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鋁電解電容器理論之（三）

作者：鋁電解電容器廠家來源：互聯網發布時間：2020-07-08 07:13:15

【摘要】：電容器的基本原理.電容器的由測量交流容量時所呈現的阻抗決定。交流電容量隨頻率、電壓以及測量方法的變化而變化。

1-1. 電容器的基本原理

電容器的基本原理可以用圖1-1來描述

當在兩個正對的金屬電極上施加電壓時，電荷將據電壓的大小被儲存起來

圖. 1-1Q=CV Q:電量( C ) V:電壓(V ) C:電容量(F)

C:電容器的電容量，可以由電極面積S [m2]，介質厚度t [m]以及相對介電常數ε來表示

C[F]= ε0•ε•S/t

ε0:介質在真空狀態下的介電常數(=8.85x10-12 F/M)

鋁氧化膜的相對介電常數為7~8，要想獲得更大的電容，可以通過增加表面積S或者減少其厚度t來獲得。

表1-1列出了電容器中常用的幾種典型的介質的相對介電常數，在很多情況下，電容器的命名通常是根據介質所使用的材料來決定的，例如：鋁電解電容器、鉭電容器等。

表 1-1

R1：電極和引出端子的電阻

R2：陽極氧化膜和電解質的電阻

R3：損壞的陽極氧化膜的絕緣電阻

D1：具有單向導電性的陽極氧化膜

C1：陽極箔的容量

C2：陰極箔的容量

L ：電極及引線端子等所引起的等效電感量

1-3基本的電性能

1-3-1 電容量

電容器的由測量交流容量時所呈現的阻抗決定。交流電容量隨頻率、電壓以及測量方法的變化而變化。鋁電解電容器的容量隨頻率的增加而減小。和頻率一樣，測量時的溫度對電容器的容量有一定的影響。隨著測量溫度的下降，電容量會變小。

另一方面，直流電容量，可通過施加直流電壓而測量其電荷得到，在常溫下容量比交流稍微的大一點，并且具有更優越的穩定特性。

1-3-2 Tan δ（損耗角正切）

在等效電路中，串聯等效電阻ESR同容抗1/ wC之比稱之為Tan δ，其測量條件與電容量相同。

漏電流隨時間變化特征圖

測試溫度和電壓對漏電流具有很大的影響。漏電流會隨著溫度和電壓的升高而增大。

2. 鋁電解電容器的壽命

2-1.忽略紋波電流時的壽命推算

一般而言，鋁電解電容器的壽命與周圍的環境溫度有很大的關系，其壽命可以由以下公式計算。

其中，L：溫度T時的壽命

L0：溫度T0時的壽命

與溫度比較，降壓使用對電容器的壽命影響很小，可忽略不計。

2-2.考慮紋波電流時壽命的推算

疊加紋波電流，由于內部等效串連電阻（ESR）引起發熱，從而影響電容器的使用壽命，產生的熱量可由下式計算

P=I2R………………..(2)

I：紋波電流（Arms）

R：等效串聯電阻（Ω）

由于發熱引起的溫升

其中，△T: 電容器中心的溫升（℃）

I: 紋波電流 (Arms)

R: ESR (Ω)

A: 電容器的表面積(cm2)

H: 散熱系數( 1.5~2.0x10-3W/cm2x℃)

上面公式（3）顯示電容器的溫度上升與紋波電流的平方以及等效串聯電阻ESR成正比，與電容器的表面積成反比，因此，紋波電流的大小決定著產生熱量的大小，且影響其使用壽命，電容器的類型以及使用條件影響著△T值的大小，般情況下，△T<5℃。下圖表示紋波電流引起的溫升的測量處

測試結果：

（1）.考慮到環境溫度和紋波電流時的壽命公式

其中，Ld：直流工作電壓下的使用壽命

（K=2，紋波電流允許的范圍內）

（K=4，超過紋波電流范圍時）

T0：最高使用溫度

T ：工作溫度

△T：中心溫升

（2）電容器工作在額定的紋波電流和上限溫度時，電容器的壽命可通過轉化（4）式得到，如下：

其中，Lr：工作在額定紋波電流和最高工作溫度下的壽命（h）

△T0：最高工作溫度下的電容器中心容許溫升。

（3）考慮紋波電流，環境溫度時可由（5）式得到下式：

其中，I0：最高工作溫度下的額定紋波電流（Arms）

I：疊加的紋波電流（Arms）

由于直接測量電容器的內部溫升存在著困難，下表列出了表面溫度和內部核心溫度的換算關系。

圖表2-1

直徑 ~10 12.5~16 18 22 25 30 35

中心/表面 1.1 1.2 1.25 1.3 1.4 1.6 1.65

壽命的推算公式，原則上適用于周圍環境溫度為+40℃到最高工作溫度范圍內，但由于封口材料的老化等因素，實際的推算壽命時間一般最大為15年。

（表2-1 壽命推算曲線）

3 電容器的串聯均衡電阻的計算：

3-1 回路展開圖

兩個電容器（C1，C2）相串聯，等效電路可用下圖來表示，均衡電阻RB的計算公式可表示如下

4. 冗余電壓

鋁電解電容器先充電，再放電，而后再將兩引線短接，再將其放置一段時間后，兩端子間存在電壓上升的現象；由這種現象所引起的電壓稱之為再生電壓。下面介紹一下產生這種現象的過程。

當電壓施加在介質之上時，在介質內部引起電子的轉移，從而在介質內部產生感應電場，其方向與電壓的方向相反，這種現象稱之為極化反應。

在施加電壓引起介質極化后，如果兩端子進行放電一直到端子間的電壓為零，而后將其開路放置一段時間后，一種潛在的電勢將出現在兩端子上，這樣就引起了再生電壓。

再生電壓在電容器開路放置10~20天時達到峰值，然后逐漸降低，再生電壓有隨組件變大而增大的趨勢（基板自立形）如果電容器在產生再生電壓后，兩端子短路，瞬間高電壓放電可能引起組裝線上的操作員工的恐懼感，并且，有可能導致一些低壓驅動組件（如CPU，存儲器等）被擊穿的危險，預防出現這種情況的措施是在使用前加100Ω~1KΩ的電阻進行放電，或者在產品包裝中用鋁箔覆蓋引起兩端子間短路。如需更詳細的解答，請與我們聯系。