陈永真：一般用途电解电容器（2）

为了给工程师们提供优质的电子工程知识，电源网有幸邀请国内权威运算放大器应用专家陈永真为大家讲授运算放大器的相关知识。陈永真，辽宁工业大学教授，长期从事电力电子技术的教学、科研工作。他所研制的“铁路客车荧光灯逆变器”唯一通过铁道部标准“TB/T2219-81”的全部测试，参加 过“十五”期间的国家“863”计划电动汽车重大专项“解放牌混合动力城市客车用超级电容器”项目，并出版电容和通用集成电路等相关领域的专著。下面请大家认真听陈永真教授的精彩课程吧！

铝电解电容器的电容量指标主要有：额定电容量、静电电容量和电容量的容差范围等。

1．额定电容量

额定电容量是标称电容量，定义在120Hz和25℃测试。额定电容量也就是单体电容量。电容量的标称电容量多数为E3系列优选值，即1.0、2.2、3.3、4.7、6.8；少数也有采用E6系列优选值，即：1.0、1.5、2.2、2.7、3.3、3.9、4.7、5.6、8.2；大容量铝电解电容器也有采用E12系列部分优选值，如18，000μF。

2．静电电容量

即直流电容量，是在对电容器施加直流电压时测量其电荷得到，在常温下容量比交流稍微的大一点，并且具有更优越的稳定特性。

3．电容测量

电容器的电容量可通过测试它的交流阻抗或测试直流电压下它可保持的电荷量获得。两种方法产生的结果有略微的不同。一般来说，采用直流电压测试方法测得的电容量值（直流电容量）稍要高于交流电流方法测得的电容值（交流电容量）。

为了与最普遍的应用（例如：整流滤波或隔直耦合）条件一致，铝电解电容器的交流电容量是最常见的测试频率一般为50Hz或60Hz工频交流电的2倍频：即IEC384-1、384-4给出了频率为100Hz或120Hz。是在IEC384-1和IEC384-4中给出的特殊测试方法测得的。

可以在铝电解电容器施加一个≤0.5V（不会使铝电解电容器反向击穿）的交流电压检测器交流电容量根据在固定频率下的容抗与电容量的关系和容抗与电压电流的关系C=I/(2∏f*U)即可确定确定。交流电容量随温度的变化可能大于10%，同时也随频率增加而减小，因此，IEC384-1、384-4给出了频率为100Hz或120Hz，温度为20℃时的基本测试条件。也可以采用测试一般电容器电容量的测试方法，利用测试电容量用桥式电路，在电源侧施加1Vrms最大AC信号电压是无直流正偏电压的无高次谐波和次谐波的120Hz正弦波电压，尽管电源电压的峰值接近1.5V，但是通过桥式电路的分压作用，施加在铝电解电容器的峰值电压将低于1V，不会对铝电解电容器造成损害。一般而言，铝电解电容器多用于整流后的滤波、旁路和隔直耦合用，这些应用对电容量的数值和精度要求不高，其电容容差（精度）多为±20%就可以很好的满足要求。

在一些应用中（例如：放电电路和定时电路）直流电容量将起决定性的作用。这就需要测量直流电容器，通常可以采用充/放电的方式，根据电容量与电荷、电压的关系和电荷与电流的关系采用恒流充/放电用C=(I*t)/ΔUc的方式，通过检测t来得到电容量C。因此，在需要精确的直流电容量时最好不用铝电解电容器，为了获得比较精确的电容量，可以采用多只电容器并联方式得到比较精确的电容量。

然而，也有一些例外的情况需要确定直流电容量。IEC出版商没有给出任何相关的说明。因此，确定了一个独立的DIN标准。这个标准：DIN41328，第4部分，描述了关于一次性、非循环充放电电容器测试方法。

4．哪个方法测量电容量更加合理？

交流方法测量电容量时测量电容器的阻抗值和性质。由于电容器不可避免的带有等效串联电阻、等效串联电感，特别是等效串联电感将测试随频率的上升增加。与其相反，电容器的容抗在随频率的上升下降。因此，在用电桥测试电容量时会发现，随着频率的提高电解电容器的电容量会下降，甚至测量频率再高一些（如40kHz以上）就会出现某些品牌电解电容器的电容量变为“负值”的现象，体现了电解电容器的整个外特性，也就是阻抗特性，不再仅仅是电容量。

