為什么鋁電解電容不能承受反向電壓?

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管理員 2021-03-29 19:47

我們大家都知道電容器在電子電路中一直扮演著相當重要的角色,在電子電路中負責信號的偶合、RC電路中伏安特性的微分如積分、振蕩電路中的“槽路”、旁路和電源濾波等。?鋁電解電容器是由經過腐蝕和形成氧化膜的陽極鋁箔、經過腐蝕的陰極鋁箔、中間隔著電解紙卷繞后,再浸漬工作電解液,然后密封在鋁殼中而制成的。

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1、為什么鋁電解質電容不能承受反向電壓?


由于電解電容器存在極性,在使用時必須注意正負極的正確接法,否則不僅電容器發揮不了作用,而且漏電流很大,短時間內電容器內部就會發熱,破壞氧化膜,隨即損壞。如圖為鋁電解電容的基本結構,它由陽極( anode )、在絕緣介質上附著的氧化鋁構成的鋁層,接收極的陰極鋁層,和真正的由電解液構成的陰極。電解液浸透在兩個鋁層間的紙上。氧化鋁層是通過電鍍在鋁層上,相對于加在其上的電壓來說是非常薄的,很容易被擊穿,導致電容失效。



氧化鋁層可以承受正向的直流電壓,如果其承受反向的直流電壓,其很容易在數秒內失效。這個現象被稱為‘Valve Effect ’,這就是為什么鋁電解電容擁有極性的原因,如果電解電容的兩個電極都有氧化層,則形成無極性電容。


許多文章報道了鋁電解電容反向電壓的閾值現象的機理,叫做氫離子理論( Hydrogen ion theory ),當電解電容承受反向直流電壓的時候,即電解液的陰極承受正向電壓而氧化層承受負電壓,集合在氧化層的氫離子就將穿過介質達到介質和金屬層的邊界,轉化成氫氣,氫氣的膨脹力使得氧化層脫落。


因此電流在擊穿電解液后直接流通電容,電容失效,這個直流電壓非常小,在 1~2V 的反向直流電壓作用下,鋁電解電容在幾秒鐘就會因為氫離子效應而立即失效。相反,當電解電容承受正向電壓時候,負離子集結在氧化層之間,因為負離子的直徑非常大,其并不能擊穿氧化層,所以能承受較高電壓。



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2、常見的與電解質電容器相關的名詞有哪些呢?


陽極( anode ):陽極鋁層,即電解電容的正極。2. 陰極( cathode ):電解液層。3. 電介質( Dielectric di ):附著在鋁層表面的氧化鋁層。4. 陰極箔( Cathode Foil ):連接電解液和外部的層,這層在制作中并不需要氧化,但是在實際中由于在蝕刻過程中鋁容易被氧化,所以其形成了一個自然被氧化的氧化層,這個氧化層可以承受 1~2v 的電壓。5. 絕緣紙 (spacer paper): 隔離陰極和陽極,讓他們不直接短接,并吸附一定量的電解液。



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3、無極性電容和有極性電容的異同在哪里?


無極性電容和無極性電解電容器一樣嗎? 絕大多數種類的電容都是無極性的,唯獨電解電容有極性,電解電容當中,又有很特殊的無極性電解電容。與普通電容相比,電解電容的容量大、價格低、體積小是其他電容無法比擬的,但是電解電容一般都有極性,而且工作可靠性、耐壓、耐溫、介質損耗等指標都不如其他電容。


所謂無極性電解電容,實際上就是將兩個同樣的電解電容背靠背封裝在一起。這種電容損耗大、可靠性低、耐壓低,只能用于少數要求不高的場合。




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4、有極性電容反接后會怎么樣?


如果電容容量很小,耐壓很高,工作電壓低的話,反接看不出來啥;如果容量稍大(100UF以上),耐壓離工作電壓近,電容不會超過10分鐘就壞,壞的表現形式是:先鼓包,再吹氣,然后爆漿。



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5、有極性電容器反接會爆炸,是不是說不能直接接在交流電源上?


