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1、周小平编第 1 页 共 7 页第一讲 电容器的基本知识一什么是电容器：1所谓电容器就是由中间夹有电介质的两相对导体构成的元件。 电介质：绝缘体（不能导电的物质） ，如胶木、塑料、木材、化成铝箔上的 Al2O3氧化膜、环氧树脂、变压器油等等； 导体（能导电的物质）：如金属（铜、铝） 、酸、碱、盐、电解液等；2. 电容器的基本构造及容量关系式； 平行板电容器模型：CO QO电极间为真空 电极间为胶木由上图可知，加了胶木作介质后，金属极板上的电荷增加了。这是由于在电场作用下，嵌入的介质产生了极化现象，即介质中的分子、原子、离子的正负电荷在电场作用下发生了位移。由 C= 可知，此时 Q 值增大，U 不
2、变，C 也为之增大。另外，如将极板面积增大或减少（或错位） ，C 也随之增大与减少。将极板间的距离拉大或压小，C 也随之变小和变大。电容量的关系式：C , = =，表示介质极化的程度，叫介电系数。 C 的物理意义：选用高介质，有效面积尽可能大的极板，高抗电强度（厚度小）的介质是设计高比特性的电容器的有效途径。同时也回答了铝电解为什么要采用腐蚀箔，为什么要化成 Al2O3氧化膜，为什么卷绕时正负箔片不能错位，负箔要包住正箔等问题。 U U C QQU . sQQ0CC0 . s周小平编第 2 页 共 7 页同样其它电容器也都是围绕着这些参数的优化来设计的。3电容器的标称电容量与允许偏差：铝电解电
3、容器标称容量与允许偏差采用 E6 系列20允许误差。即以 1.0，1.5，2.2，3.3，4.7，6.8 这 6 个有效数值或其乘以 10n (n 为整数)倍数得到的有效数字作为标称容量。其特点是某一数值的正误差极限差不多与下一个数值的负误差极限衔接起来。如： 150uF*120%=180uF220uF*80%=176uF如果壳号相同，则可改套，减少低容品；当然现在客户很多都甩开了系列，就更要求生产产商严格控制容量。二电容量的量纲与换算：11F（法拉）=103mF(毫法)= 106uF(微法)= 109nF(纳法)= 1012pF(皮法)；2铝电解电容器的电容量采用 uF 为量纲，但成品编码大
4、多以电容器 PF 为基点来命名。如：电解电容器 220uF，编码为 227，即 22*107PF=220uF；1000uF，编码为 108，即 10*108PF=1000uF。三电解电容器的性能特点：1电容器的充放电性质：在电容器两端子间通以直流电压时，瞬间有电流通过。待电容器两端达到电源电压后，电容器中基本上没有电流通过，这时断开电源，可发现电容器接电源正端的电极带正电，接电源负极一端带负电。也就是说电容器存储了电荷，这就是电容器的充电过程。这时如果将一电阻接在电容器两端，可以发现电阻上有电流通过，最终电容器两端电压将降为零。也就是说电容器向电阻负载放了电，电容存储的电荷在电阻上转化为热能而
5、消失掉了。这便是电容器所具有的重要特性充、放电特性。电容器充放电瞬间大电流特性在工业上应用的例子如：储能式点焊机、闪光灯、放电加工、炸药点火装置等等。2隔直通交特性：周小平编第 3 页 共 7 页电容器接上直流电压充电完成后，将不再通过电流。但接上交流电压后，因充电、放电交替产生，所以交流电就可以一直流通。电容器的这种阻止直流电流通过，而容许交流电流流通的特性，也就是隔直通交特性，正是电容广泛应用的原因。例如并联在负载两端作旁路电容；在整流电路中作滤波电容；在二个电路单元之间作耦合电容等等。3阀金属与整流性：铝电解电容器制造用实验装置如图一所示，当开关接通后，铝板就成为阳极，有直流电流通过。其