阻抗特性的意义在于：在实际应用时，施加到电解电容器的电压将不仅仅是直流电或简单的100/120Hz交流电；流过电解电容器的电流也不再仅仅是100/120Hz交流电流，很可能是“高频”交流电流，例如当电解电容器从传统的整流滤波电容器转变为功率因数校正的直流支撑电容器后，流过电解电容器的电流不再是100/120Hz为主的交流电流成分，变为以40kHz以上的开关频率为主的交流电流成分时，电解电容器外特性变得尤为重要。

有的电解电容器在电桥上测电容量没了。这时候还怎能滤波？幸好，实际上并没有发生电解电容器不能滤除40kHz及以上频率的纹波电压成分，只不过效果有些差异。这表明，对于直流支撑来说静电电容量要比电桥测试的交流电容更具实际意义。

对于电子线路中定时、延迟、滤波、谐振等，用电桥测试的电容量是具有意义的。而电解电容器主要应用于整流滤波、电源旁路，因此静电电容量更具有实际意义。

5. 电容容差

电容容差是允许的最小和最大电容值以额定电容减小和增大的百分比表示ΔC/C。典型电容容限±20%，－10%＋50%和－10%＋75%。高压电容器的容差可以做得比较小，如大于150V，一般容差可以做到小于±10%。电容随温度和频率变化，通常这个变化也应在电容容差范围内。通常这个变化本身也也受电容器的额定电压和电容尺寸的影响。

3.3 漏电流（DCL）

1．漏电流产生的原因和减小必要性

由于作为绝缘层的氧化铝介质的特殊性：氧化铝介质在铝箔切割、铆接过程中受到的损伤或受电解液中的氯离子的腐蚀而产生缺陷而产生的漏电流，需要通过施加直流电压的（阳极氧化）方式加以修补，因此，即使已经施加很长一段时间直流电压，仍会有一小的修补电流流过。这个电流成为漏电流。

漏电流低意味着电解液中的氯离子极少，可以得到良好的修补结果，也表明作为绝缘层的氧化铝介质是良好的。电解液和铝箔中的铁、铜离子在铝电解电容器的电极上施加电压后会产生原电池效应电流，需要较多的电荷将其消耗掉，这就是一些铝电解电容器在初次加电后需要较长时间“漏电流”才能降到正常值的原因。这种现象也说明了铝电解电容器出厂前需要“老化的必要性”。

2．漏电流的测量方法

铝电解电容器漏电流的测试方法和测试条件为：在25℃，被测电容器串联一个1000Ω的保护电阻接于额定电压，测量漏电流。施加电压5分后，漏电流不超过说明书的最大值为合格。小容量的铝电解电容器可以采用1分钟测试结果，大容量的铝电解电容器将需要更长的测试时间。图1为铝电解电容器串联电阻后接于直流电压的电流与时间的关系。

图1 铝电解电容器充电时间与“漏电流”的关系

从特性曲线中可以看到电流将无限趋近于最终的“漏电流”值—修补氧化铝介质需要的电流值。

铝电解电容器的漏电流可以通过计算得到，如EPCOS铝电解电容器的Ilkop可通过下式计算：

LL级：

很显然，这是容抗与串联等效电阻（ESR）之比。由于式（5.13）非常像交流电路中的RC电路，而且，这个比值非常像三角函数的对边比邻边—正切函数。因此，电解电容器的损耗因数（简称DF）很多技术文献中也称为损耗角正切（tan δ），如图2。

图2 铝电解电容器的简化等效电路与损耗角正切（tan δ）的关系

由式（5.13）可以看到，随着频率的增加（也就是ω增加），ωCR随之增加，即铝电解电容器的损耗因数随着测量频率的增加而变大。

由于电容器的损耗因数的测试标准是使用60Hz频率的国家首先提出的，故电容器的损耗因数的测试频率为60Hz交流电全波或桥式整流后的最低纹波频率（60Hz的两倍频）120Hz。这个测试条件的测试值与我国的50Hz电网频率下的损耗因数大20%。