不能接到交流電源上,因為這個有極性電容設計就是用在直流電源上,作濾波用,因為這個有極性電容內部有特殊的物質,這個物質不能承受反壓,如果通到交流電上就會反向擊穿或爆炸。

極性電容反接為什么會短路?


極性電容內部結構分為正極、介質層、負極,介質層具有單向導電的性質,當然接反后產品介質層就起不到絕緣的作用了,電容自然就短路了。



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6、為什么把電解電容器正負極接反時電阻率變小??


涉及到電解電容器的原理:正接時電容器的正極會形成極薄的氧化膜(氧化鋁)來作為電介質;反接時金屬鋁薄片(電容正極)是接電源負極的,會電解出H2來而不會形成氧化膜,另一電極由于材料不同也不會形成可以作為電介質的氧化膜。



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7、純交流電路中為什么只能使用無極性電容器?


在直流電壓疊加交流信號的電路中,且能保證疊加后的最低電壓不會成為負值,就可以使用有極性的電容器。在容量相同的情況下,有極性的電容器的體積和成本都遠小于無極性的電容器,所以需要較大的電容量情況下,電容器的體積是一個較大的矛盾,能用無極性的電容器的場合,都自然會用有極性的電容器替代,不僅解決了體積問題,成本也低很多,何其不樂。大電容可以濾除較低頻率以上的交流信號,小電容則只能濾除較高頻率以上的信號。


8 、什么是電解電容?


電解電容是電容的一種,介質有電解液涂層,有極性,分正負不可接錯。電容(Electric capacity),由兩個金屬極,中間夾有絕緣材料(介質)構成。


電解電容器特點一:單位體積的電容量非常大,比其它種類的電容大幾十到數百倍。電解電容器特點二:額定的容量可以做到非常大,可以輕易做到幾萬μf甚至幾f(但不能和雙電層電容比)。電解電容器特點三:價格比其它種類具有壓倒性優勢,因為電解電容的組成材料都是普通的工業材料,比如鋁等等。


制造電解電容的設備也都是普通的工業設備,可以大規模生產,成本相對比較低。電解電容器通常是由金屬箔(鋁/鉭)作為正電極,金屬箔的絕緣氧化層(氧化鋁/鉭五氧化物)作為電介質,電解電容器以其正電極的不同分為鋁電解電容器和鉭電解電容器。鋁電解電容器的負電極由浸過電解質液(液態電解質)的薄紙/薄膜或電解質聚合物構成;鉭電解電容器的負電極通常采用二氧化錳。由于均以電解質作為負電極(注意和電介質區分),電解電容器因而得名。


有極性電解電容器通常在電源電路或中頻、低頻電路中起電源濾波、退耦、信號耦合及時間常數設定、隔直流等作用。一般不能用于交流電源電路,在直流電源電路中作濾波電容使用時,其陽極(正極)應與電源電壓的正極端相連接,陰極(負極)與電源電壓的負極端相連接,不能接反,否則會損壞電容器。


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9、有極性電容和無極性電容在性能、原理結構上有什么不可忽視的異同?


有極性電容是指電解電容一類的電容,它是由陽極的鋁箔和陰極的電解液分別形成兩個電極,由陽極鋁箔上產生的一層氧化鋁膜做為電介質的電容.由于這種結構,使其具有極性,當電容正接的時候,氧化鋁膜會由于電化反應而保持穩定,當反接的時候,氧化鋁層會變薄,使電容容易被擊穿損壞.所以電解電容在電路中必須注意極性.普通的電容是無極性的,也可以把兩個電解電容陽極或陰極相對串連形成無極性電解電容。


1、原理相同。

(1)都是存儲電荷和釋放電荷;

(2)極板上的電壓(這里把電荷積累的電動勢叫電壓)不能突變。


2、介質不同。

介質是什么東西?說穿了就是電容器兩極板之間的物質。有極性電容大多采用電解質做介質材料,通常同體積的電容有極性電容容量大。另外,不同的電解質材料和工藝制造出的有極性電容同體積的容量也會不同。再有就是耐壓和使用介質材料也有密切關系。無極性電容介質材料也很多,大多采用金屬氧化膜、滌綸等。由于介質的可逆或不可逆性能決定了有極、無極性電容的使用環境。


