電解電容器的內部有儲存電荷的電解質材料,分正、負極性,類似于電池,不可接反。正極為粘有氧化膜的金屬基板,負極通過金屬極板與電解質(固體和非固體)相連接。
無極性(雙極性)電解電容器采用雙氧化膜結構,類似于兩只有極性電解電容器將兩個負極相連接后構成,其兩個電極分別為兩個金屬極板(均粘有氧化膜)相連,兩組氧化膜中間為電解質。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(ǒu)、信號耦合及時間常數設定、隔直流等作用。無極性電解電容器通常用于音響分頻器電路、電視機S校正電路及單相電動機的起動電路。
電解電容器的用途
1.隔直流:作用是阻止直流通過而讓交流通過。
2.旁路(去耦):為交流電路中某些并聯的元件提供低阻抗通路。
3.耦合:作為兩個電路之間的連接,允許交流信號通過并傳輸到下一級電路
4.濾波:這個對DIY而言很重要,顯卡上的電容基本都是這個作用。
5.溫度補償:針對其它元件對溫度的適應性不夠帶來的影響,而進行補償,改善電路的穩定性。
6.計時:電容器與電阻器配合使用,確定電路的時間常數,時間常數t=RC。
7.調諧:對與頻率相關的電路進行系統調諧,比如手機、收音機、電視機。
8.整流:在預定的時間開或者關半閉導體開關元件。
9.儲能:儲存電能,用于必須要的時候釋放。例如相機閃光燈,加熱設備等等。
對應不同的應用,所需要的電容器特點也不盡相同,如表1。例如白色家電的空調室內機和室外機越做越小,功效越來越高,所以電子零部件的小型化很重要;同時隨著設備要求高效率,電容器的充/放電也很重要,而且由于白天和晚上對電的需求量不同,所以對電壓的波動也有要求,需要高耐壓。
針對汽車、動車和高鐵,電容器需要能夠耐高溫,因為有的電容器要放在汽車的引擎箱里,溫度超過100℃,同時因為它們是移動的物體,所以要求產品耐震。第三,還有低溫的要求,因為有時戶外的溫度達到-20℃。
電源方面,新能源,包括光伏、光力發電等等越來越多被人們認識和接受,這些設備和產品安裝的地方往往是人跡罕至的高原、海上和沙漠,因為那里有強烈的風和陽光。這些設備的特點是后續的維修非常耗費人力、物力。所以一般要求產品長壽命、免維護。另外,與核能不同,光伏與風能有自然的特性,即不穩定,會給電網造成負載,負載高的時候電壓會低,反之會高,所以要求電容器產品必須有耐大幅電壓波動的要求。
在信息通訊設備方面,特別需要低ESR(等效串聯電阻),因為半導體器件的效率越來越高,但電壓并沒有提高,所以電流會比以前大,因此電容器產品要耐高溫、耐不穩定性。同時由于我們居住的空間越來越狹小,要求這些通訊設備的外觀越來越小,可以移動化,所以電容器產品必須越來越小。
可見,耐高/低溫、超長壽命、超小型化和高耐電壓是電容器的技術難點。電容器的專業廠商——尼吉康主要提供鋁電解電容器和薄膜電容器,據尼吉康電子貿易(上海)有限公司董事兼副總經理毛繼東介紹,該公司集中了鋁腐蝕箔制造、電解液開發、薄膜蒸鍍等技術資源。
電容器的壽命
電解電容在電路中實際要承受的電壓不能超過它的耐壓值。在濾波電路中,電容的耐壓值不要小于交流有效值的1.42倍。使用電解電容的時候,還要注意正負極不要接反。不同電路應該選用不同種類的電容。揩振回路可以選用云母、高頻陶瓷電容,隔直流可以選用紙介、滌綸、云母、電解、陶瓷等電容,濾波可以選用電解電容,旁路可以選用滌綸、紙介、陶瓷、電解等電容。電容在裝入電路前要檢查它有沒有短路、斷路和漏電等現象,并且核對它的電容值。安裝的時候,要使電容的類別、容量、耐壓等符號容易看到,以便核實。
壽命估算(life expectancy):電解電容在最高工作溫度下,可持續動作的時間。
lx=lo*2(to-ta)/10
lx=實際工作壽命
lo=保證壽命
to=最高工作溫度(85℃105℃)
ta=電容器實際工作周圍溫度
example:規范值105℃/1000hrs
65℃壽命推估:lx=1000*2(105-65)/10
實際工作壽命:16000hrs
高溫負荷壽命(load life)將電解電容器在最高工作溫度下,印加額定工作電壓,經一持續規定完成時間后,須符合下列變化:δcap:試驗前之值的20%以內
? ? ?電容器的核心技術是工藝和材料
制造時,首先是腐蝕技術,主要為了增加鋁箔的表面積,來實現電容器的超小型化。第二,在鋁箔表面形成Al2O3,尼吉康擁有耐1000伏直流電壓的制箔工藝(圖2),并且在整個行業里,可以把這個產品做到最小,因為尼吉康可把鋁箔表面積擴大到最大。第三是電解液,這直接影響到電容器的使用效果和是否耐高溫。
“做一件事不難,做好很難。”毛繼東稱。為了保證品質,尼吉康采用一條龍的生產,從零開始做基材。另外,導入全自動化生產線,以提高效率和減少故障率。
在工藝上,尼吉康的關鍵技術之一是鋁箔,為了小型化,鋁箔要打得很薄,又要耐電壓(圖3);Al2O3腐蝕層的主要作用是儲存電荷,因此腐蝕得越深越好。腐蝕方面,首先把表面光潔、平整的鋁箔進行腐蝕,使腐蝕的表面形成藍色的Al2O3;然后進行卷曲,電解質附著鋁箔;之后再封裝,形成薄膜電容器。
之后是鋁箔的切割,難點是切割很矮小的電容器所需要的鋁箔,要做到很精確。另外,由于是金屬刀具切鋁,金屬刀刃會有磨損,尼吉康的刀刃是由海外的專業公司制作的,并要定期檢查,防止磨損。
怎樣實現高壽命?主要從三方面著手:1.鋁箔的基材、純度,以及工藝上的Al2O3的厚度、牢度、強度。2.電解液,要不易揮發、快速修復,盡量少地產生熱和氣體,這樣密封殼里的壓力小。3.封口材料——封口橡皮也很重要,但是之前整個橡皮、橡膠行業的老化概念是15年,尼吉康開發了更高密度的橡膠,提高到了40年,增加了密封性。
不僅如此,還需要豐富多彩的尺寸和形態。例如海上風力發電需要采用薄膜電容器,更加輕量化,能夠提高效率。工業設備的電容器,尼吉康做到了200伏~500伏(注:有的公司只能做到400伏),目的為了提高效率,例如一些客戶需要的某些電壓是960伏,之前如果只有400伏產品,客戶必須用三個,如果采用500伏產品,就只需要兩個,這樣單機的用量就減少了。針對汽車行業,尼吉康的鋁箔有防斷特點,同時電容器產品做得比較矮小,因為它們是不能夠出現故障的。
最大的挑戰是了解客戶的需求
尼吉康認為,做好電容器最大的挑戰不是產品,而是怎樣了解客戶的需求,向客戶推薦最符合他們需求的產品,不能不足,也不能過滿。
最難之處,還需要預測三五年以后的產品。尼吉康的會長經常告誡員工,尼吉康現在是一家制造業的公司,但是要變成一家有想象力的公司——要去想接下去會怎樣,要推薦給客戶怎樣的應用方案中,這些方案里面具體要做怎么樣的產品。