DF测量在25℃，120Hz，无正向电压偏置，最大交流有效值1V信号电压调谐条件进行。DF值由温度和频率决定。

3.5 工作温度范围与寿命

1．工作温度范围

由于铝电解电容器是电解液负极，随着温度的升高将会达到电解液的沸点。因此，电解液的沸点将是铝电解电容器不可逾越的最高工作与存储温度。在实际应用中，最高工作温度要比电解液的沸点低10~20K；同样，也是由于铝电解电容器的负极是电解液，在温度过低时，电解液将变得粘稠甚至凝固时铝电解电容器不能应用。因此，铝电解电容器也有工作与存储温度的下限。在工作/存储温度上限与下限之间的整个温度范围就是铝电解电容器的工作温度范围。

对于比较低级的商业应用，铝电解电容器的最高工作/存储温度和最低工作/存储温度为+85℃/-20℃。如果对低温有特殊要求时，最低工作温度可以达到-40℃；如果铝电解电容器的工作/存储温度比较高，则需要105℃最高工作/存储温度的铝电解电容器；当遇到更高的工作温度，如节能灯或汽车发动机舱内的应用时，要求铝电解电容器的最高工作/存储温度要达到125℃甚至是150℃。

通过上述分析可以看到，铝电解电容器的最高工作/存储温度可以分为：一般应用的+85℃，比较高工作/存储温度的+105℃和非常高工作温度的125℃甚至是140℃、150℃的五个最高工作/存储温度。

2．寿命

同样是由于铝电解电容器的负极是电解液，随着时间的推移，电解液会渐渐的干涸，当电解液干涸到一定程度后，铝电解电容器的实际的负极板有效面积将明显的变小，电容量将开始明显降低；同时伴随着ESR的明显升高，当电容量的减小，ESR的上升达到一定程度，铝电解电容器将失去应用意义。这标志着铝电解电容器寿命终了。

根据应用环境和成本的折中考虑，不同规格的铝电解电容器有着不同的寿命。

3．铝电解电容器的额定温度与寿命的额定参数

综上所述，铝电解电容器的额定温度是该铝电解电容器允许工作和存储的最高温度，根据工作环境温度要求通常可分为85℃、105℃、125℃、140℃和150℃五个温度等级。并且在各温度等级下的寿命小时数，如1000小时、2000小时、3000小时、4000小时、5000小时、8000小时、10000小时甚至更高。

3.6 等效串联电阻

电解电容器的等效串联电阻（ESR）如图2。其中，电解液的电阻是铝电解电容器等效串联电阻（ESR）的主要部分。低等效串联电阻（ESR）的铝电解电容器实际上是采用了低电阻率电解液。

ESR的测量是在25℃环境下用有效值1V的最大交流信号电压和无正向偏置电压的120Hz电源供电对铝电解电容器的等效串联电路的电阻测量。

对于一般应用的铝电解电容器，多数铝电解电容器生产厂商不给出ESR数据，对于开关电源用的低ESR铝电解电容器或电容量比较大的插脚式铝电解电容器则给出这个数据。

多数铝电解电容器生产厂商不给出ESR数据的主要原因是：相对于其它介质的电容器，铝电解电容器的ESR显得太大。如1μF/16V的普通铝电解电容器，其ESR一般在20Ω左右；100μF的铝电解电容器，其ESR也是在1.5~2Ω之间。试想，这样的数据写在数据手册里肯定会影响应用者的应用铝电解电容器的信心。因此，在某种以上说，应用铝电解电容器是一种无奈的选择。会影响铝电解电容器的应用。

在开关电源的应用中，时常会发现，采用普通的铝电解电容器时，对输出电压纹波和尖峰抑制效果很差，其主要原因就是常规的铝电解电容器的ESR“太大”。在高频应用时，对于交流会路就是电阻。因此，与获得比较好的高频滤波效果，应尽可能的降低滤波电容器的ESR。即低ESR铝电解电容器。低ESR铝电解电容器的ESR一般可以比普通铝电解电容器低一个数量级甚至更多。为了获得低ESR低ESR的铝电解电容器采用的是低电阻率电解液。如果还需要降低等效串联电感，则在铝电解电容器的绕制工艺和电极引出上采用低寄生电感的措施。