為什么鋁電解質(zhì)電容不能承受反向電壓?
發(fā)布時(shí)間:2019-11-22 責(zé)任編輯:xueqi
【導(dǎo)讀】鋁電解電容器是由經(jīng)過(guò)腐蝕和形成氧化膜的陽(yáng)極鋁箔、經(jīng)過(guò)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。
我們大家都知道電容器在電子電路中一直扮演著相當(dāng)重要的角色,在電子電路中負(fù)責(zé)信號(hào)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(jīng)過(guò)腐蝕和形成氧化膜的陽(yáng)極鋁箔、經(jīng)過(guò)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。
為什么鋁電解質(zhì)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(shí)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(shí)間內(nèi)電容器內(nèi)部就會(huì)發(fā)熱,破壞氧化膜,隨即損壞。 如圖為鋁電解電容的基本結(jié)構(gòu),它由陽(yáng)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(gè)鋁層間的紙上。 氧化鋁層是通過(guò)電鍍?cè)阡X層上,相對(duì)于加在其上的電壓來(lái)說(shuō)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(gè)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(gè)電極都有氧化層,則形成無(wú)極性電容。
許多文章報(bào)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(shí)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(guò)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(gè)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(huì)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(shí)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。
常見(jiàn)的與電解質(zhì)電容器相關(guān)的名詞有哪些呢?
陽(yáng)極( anode ):陽(yáng)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(guò)程中鋁容易被氧化,所以其形成了一個(gè)自然被氧化的氧化層,這個(gè)氧化層可以承受 1~2v 的電壓。
5. 絕緣紙 (spacer paper): 隔離陰極和陽(yáng)極,讓他們不直接短接,并吸附一定量的電解液。
無(wú)極性電容和有極性電容的異同在哪里?
無(wú)極性電容和無(wú)極性電解電容器一樣嗎? 絕大多數(shù)種類的電容都是無(wú)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(wú)極性電解電容。與普通電容相比,電解電容的容量大、價(jià)格低、體積小是其他電容無(wú)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(wú)極性電解電容,實(shí)際上就是將兩個(gè)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(chǎng)合。
有極性電容反接后會(huì)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(lái)啥;如果容量稍大(100UF以上),耐壓離工作電壓近,電容不會(huì)超過(guò)10分鐘就壞,壞的表現(xiàn)形式是:先鼓包,再吹氣,然后爆漿。
有極性電容器反接會(huì)爆炸,是不是說(shuō)不能直接接在交流電源上?
不能接到交流電源上,因?yàn)檫@個(gè)有極性電容設(shè)計(jì)就是用在直流電源上,作濾波用,因?yàn)檫@個(gè)有極性電容內(nèi)部有特殊的物質(zhì),這個(gè)物質(zhì)不能承受反壓,如果通到交流電上就會(huì)反向擊穿或爆炸。
極性電容反接為什么會(huì)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。
為什么把電解電容器正負(fù)極接反時(shí)電阻率變小?
涉及到電解電容器的原理:正接時(shí)電容器的正極會(huì)形成極薄的氧化膜(氧化鋁)來(lái)作為電介質(zhì);反接時(shí)金屬鋁薄片(電容正極)是接電源負(fù)極的,會(huì)電解出H2來(lái)而不會(huì)形成氧化膜,另一電極由于材料不同也不會(huì)形成可以作為電介質(zhì)的氧化膜。
純交流電路中為什么只能使用無(wú)極性電容器?
在直流電壓疊加交流信號(hào)的電路中,且能保證疊加后的最低電壓不會(huì)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(wú)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(gè)較大的矛盾,能用無(wú)極性的電容器的場(chǎng)合,都自然會(huì)用有極性的電容器替代,不僅解決了體積問(wèn)題,成本也低很多,何其不樂(lè)。大電容可以濾除較低頻率以上的交流信號(hào),小電容則只能濾除較高頻率以上的信號(hào)。
什么是電解電容?
