鋁電解電容為什么不能承受反向電壓?

作者：Nippon Chemi-Con    發(fā)布時間：2022-06-04 19:27:05  訪問量：6949  來源：ncc電容

　　鋁電解電容為什么不能承受反向電壓?下圖顯示了鋁電解電容的基本結(jié)構(gòu)，它由陽極(anode )、在絕緣介質(zhì)上附著的氧化鋁構(gòu)成的鋁層，接收極的陰極鋁層，和真正的由電解液構(gòu)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(dǎo)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(shù)秒內(nèi)失效。這個現(xiàn)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。

　　一、許多文章報道了鋁電解電容反向電壓的閾值現(xiàn)象的機(jī)理，叫做氫離子理論( Hydrogen ion theory )，當(dāng)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(fù)電壓，集合在氧化層的氫離子就將穿過介質(zhì)達(dá)到介質(zhì)和金屬層的邊界，轉(zhuǎn)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?yàn)闅潆x子效應(yīng)而立即失效。 相反，當(dāng)電解電容承受正向電壓時候，負(fù)離子集結(jié)在氧化層之間，因?yàn)樨?fù)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。

　　二、名詞解釋：

　　1. 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(zhì)( 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(shí)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。

　　三、Q&A

　　1、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(xiàn)形式是：先鼓包，再吹氣，然后爆漿。

　　2、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?yàn)檫@個有極性電容設(shè)計(jì)就是用在直流電源上，作濾波用，我原來也問過這種問題，想了好久，一直在問“電容不是隔直通交的嗎，怎么有極性電容就不能用在交流電源上呢?”，因?yàn)檫@個有極性電容內(nèi)部有特殊的物質(zhì)，這個物質(zhì)不能承受反壓，如果通到交流電上就會反向擊穿或爆炸。

　　3、有極性電容不能反接，為何允許交流負(fù)半周通過?

　　交流信號在一定條件下可以把電容當(dāng)作短路，此時交流信號的負(fù)半周怎么解決?難道要上拉成直流?

　　交流信號必須承載在直流電流上，正是要上拉成直流!

　　有極性電容工作時正極電位一定要高于負(fù)極.否則電容漏電----輕則電路無法工作,重則電容爆炸。

　　4、極性電容接反為什么會短路?

　　極性電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為正極、介質(zhì)層、負(fù)極，介質(zhì)層具有單向?qū)щ姷男再|(zhì)，當(dāng)然接反后產(chǎn)品介質(zhì)層就起不到絕緣的作用了，電容自然就短路了。

　　5、為什么把電解電容器正負(fù)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(zhì);反接時金屬鋁薄片(電容正極)是接電源負(fù)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(zhì)的氧化膜。

　　鋁電解電容器是由經(jīng)過腐蝕和形成氧化膜的陽極鋁箔、經(jīng)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。由于電解電容器存在極性，在使用時必須注意正負(fù)極的正確接法，否則不僅電容器發(fā)揮不了作用，而且漏電流很大，短時間內(nèi)電容器內(nèi)部就會發(fā)熱，破壞氧化膜，隨即損壞。

　　電解電容是電容的一種，介質(zhì)有電解液涂層，有極性，分正負(fù)不可接錯。電容(Electric capacity)，由兩個金屬極，中間夾有絕緣材料(介質(zhì))構(gòu)成。電解電容器特點(diǎn)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(shù)百倍。電解電容器特點(diǎn)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(diǎn)三：價格比其它種類具有壓倒性優(yōu)勢，因?yàn)殡娊怆娙莸慕M成材料都是普通的工業(yè)材料，比如鋁等等。制造電解電容的設(shè)備也都是普通的工業(yè)設(shè)備，可以大規(guī)模生產(chǎn)，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(zhì)，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(fù)電極由浸過電解質(zhì)液(液態(tài)電解質(zhì))的薄紙/薄膜或電解質(zhì)聚合物構(gòu)成;鉭電解電容器的負(fù)電極通常采用二氧化錳。由于均以電解質(zhì)作為負(fù)電極(注意和電介質(zhì)區(qū)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(shù)設(shè)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(yīng)與電源電壓的正極端相連接，陰極(負(fù)極)與電源電壓的負(fù)極端相連接，不能接反，否則會損壞電容器。