6、电流强度如图二所示，随时间增加而减少，约 30 分钟后，变成只有极小电流，称之为漏电流。电流流通期间，水会分解成氢离子与氧离子，理论上阳极侧有氧气，阴极处有氢气逸出。实际上只可看到阴极侧有氢气水泡，氧气因大部分与铝化合几乎看不见。经过上述过程，将铝拉出可看到铝板表面生成了一层极薄鱼鳞色透明薄膜，这就是Al2O3介质氧化膜。这一过程称之为阳极氧化或化成工程。其实上述装置在化成结束后就是一个最简单的湿式铝电解电容器。其中阳极为铝板、介质为氧化膜，阴极为电解液，锡板作为阴极引导端。如果在上述装置中，将电压大小方向改变，再观察其电流情况，则如图三所示。当电源正接（阳极为正）时，只要电压小于氧化膜化成电
7、压，电流极小；但当外电压高于化成电压时，电流急剧增大。另外，当电源反接时，12V 内，流通电流很小；但电压再增大，电流便急剧增大，这种特性便是阀金属氧化膜的单向导电性。由此可知：必须将铝电极做阳极，电解液作阴极才能使用；：氧化膜在低于化成电压下为介质，超过化成电压，则失去绝缘性。由此我们可以看出电解电容器的结构特点：（见图-5）其介质为在金属本体上生成的极薄氧化膜，与金属本体为不可分割的一个整体；生成金属氧化膜介质的金属是电容器的一个电极，称为阳极。另一电极不是金属，而是所谓的“电解质” ，可以为液体、固体，这一极称为阴极；周小平编第 4 页 共 7 页为了使阴极（电解质）与外电路相连接，又以
8、另一金属与电解质相接触，仅起引导阴极的作用，在铝电解中通常被称为阴极箔；4电解电容器的性能特点：单位体积所具有的电容量特别大，即比容量非常高；电容器工作过程中，具有自愈性（修补氧化膜） ；工作场强非常高；可以获得很大的额定电容量，且体积小，目前在电源滤波，交流旁路上尚无竞争对手；具有单向导电性；绝缘性能差，即 LC 大；损耗角正切值 tg 即 DF 大，且温度频率特性差；易老化，储存性差；易漏液，内部气压大。5铝电解电容器的电参数：铝电解电容器的串联等效电路：实际上电容器都是非理想的，除了电容外，它在不同条件下还具备多种电特性。如 下面的等效电路：（见图4）Ls：导针、引出箔、卷绕箔形成的等效
9、电感；D： 金属与阳极氧化膜之间形成等效二极体；Ca：阳极氧化膜形成的理想电容；Rp: 由阳极氧化膜之杂质及结晶缺陷形成电气通路；Rs：由电解液、箔、导针及箔与导线之间接触，介质氧化膜损失等形成的等效串联电周小平编第 5 页 共 7 页阻。英文缩写为：ESR。 Rs= R解+R金+R介Cc/Rc：形式上的阴极箔表面天然氧化膜形成的电容。电容量： C= ，电容量是其电极间的电荷量与电压的比例系数。对于电容器成品来说是一个常数。从等效电路中可以看出，铝电解电容器的电容量由 Ca 与 Cc 串联构成，因此可得出： = + = ； C总= 。 由 C 可知：电容量的大小取决于氧化膜介电系数，电极箔相对
10、的有效面积，氧化膜的完整性和厚度，电解纸的厚度。这些构成因素的变化，直接导致电容量的变化。如卷绕错位、制小样含浸后素子充电不到位（造成虚容） 、铝箔划伤、含浸不充分等等。同时，电容量还是温度、频率的函数。损失因素 DF 及等效串联电阻 Rs（ESR）：为了评价电容器损耗功率水平与储存功率的能力，通常用电容器损失角的正切值 tg表示电容器的损耗。对照电解电容器串联等效电路（见图） ，在直流或低频范围内，Ls 可忽略，而一般情况下 RpRs .因此将串联等效电路简化如下：UR Uc I 从上图可知：电容器有功功率与无功率的比值为： = = = tg进一步推出：tg= =C RsQUCaCcCa+C
