電解電容

電解電容是通過電解質(zhì)作用在電極上形成的氧化層作為絕緣層的電容，通常具有較大的容量。電解質(zhì)是液體、膠凍狀富含離子的物質(zhì)。大多數(shù)電解電容都是有極性的，也就是在工作時(shí)，電容的正極的電壓需要始終比負(fù)極電壓高。

電解電容的高容量也是犧牲了很多其它的特性換來的，比如具有較大的漏電流、較大的等效串聯(lián)電感和電阻、容值誤差較大、壽命短等。

除了有極性的電解電容之外，也有無極性的電解電容。在下圖中，就是有兩種1000uF，16V的電解電容，其中較大的是無極性，較小的是有極性的。

無極性和有極性電解電容

電解電容內(nèi)部可能是液體電解質(zhì)或者固態(tài)聚合物，電極材料常用鋁（Aluminum）或者鉭（Tandalum）。下圖是常見到的有極性鋁電解電容內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。兩層電極之間有一層浸有電解液的纖維紙，再加一層絕緣紙轉(zhuǎn)成圓柱形，密封在鋁制殼內(nèi)。

電解電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)

解剖開電解電容，可以清楚的看到它的基本結(jié)構(gòu)。為了防止電解液的蒸發(fā)和泄露，電容引腳部分使用了密封橡膠進(jìn)行固定。

圖中也顯示了有極性和無極性的電解電容的內(nèi)部體積的差別，在同樣容量和耐壓等級下，無極性的電解電容比有極性大了一倍左右。

無極性和有極性電解電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)

這樣的差別主要來自于兩種電容內(nèi)部電極的面積出現(xiàn)了較大的差異。下圖左邊是無極性的電容電極，右邊是有極性的電極。除了面積差異之外，兩種電極厚度也有區(qū)別。有極性的電容電極厚度較薄。

電解電容鋁片不同的寬度

電容爆炸

當(dāng)電容施加的電壓超過其耐壓時(shí)，或者對于有極性電解電容電壓極性加反時(shí)，都會引起電容漏電流急劇上升，造成電容內(nèi)部熱量增加，電解液會產(chǎn)生大量的氣體。

為了防止電容爆炸，在電容外殼的頂部壓制有三條凹槽，這樣便于電容頂部在高壓下率先破裂，釋放內(nèi)部的壓力。

電解電容頂部的爆破槽

但是，有的電容在制作過程中，頂部的凹槽壓制不合格，電容內(nèi)部的壓力會使得電容底部的密封橡膠被彈出，此時(shí)電容內(nèi)部的壓力突然釋放，就會形成爆炸。

01

無極性電解電容爆炸

下圖顯示了手邊一顆無極性電解電容，它的容量為1000uF，耐壓16V。在施加電壓超過18V之后，漏電流突然增加，電容內(nèi)部的溫度和壓力增加。最終電容底部的橡膠密封圈炸開，內(nèi)部電極像爆米花一下被砸松散。

無極性電解電容過壓爆破

通過在電容上捆綁一個熱電偶，可以測量電容的溫度隨著施加的電壓增加變化的過程。下圖顯示了無極性電容在電壓增加過程中，當(dāng)施加的電壓超過耐壓值，內(nèi)部溫度繼續(xù)增高的過程。

電壓與溫度之間的關(guān)系

下圖顯示了在同樣的過程中，流過電容的電流變化?？梢钥吹诫娏鞯脑黾邮窃斐蓛?nèi)部溫度上升的主要原因。在這個過程中，電壓是成線性增加，隨著電流急劇升高，供電電源內(nèi)組使得電壓下降。最終當(dāng)電流超過6A之后，隨著一聲巨響，電容炸開。

電壓與電流之間的關(guān)系

由于無極性的電解電容內(nèi)部體積大，電解液多，所以在過流之后所產(chǎn)生的壓力巨大。導(dǎo)致外殼頂部的泄壓槽沒有破裂，而電容底部的密封橡膠被炸開了。