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(cuò)。電容(Electric capacity),由兩個(gè)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:?jiǎn)挝惑w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(wàn)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(jià)格比其它種類具有壓倒性優(yōu)勢(shì),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(duì)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(guò)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(hào)耦合及時(shí)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(shí),其陽(yáng)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(huì)損壞電容器。
有極性電容和無(wú)極性電容在性能、原理結(jié)構(gòu)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(yáng)極的鋁箔和陰極的電解液分別形成兩個(gè)電極,由陽(yáng)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(shí)候,氧化鋁膜會(huì)由于電化反應(yīng)而保持穩(wěn)定,當(dāng)反接的時(shí)候,氧化鋁層會(huì)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(wú)極性的,也可以把兩個(gè)電解電容陽(yáng)極或陰極相對(duì)串連形成無(wú)極性電解電容。
1、原理相同。(1)都是存儲(chǔ)電荷和釋放電荷;(2)極板上的電壓(這里把電荷積累的電動(dòng)勢(shì)叫電壓)不能突變。
2、介質(zhì)不同。介質(zhì)是什么東西?說(shuō)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(huì)不同。再有就是耐壓和使用介質(zhì)材料也有密切關(guān)系。無(wú)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(wú)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(gè)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(shuō)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(wú)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(wú)功補(bǔ)償、電機(jī)的移相、變頻電源移相等用途上。無(wú)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(guò)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(wú)極性電容形狀千奇百變。像管型、變形長(zhǎng)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(wú)形的,這里無(wú)形指的就是分布電容。
對(duì)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(wú)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(shí)候,你不得不使用大容量的極性電容。
電路設(shè)計(jì)的一個(gè)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(chǎng)上最普通的型號(hào)(元器件的通用性越好,采購(gòu)越容易,供貨商產(chǎn)量越大,采購(gòu)成本越低)。對(duì)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。
此外,大電容適合濾除低頻信號(hào),小電容濾除高頻信號(hào)(原理見(jiàn)電路基礎(chǔ),容抗與頻率的關(guān)系部分)。 不過(guò)退耦僅僅是電容的一個(gè)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(gè)符號(hào)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(guò)實(shí)踐慢慢積累。
電容器該如何分類呢?
按電容器里面的電介質(zhì)分空氣電容器:用空氣作電介質(zhì)的電容器,如;收音機(jī)里面“調(diào)諧”用的可變電容器。
紙質(zhì)電容器:用一種專用的電容紙做電介質(zhì)的電容器。電解電容器:用電解質(zhì)作電介質(zhì)的電容器。云母電容器:用天然的云母作電介質(zhì)的電容。瓷片電容器:用單層陶瓷材料作電介質(zhì)的電容器。獨(dú)石電容器:也是用陶瓷材料作電介質(zhì)的電容器,為了解決單層瓷片電容器容量小的缺點(diǎn),實(shí)際就是用多個(gè)瓷片電容串聯(lián)起來(lái)的電容器。滌綸功電容器:用尼龍材料作電介質(zhì)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(fù)極,用鈮表面生成的氧化膜做介質(zhì)制成的一種電容器 。鉭電容器:是一種用金屬鉭(Ta)作為陽(yáng)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(zhì)上作電極的電容器,可用改變金屬絲的匝數(shù)的辦法來(lái)調(diào)整電極面積大小從而調(diào)整容量的大小。油浸紙質(zhì)電容器:用一種中性砊物油來(lái)做電介質(zhì)的電容器,多用在電力系統(tǒng)......
按照電容的可調(diào)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(nèi)自由調(diào)節(jié)的電容器。如:收音機(jī)里可以手動(dòng)調(diào)諧選臺(tái)用的那就是可變電容 .
可調(diào)電容:可調(diào)電容(也稱半可變電容)在一定的范圍內(nèi)可調(diào)整的電容器,如:瓷介微雕電容和線繞電容。
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