11、cP无1Ca1CcCaCcCa+Cc . s1C总P有IURIUR IUC IUCI Usin I Ucos I 2 Rs I 2 1CUICRsURUCU周小平编第 6 页 共 7 页由上式可知：DF 与电容器的容量，工作频率，ESR 值成正比。而 Rs= R解+R金+R介 ，即 Rs 由电解液电阻、电极箔电阻、导线电阻、导线与极箔接触电阻、介质损耗电阻等构成。一般情况下，R解R金+R介 ，R解 为构成 DF 和 ESR 的主要因素，但如果设计或工艺中出了问题，主要因素也会转化。如：钉接严重不良，引出箔未铆牢，导针未点焊好，素子卷得松，箔氧化膜劣化，老练过电压，老练电压接反，胶盖污染等等，都
12、可能引起主要因素的转化。同样，DF、ESR 都是频率，温度的函数。漏电流：因介质氧化膜或多或少地存在一些孔洞、裂缝、结晶缺陷、杂质等，电解电容器的漏电流就是通过这些缺陷的电流。其数值的大小可以直接评定电解电容器的绝缘性能。根据绝缘电阻的定义，得：Lc= = = KCU + MK= 为时间常数的倒数，M：考虑小容量电容的表面漏电。由氧化膜 Pv 值和 值范围，可导出 K 约为 0.010.1（uA/uF.V） 。以上说明电解电容器的 K 值与阳极氧化膜绝缘质量密切相关。而阳极金属及其氧化膜耐化学性相对较差，尤对氯离子特别敏感，容易造成损坏。在电容器生产过程中，结构性材料容易带入杂质，造成氧化膜的
13、缺陷。当电容器施加直流电压时，将观察到充电电流的变化，开始很大，然后随时间而下降，且时间越长，电流越小，最后趋于稳定，但不会到零。这个稳定的电流便是电容器的漏电流。在实际测试中，不可能等太长时间，也没有必要，因此工厂大多规定充电时间加测试时间为1 分钟，这时的读数作为电容器的漏电流。影响漏电流的因素：原材料的纯度；氧化膜的质量（化成、老练、制程中损伤） ；URCUCR1RC周小平编第 7 页 共 7 页工作电解液的成份，粘度，PH 值；施加的电压大小和时间；工作温度和电容器本身的温升（高温下氧化膜水合，氯离子侵蚀加剧） 。第二讲 铝电解电容器工艺要求及质量控制一、主要原材料及其要求：1阳极铝箔
14、：要求纯度99.99，以提高其抗蚀能力，延长电容器工作寿命，储存寿命。尤其是高温工作范围电容器，纯度的提高对降低高温时的漏电流有显著效果。铝箔中铁杂质会阻碍氧化膜生成，架起传导漏电流的导电桥，铜杂质和铝同时处于电解液中，会组成局部原电池，发生化学反应，引起铝及氧化膜遭到腐蚀破坏。2阴极箔：工作在高温区域的电容器，共纯度要求同阳极箔一样。普通产品可以降低到 99.97。3工作电解液（包括去离子水）：化学品中含重金属离子（如铁、铜、铅等）要求小于 5PPM，否则将使闪火电压降低，并使重金属及化合物沉淀在阳极上，破坏氧化膜形成过程，缩短电容器的寿命。不能含有硫酸根离子和氯离子，这是二种对铝电解危害最
15、大的杂质。氯离子不仅破坏氧化膜而且还使铝箔继续被腐蚀，以至出现穿孔。硫酸根离子会使铝箔表面形成腐蚀性多孔膜。这些杂质不仅能从化学品，纯水中带入，还可能从其它材料、空气、皮肤、汗水、头发中引入。一般要求 CL-1PPM， SO42- 3PPM。4纯水：要求 C L-1PPM ， SO42- 2.5PPM ，室温电阻率2MCM。5电解纸：杂质要求同化学品，还要求不含有重金属的水溶性盐。要求吸水率大并且有多孔性，因为电容器的 ESR 值主要决定吸收电解液后的电解纸的电阻值。同时还要求耐压高，尽可能薄。一般采用双密度纸。周小平编第 8 页 共 7 页6胶盖：除了对杂质离子有严格要求外，还要求在长期高温工作中不老化、变质、保持弹性、保持绝缘强度、耐电解液溶胀等等， 经纯水清洗。7引线铝丝纯度同阳箔，CP 线可焊性好，点焊牢固，无虚焊，烧焦，抗拉，抗弯，经纯水清洗。
