電壓的直流電壓，通常是在電容的額定溫度下加上電壓的，但是也可能使用其它的溫度甚至室溫。這個(gè)步驟改良了在陽(yáng)極薄膜上的剪切邊緣和任何壞點(diǎn)，覆蓋上任何帶鋁氧化電介質(zhì)的裸鋁。老化可以減少或消除早期壽命失效（早期失效）。低的初始的直流漏電流就是有效老化的表征。



 
三 鋁解電容的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)
3.1 優(yōu)點(diǎn)
(1) 單位體積所具有的電容量特別大。工作電壓越低，這方面的特點(diǎn)愈加突出，因此，特別適應(yīng)電容器的小型化和大容量化。   
(2) 鋁電解電容器在工作過(guò)程中具有“自愈”特性。所謂“自愈”特性是指介質(zhì)氧化膜的疵點(diǎn)或缺陷在電容器工作過(guò)程中隨時(shí)可以得到修復(fù)，恢復(fù)其應(yīng)具有的絕緣能力，避免招致電介質(zhì)的雪崩式擊穿。       
(3) 鋁電解電容器的介質(zhì)氧化膜能夠承受非常高的電場(chǎng)強(qiáng)度。   
(4) 可以獲得很高的額定靜電容量。低壓鋁電解電容器能夠非常方便地獲得數(shù)千乃至數(shù)萬(wàn)微法的靜電容量。一般來(lái)說(shuō)，電源濾波、交流旁路等用途所需的電容器只能選用電解電容器。
 
3.2 缺點(diǎn)
(1) 絕緣性能較差?？梢赃@樣說(shuō)，鋁電解電容器是所有類別的電容器中絕緣性能最差的。對(duì)鋁電解電容器而言，通常采用漏電流來(lái)表征其絕緣性能。    
(2)損耗因子較大，低壓鋁電解電容器的DF通常在10％以上。       
(3) 鋁電解電容器的溫度特性及頻率特性均較差。      
(4) 鋁電解電容器具有極性。使用在電子線路中時(shí)，鋁電解電容器的陽(yáng)極要接電路中的電位高的點(diǎn)，陰極接電位低的點(diǎn)，才可能正常發(fā)揮電氣功能。如果接反了，電容器的漏電流急劇增大，芯子嚴(yán)重發(fā)熱，導(dǎo)致電容器失效，并有可能燃燒爆炸，損害線路板上的其它器件。       
(5) 工作電壓有一定的上限。根據(jù)鋁電解電容器介質(zhì)氧化膜的特殊生成手段，其最高工作電壓一般為500V，且發(fā)展?jié)摿κ钟邢蓿?nbsp;     
(6) 鋁電解電容器的性能容易劣化。使用經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期存放的鋁電解電容器，不宜突然施加額定工作電壓，而應(yīng)逐漸升壓至額定電壓。

四 選型參照性能
 
4.1 電容量
容量是選擇應(yīng)用電容首要考慮的第一個(gè)因素。目前，鋁電解電容的電容量范圍業(yè)界可做到0.1uF～3F。工作電壓從5V～500V。電容每一量級(jí)一般分6個(gè)數(shù)值：1.0、1.5、2.2、3.3、4.7、6.8 。
 
4.2 額定電壓
電容設(shè)計(jì)時(shí)的設(shè)計(jì)直流電壓。對(duì)于鋁電解電容，額定電壓≤100 V通常叫做低壓電容，而額定電壓>100 V 稱作（中）高壓電容，常用的額定電壓有6.3V，10V，16V，25V，50V，63V，100V，250V，400V，450V，500V，630V等。
電解電容額定電壓選型規(guī)則為：實(shí)際電路工作電壓乘以1.5倍，在此基礎(chǔ)上向上選取最近一個(gè)通用電壓。例如：電路為5V，則降額后需要耐壓7.5V，最終選擇額定電壓10V。     對(duì)于額定電壓替代，通用原則是高額定電壓替代低額定電壓。但不建議在相差兩個(gè)以上等級(jí)的額定電壓間替代，即不建議用50V替代16V，推薦用25V替代16V。
 
4.3 工作電壓
電容可以在額定電壓（包含一些疊加成份）下額定工作范圍內(nèi)連續(xù)工作。允許的連續(xù)工作電壓范圍為0V到額定電壓之間。在很短時(shí)間內(nèi)，因陰極鋁箔上有一層空氣氧化層，電容可以承受不超過(guò)1.5 V 的反向電壓。
 
4.4 使用溫度范圍
即電容器能夠穩(wěn)定工作的溫度范圍，目前常見(jiàn)的低溫極限值大致有-55℃，-40℃，-25℃幾種，高溫極限值大致有85℃，105℃，125℃，130℃等幾種。溫度范圍選型需要依據(jù)產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)及使用環(huán)境確定。對(duì)于室內(nèi)產(chǎn)品，溫度范圍可以在-25℃~105℃，對(duì)于室外產(chǎn)品，推薦-40℃~105℃必要時(shí)選用125℃。對(duì)于溫度范圍替代，使用寬溫度范圍替代窄溫度范圍。對(duì)于低溫的替代可以降低替代標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)特殊要求，則按照-40℃為標(biāo)準(zhǔn)。
 
4.5 耗散因數(shù)tanδ
耗散因數(shù)是等效串聯(lián)電阻與等效串聯(lián)線路里(如圖3)容性電抗成分的比值，或者是在正弦電壓下有功功率（耗散功率）與無(wú)功功率的比值。耗散因數(shù)越高，對(duì)應(yīng)的電容設(shè)計(jì)越好。因此，優(yōu)選耗散因數(shù)高的電容。
 
4.6 等效串聯(lián)電感ESL
自身電感或者稱等效串聯(lián)電感來(lái)源于接線端子及電容內(nèi)部設(shè)計(jì)等效串聯(lián)電感越低，對(duì)應(yīng)的電容設(shè)計(jì)越好。因此，優(yōu)選等效串聯(lián)電感低的電容。
 
4.7 等效串聯(lián)電阻ESR
等效串聯(lián)電阻是指等效串聯(lián)線路的阻性成分。ESR值與頻率，溫度有關(guān)，而且與耗散因數(shù)有關(guān)。等效串聯(lián)電阻越低，對(duì)應(yīng)的電容設(shè)計(jì)越好。因此，優(yōu)選等效串聯(lián)電阻低的電容。
 
4.8 溫度特性
溫度對(duì)電解電容的容量有較大影響，溫度降低時(shí)，電容粘性增加，這會(huì)降低導(dǎo)電性。電解電容的容值隨著溫度的降低而降低。電解電容容量-溫度特性曲線如下圖所示


 
4.9 容量頻率特性
電解電容的容量隨著測(cè)試頻率的升高而降低。電解電容容量-頻率特性曲線如下圖所示：


 
4.10 阻抗Z的頻率溫度特性
阻抗Z的頻率溫度特性曲線如下圖所示：
 


4.11 封裝
鋁電解電容器封裝按安裝方式分類有以下幾種：引線型、牛角型、貼片型、螺絲型等；按本體形狀分類由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了常用的就只有圓柱形一種。常用的為標(biāo)準(zhǔn)引線型。