02

有極性電解電容爆炸

對于有極性的電解電容，施加電壓。當(dāng)電壓超過電容的耐壓時(shí)，漏電電流也會急劇上升，造成電容過熱爆炸。

下圖顯示有極限的電解電容，1000uF，16V。在過壓之后通過頂部泄壓槽釋放內(nèi)部氣壓過程。因此就避免了電容爆炸過程。

極性電解電容過壓爆破

下圖顯示了電容的溫度隨著施加電壓的增加變化的情況。當(dāng)電壓逐步接近電容的耐壓后，電容的留點(diǎn)電流增加，內(nèi)部的溫度繼續(xù)上升。

電壓與溫度之間的關(guān)系

下圖是電容的漏電電流變化情況。標(biāo)稱為16V耐壓的電解電容，在測試過程中，當(dāng)電壓超過15V之后，電容的漏電便開始急劇上升了。

電壓與電流之間的關(guān)系

通過前面兩個電解電容的實(shí)驗(yàn)過程遭遇，也可以看到對于此類1000uF普通電解電容耐壓限制情況。為了避免電容被高壓擊穿，因此在使用電解電容的時(shí)候，需要根據(jù)實(shí)際電壓波動情況，留下足夠的余量。

電解電容串聯(lián)

在適當(dāng)?shù)那闆r下，可以通過并聯(lián)和串聯(lián)來分別獲得更大的電容容量和更大的電容耐壓。

過壓爆破之后的電解電容爆米花

在有些應(yīng)用場合，施加在電容上的電壓是交流電壓，比如揚(yáng)聲器的耦合電容，交流電相位補(bǔ)償，電機(jī)移相電容等，需要使用無極性的電解電容。

在 一些電容制造商給出的使用手冊上，也給出了使用傳統(tǒng)的有極性電容通過背對背的串聯(lián)，即將兩個電容的串聯(lián)在一起，但極性相反，來獲得無極性電容的效果。

過壓爆破之后的電解電容

下面對比一下有極性電容在施加正向電壓、反向電壓、兩個電解電容背對背串聯(lián)成無極性電容三種情況下，漏電流隨著施加電壓增加變化情況。

01

正向電壓與漏電流

通過串聯(lián)一個電阻來測量流過電容的電流，在電解電容（1000uF，16V）的耐壓范圍內(nèi)，從0V開始逐步增加施加的電壓，測量對應(yīng)的漏電電流與電壓之間的關(guān)系。

正極性串聯(lián)電容

下圖顯示了有極性鋁電解電容的漏電流與電壓之間的關(guān)系。這是一個非線性的關(guān)系。漏電電流在0.5mA以下。

正向串聯(lián)之后電壓電壓與電流之間的關(guān)系

02

反向電壓與漏電電流

使用同樣的電流測量施加方向電壓與電解電容漏電電流之間的關(guān)系。下圖可以看出，當(dāng)施加的反向電壓超過了4V之后，漏電電流便開始快速增加。通過后面的曲線斜率來看，反向的電解電容相當(dāng)于一個阻值為1歐姆的電阻。

反向電壓電壓與電流之間的關(guān)系

03

背對背串聯(lián)的電容

將兩個相同的電解電容（1000uF，16V）背對背串聯(lián)在一起，形成一個無極性等效的電解電容。測量它們的電壓與漏電流之間的關(guān)系曲線。

正反極性串聯(lián)電容

下圖顯示了電容電壓與漏電流之間的關(guān)系。會看到在施加的電壓超過4V之后，漏電流會增加，電流幅值小于1.5mA。

不過這個測量結(jié)果的確有點(diǎn)令人感到意外。你會看到這兩個背對背串聯(lián)電容的漏電流居然大于單個電容正向施加電壓時(shí)漏電流。這的確令人感到奇怪。

正反向串聯(lián)之后電壓電壓與電流之間的關(guān)系

不過由于時(shí)間原因，對于這個現(xiàn)象后面沒有進(jìn)行重復(fù)測試。也許其中一個電容使用的是剛才反向電壓測試的電容，內(nèi)部已經(jīng)有了損壞。所以才產(chǎn)生了上面的測試曲線。

-END-

來源：TsinghuaJoking公眾號

作者：卓晴

 

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