　　無極性電解電容器通常用于音箱分頻器電路、電視機(jī)S校正電路及單相電動機(jī)的起動電路。電解電容器廣泛應(yīng)用于家用電器和各種電子產(chǎn)品中，其容量范圍較大，一般為1~1000μF，額定工作電壓范圍為6.3~450V。其缺點(diǎn)是介質(zhì)損耗、容量誤差較大(最大允許偏差為+100%、-20%)，耐高溫性較差，存放時間長容易失效。

　　有極性電容和無極性電容在性能、原理結(jié)構(gòu)上的區(qū)別.

　　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(chǎn)生的一層氧化鋁膜做為電介質(zhì)的電容.由于這種結(jié)構(gòu),使其具有極性,當(dāng)電容正接的時候,氧化鋁膜會由于電化反應(yīng)而保持穩(wěn)定,當(dāng)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、原理上相同。(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。(3)區(qū)別在于介質(zhì)的不同、性能不同、容量不同、結(jié)構(gòu)不同致使用環(huán)境和用途也不同。反過來講，人們根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐需要，實(shí)驗(yàn)制造了各種功能的電容器來滿足各種電器的正常運(yùn)行和新設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和新材料的發(fā)掘，更優(yōu)質(zhì)、多樣化的電容器會不斷涌現(xiàn)。 2、介質(zhì)不同。介質(zhì)是什么東西?說穿了就是電容器兩極板之間的物質(zhì)。有極性電容大多采用電解質(zhì)做介質(zhì)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(zhì)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(zhì)材料也有密切關(guān)系。無極性電容介質(zhì)材料也很多，大多采用金屬氧化膜、滌綸等。由于介質(zhì)的可逆或不可逆性能決定了有極、無極性電容的使用環(huán)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(jī)里電源部分用金屬氧化膜電容器做濾波的話，而且要達(dá)到濾波要求的電容器容量和耐壓。機(jī)殼內(nèi)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(fù)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(dāng)然也有大容量高耐壓的，多用在電力的無功補(bǔ)償、電機(jī)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(jīng)講過同體積的電容器介質(zhì)不同容量不等，不一一贅述。

　　5、結(jié)構(gòu)不同。原則上講不考慮尖端放電的情況下，使用環(huán)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(dāng)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(qū)別是在容量上，受材料結(jié)構(gòu)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(jìn)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(shè)計(jì)的一個基本原則就是要求設(shè)計(jì)者充分了解和掌握現(xiàn)實(shí)中的元器件，所用的元器件盡量是標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)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?jiān)O(shè)計(jì)圖就等同于廢紙。

　　PS:你說的只是電源退耦電容，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(chǔ)，容抗與頻率的關(guān)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(jīng)驗(yàn)很有關(guān)系，不可能速成，只能通過實(shí)踐慢慢積累。

　　純交流電路中，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(fù)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(yuǎn)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。需要多大的電容器，需要根據(jù)欲濾除信號的頻率和需要濾除的分貝來確定。

　　總的來說，在兩個導(dǎo)體之間只要有電場存在就會在這兩個導(dǎo)體間產(chǎn)生電容，而這個電容的容量有多大，跟兩導(dǎo)體之間的電場強(qiáng)度、距離、電介質(zhì)和電源的頻率有關(guān)。在電子電路中，如果電壓和頻率、電容器的容量、電容器的“品質(zhì)因數(shù)”以及安裝條件已經(jīng)設(shè)定不變的情況下，選用何種材質(zhì)的電容器就成了決定性因素了。

　　電容器在電子電路中主要是作;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。

　　無極性電容和無極性電解電容器一樣嗎?不是一回事。

　　絕大多數(shù)種類的電容都是無極性的，唯獨(dú)電解電容有極性，電解電容當(dāng)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(zhì)損耗等指標(biāo)都不如其他電容。所謂無極性電解電容，實(shí)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(shù)要求不高的場合。

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