铝电解电容器工程技术

一、 电容器的定义

1、电容器——由两个导电极板，中间放置着具有介电特征的物质所组成的分立元件。

2、电解电容器——两个极板有阳（正）极和阴（负）极之分，其中作为阳极的是采用特定的阀金属，并在该金属表面上籍助于电化学方法生成一极薄且具有单向导电性的氧化膜作为介质，而阴极通常是采用能生成和修复介质氧化膜的液状或固状的电解质，这样一种特殊结构和特殊工艺制造的电容器。

二、 电气参数

铝电解电容器常用标称：电容量（C R ）、损耗角正切（tg δ）、漏电流（I LC ）、额定工作电压（U R ）、阻抗（Z ）

1、电容量：是指在电容器上标明的电容量值，是设计容量的名义值。

2、损耗角正切：用于脉动电路中的铝电解电容器，实际上要消耗一小部分有功的电功率，这可用损耗角正切来表征，它是电容器电能量损耗的有功功率与无功功率之比。对于电解电容较常采用串联等效电路，如图1-1所示，则其损耗角正切tg δ为： tg δ= = =ωC r

r I

图1-1 等效串联电路和电流电压矢量图

3、漏电流

漏电流：当对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，然后逐渐随时间而下降，但并不等于零，而是达到某一终值后，趋于稳定状态，这一终值称为漏电流。

漏电流I LC 是电解电容器五大电参数之一，用来表征电解电容器的绝缘质

1 ωC r

U C U R

Ir C r

r

U C U C

I

量。与施加电压的大小、环境温度的高低和测试时间的长短都有密切关系，故在规定漏电流值时必须标明其测试时间“t”、施加电压“U”和环境温度“T”的大小。I LC 与测试时间（即施加电压时间）、施加电压大小和环境温度之间的关系如图1-2所示。

t t 图1-2 电解电容器的漏电流与测试时间、施加电压和环境温度的关系

对于铝电解电容器，漏电流通常用下式表示：

I LC=KCU+M µA

式中：C——电容器的标称电容量（µF）；

U——额定工作电压（V）；

K，M——常数。

其中K值，称之为漏电流常数。对于不同类型的电解电容器具有不同值，如CD11型产品，K=0.03；CD110型产品，K=0.01；低漏电流产品，K=0.001～0.002。

对于M值，除了主要考虑氧化膜本身漏电流外，还应考虑到电容器表面漏导电流的影响。M值主要取决于产品结构和CU值的大小。CU值较小者，其表面漏导电流影响较大，M值也相应附加较大值；CU值较大者，表面漏导电流影响就较小，M值可以忽略不计。所以M值可以在0～20范围内取值。4、额定工作电压（U R）

指在下限类别温度和额定温度之间的任一温度下，可以连续施加在电容器的

最大直流电压或最大交流电压有效值或脉冲电压的峰值。 5、阻抗（Z ） 【将由下一节解释】

三、 主要电气参数分析

1．阻抗、电容量、损耗角正切和等效串联电阻的关系

对电解电容器来说，通常用是容量C 、损耗角正切tg δ和、阻抗Z 或等效串联电阻ESR 来描述在脉动电路中的电气特性。一般电解电容器的电感量L 不太大，不会超过100nH （纳亨），电解电容器的等效电路图1-3所示。

图1-3 电解电容器的等效电路

该电路中AB 两端的复阻抗为：

Z = r +j ωL + = r -j 〔 -ωL 〕

阻抗模量为：

│Z │=√

r 2

+〔 -ωL 〕2 =√r 2+（X C - X L ）2

= √（ωr C ）2 +（1-ω2LC ）2 = √tg 2δ+（1-ω2LC ）2

当L 很小时，ω2LC <<1，则：

│Z │= √1+ tg 2

δ 因此，电容器的阻抗将随着损耗角正切的增加而增大。这意味着在同一电压下,阻抗大者容许通过的交流电流要小一些,换言之,即由于电容器有损耗,所以在电路中它的电容量相应地有所减小,不是测试出来的C 值,而是

j ωC 1

ωC 1 ωC

1

ωC 1 ωC

1

ωC

1 B

C

的有效电容量:

C 效=C/√tg 2δ+(1-ω2LC)2 当ω2LC ≤1 C 效=C/√1+ tg 2δ 而C 效

不能直接由测量仪测出,只能从│Z │或从施加的电压和通过的电流

值计算:

∵│Z │= =│U/I │.

显然,电容的阻抗值,概括了各种影响因素既能所映电容本身在电路中真正作用,又能根据它的温度频率特性的好坏,从中分析电容器的工艺及结构是否合理,例如,低温时阻抗增大很多,从而工艺上分析原因,频率升高时,阻抗值下降迟缓,也如要从工艺上找原因.

由电解电容器串联等效电路得知： tg δ=ωCr

式中损耗电阻r 是由三部分组成的： a 、氧化膜介质损耗的等效串联电阻

r 介；b 、代表工作电解液的等效串联电阻r 液；c 、代表金属电极、引出线（片）

以及接触电阻等组成的r 金 。即： r =r 介+r 液+r 金

r 被称为等效串联电阻，英文缩写为ESR （equivalent series resistance ）。

故：

ESR =

2温度频率特性

电解电容器的主要电气能数C 、tg δ和Z 与使用环境温度、频率有着极为密切的依赖关系。所谓温度特性指电容器的C 、tg δ和Z 随环境温度变化

ωC

tg δ

ωC 1

的规律性，而频率特性则描述电容器的C、tgδ和Z随频率变化的规律性。

电容器的温度频率性不仅反映介质微观变化的内在规律，而且还与电解液的性质、电解纸的种类以及电容器的结构等因素有关。当然从使用角度来看，要求它随温度频率的变化越小越好。

2．1频率特性

2.1.1 C、tgδ～f关系

在低频段，构成电容器的介质，其偶极子极化能跟得上外加电场频率的变化，这样介质极化率就大，其极化对容量的贡献也就大，且损耗也小；在高频段，则与上述相反，随着频率的提高，介质偶极子极化跟不上外加电场的变化，C就会下降，tgδ增加，这种变化关系如图1-4所示。

C Z

f f

图1-4 电容量与频率曲线图1-5 阻抗与频率曲线

2.1.2 Z～f关系

由于电解电容器固有电感的影响,使阻抗Z的频率特性曲线存在“U”形的特性,如图1-5所示。从公式中可以看出（复阻抗），在低频段容抗在阻抗中占主要地位，随着频率的增加，阻抗减小，当阻抗达到某一最低值时，此频率为谐振频率。在高频段，感抗影响占主要地位，电感是由电流流过金属电极、引线和金属外壳时所形成的。下面列举不同规格的铝电解电容器16V470uF和250 V10uF、47uF、100uF，其阻抗频率特性1-6所示。