3、性能不同。

性能就是使用的要求,需求最大化就是使用的要求。如果在電視機里電源部分用金屬氧化膜電容器做濾波的話,而且要達到濾波要求的電容器容量和耐壓。機殼內恐怕也就只能裝個電源了。所以作為濾波只能使用有極性電容,有極性電容是不可逆的。


就是說正極必須接高電位端,負極必須接低電位端。一般電解電容在1微法拉以上,做偶合、退偶合、電源濾波等。無極性電容大多在1微法拉以下,參與諧振、偶合、選頻、限流、等。當然也有大容量高耐壓的,多用在電力的無功補償、電機的移相、變頻電源移相等用途上。無極性電容種類很多,不一一贅述。


4、容量不同。

前面已經講過同體積的電容器介質不同容量不等,不一一贅述。


5、結構不同。

原則上講不考慮尖端放電的情況下,使用環境需要什么形狀的電容都可以。通常用的電解電容(有極性電容)是圓形,方型用的很少。無極性電容形狀千奇百變。像管型、變形長方形、片型、方型、圓型、組合方型及圓型等等,看在什么地方用了。當然還有無形的,這里無形指的就是分布電容。

對于分布電容在高頻和中頻器件中決不可忽視。功能上是一樣的。主要區別是在容量上,受材料結構的影響,一般無極性電容的容量都比較小,一般在10uF以下,而極性電容的容量普遍較大。比如在進行電源濾波的時候,你不得不使用大容量的極性電容。


電路設計的一個基本原則就是要求設計者充分了解和掌握現實中的元器件,所用的元器件盡量是標準件,通用件,最好是市場上最普通的型號(元器件的通用性越好,采購越容易,供貨商產量越大,采購成本越低)。對于圖紙中所用元器件,要是只有定做才能獲得的材料,其成本肯定不低。如果是定做都不能獲得,那這張設計圖就等同于廢紙。

此外,大電容適合濾除低頻信號,小電容濾除高頻信號(原理見電路基礎,容抗與頻率的關系部分)。不過退耦僅僅是電容的一個作用,電容還有其他作用,不同種類的電容特性,用法都有很大差異,原理圖上的電容只是一個符號而已,背后的技巧多著呢。這方面跟經驗很有關系,不可能速成,只能通過實踐慢慢積累。




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10、電容器該如何分類呢?


按電容器里面的電介質分空氣電容器:用空氣作電介質的電容器,如:收音機里面“調諧”用的可變電容器。


紙質電容器:用一種專用的電容紙做電介質的電容器。

電解電容器:用電解質作電介質的電容器。

云母電容器:用天然的云母作電介質的電容。

瓷片電容器:用單層陶瓷材料作電介質的電容器。

獨石電容器:也是用陶瓷材料作電介質的電容器,為了解決單層瓷片電容器容量小的缺點,實際就是用多個瓷片電容串聯起來的電容器。

滌綸功電容器:用尼龍材料作電介質的電容器。

鈮電容器:它用金屬鈮[ní]做正極,用稀硫酸等配液做負極,用鈮表面生成的氧化膜做介質制成的一種電容器 。

鉭電容器:是一種用金屬鉭(Ta)作為陽極材料而制成的一種電容器。

繞線式電容器:是一種用金屬絲繞在電介質上作電極的電容器,可用改變金屬絲的匝數的辦法來調整電極面積大小從而調整容量的大小。

油浸紙質電容器:用一種中性砊物油來做電介質的電容器,多用在電力系統......


按照電容的可調性分為:固定電容:電容值不變的電容器。


可變電容:可變電容可在一定的容量范圍內自由調節的電容器。如:收音機里可以手動調諧選臺用的那就是可變電容 .

可調電容:可調電容(也稱半可變電容)在一定的范圍內可調整的電容器,如:瓷介微雕電容和線繞電容。


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