电解电容
电解电容器是通过电解质作用于金属膜表面的氧化层作为绝缘层的电容器,通常具有较大的容量。电解质是一种富含离子的液体和冻结物质。大多数电解电容器都是极性的,也就是说,在工作时,电容器的正电压总是高于负电压。
电解电容器的高容量也牺牲了许多其他特性,如漏电流大、等效串联电感和电阻大、容量误差大、寿命短等。
除了有极性的电解电容之外,也有无极性的电解电容。在下图中,就是有两种1000uF,16V电解电容,其中大的是无极性,小的是极性。
电解电容内部可能是液体电解质或者固态聚合物,电极材料常用铝(Aluminum)或者钽(Tandalum)。下图显示了极性铝电解电容器内部的常见结构。两个电极之间有一层浸有电解质的纤维纸,另一层绝缘纸变成圆柱形,密封在铝壳中。
解开电解电容器,可以清楚地看到其基本结构。为防止电解液的蒸发和泄漏,电容引脚用密封橡胶固定。
图中还显示了极性和无极性电解电容器内部体积的差异。在相同的容量和耐压等级下,无极性电解电容器大约是极性的两倍。
这种差异主要来自于两电容器内部电极的面积。下图左侧为无极电容电极,右侧为极电极。除了面积差异,两个电极的厚度也不同。极性电容电极厚度较薄。
电容爆炸
当电容施加的电压超过其耐压时,或者对于有极性电解电容电压极性加反时,都会引起电容漏电流极具上升。造成电容内部热量增加,电解液会产生大量的气体。为了防止电容爆炸,在电容外壳的顶部压制有三条凹槽,这样便于电容顶部在高压下率先破裂,释放内部的压力。
然而,在一些电容器的生产过程中,顶部的凹槽压力不合格,电容器内部的压力会使电容器底部的密封橡胶弹出,然后电容器内部的压力突然释放,形成爆炸。
1. 无极电解电容爆炸
下图显示了一个容量为1万的无极电解电容uF,耐压16V。施加电压超过18V之后漏电流突然增加,电容器内部温度和压力增加。最后,电容器底部的橡胶密封圈爆炸,内部电极像爆米花一样松动。
无极电解电容过压爆破
通过将热电偶绑在电容器上,可以测量电容器的温度随着电压的增加而变化的过程。下图显示了无极电容器在电压增加过程中,当电压超过耐压值时,内部温度继续升高。
下图显示了流过电容器的电流在同一过程中的变化。可以看出,电流的增加是内部温度升高的主要原因。在此过程中,电压呈线性增加。随着电流的急剧增加,电源内部组降低了电压。最后,当电流超过6时A之后,电容随着一声巨响爆炸。
电压与电流之间的关系
由于无极电解电容器内部体积大,电解质多,过流后压力大。导致外壳顶部的泄压槽没有破裂,电容器底部的密封橡胶被炸开。
2. 极性电解电容爆炸
对于极性电解电容施加电压。当电压超过电容器的耐压性时,漏电电流也会急剧上升,导致电容器过热爆炸。
下图显示了极限电解电容,1万uF,16V。内部气压过程通过顶部泄压槽释放。因此,避免了电容爆炸过程。
下图显示了电容器的温度随着施加电压的增加而变化。当电压逐渐接近电容器的性时,电容器的留点电流增加,内部图纸继续上升。
下图显示了电容器泄漏电流的变化。标称为16V在测试过程中,当电压超过15时,耐压电解电容器V之后,电容泄漏开始急剧上升。
前两个电解电容的实验过程遭遇,也可以看到这样的10000uF普通电解电容器的耐压限制。因此,为了避免电容器被高压击穿。使用电解电容器时,需要根据实际电压波动留出足够的余量。
电解电容串联
在适当的情况下,可以并联串联获得更大的电容和更大的电容耐压性。
在某些应用中,应用于电容器的电压为交流电压,如扬声器耦合电容器、交流相位补偿、电机移动电容器等,需要使用无极电解电容器。
在一些电容器制造商提供的使用手册中,传统的极性电容器通过背对背串联连接在一起,但极性相反,以获得无极性电容器的效果。
在施加正向电压、反向电压和两个电解电容背对背串联成无极电容时,漏电流随施加电压的增加而变化。
1. 正电压和漏电流
在电解电容器(100000uF,16V)在耐压范围内,从0V测量相应漏电电流与电压之间的关系,逐渐增加施加的电压。
下图显示了极性铝电解电容器泄漏电流与电压之间的关系。这是一个非线性的关系。漏电电流在0.5mA以下。
2. 反向电压与漏电电流
使用同样的电流测量施加方向电压与电解电容漏电电流之间的关系。下图可以看出,当施加的反向电压超过了4V之后,漏电电流便开始快速增加。通过后面的曲线斜率来看,反向的电解电容相当于一个阻值 为1欧姆的电阻。
3. 背对背串联的电容
将两个相同的电解电容(1000uF,16V)背对背串联在一起,形成一个无极性等效的电解电容。测量它们的电压与漏电流之间的关系曲线。
下图显示了电容电压与漏电流之间的关系。会看到在施加的电压超过4V之后,漏电流会增加,电流幅值小于1.5mA。
不过这个测量结果的确有点令人感到意外。你会看到这两个背对背串联电容的漏电流居然大于单个电容正向施加电压时漏电流。这的确令人感到奇怪。
不过由于时间原因,对于这个现象后面没有进行重复测试。也许其中一个电容使用的是刚才反向电压测试的电容,内部已经有了损坏。所以才产生了上面的测试曲线。