陈永真：一般用途电解电容器（1）

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！

1、什么是一般用途电解电容器？

第一个问题：什么是一般用途电解电容器。现在的额电解电容器有很多应用领域，传统的电子线路中所应用的电解电容器称为一般用途电解电容器。

接下来就是，除了一般用途之外，还有什么应用需要电解电容器？从应用历史进程看，开关电源电解电容器又是一大类；变频器电解电容器算一大类应用；节能灯电解电容器是一大类；家电中的电解电容器；新型能源应用中的电解电容器还是一大类；逆变焊机应用是一大类；感应加热是一大类；气体放电灯应用是一大类；便携式电子设备充电器应用是一大类；LED照明是一大类；智能电网的应用是新的一大类。在这里，竟然列出了十余种应用领域。这些应用领域，应用电解电容器有什么不同？由于不同的应用，电解电容器将处于不同的工作状态或对电解电容器的外形、寿命、最高工作温度等有不同的要求。

应该说，一般用途电解电容器相对于上述十余种应用，性能要求最低，相对的而成本也最低。接下来的问题是有没有比一般用途电解电容器性能还差、成本还低、制造门槛低的不能再低的而应用？答案是有！玩具级电解电容器，其原因是，玩具的工作环境相对最好，电子玩具的寿命相对其他电子产品的寿命最短、有效工作时间最短。这样的工作状态为什么要做几十年不坏的元件放在里面呢？

关于一般用途应用以外的额电解电容器应用及所需要的性能将在后面若干讲里详尽的讲述。本将只讲述一般用途电解电容器相关的知识。

2、一般用电解电容器用在什么地方？

一般用途电解电容器用在什么地方？这时人们不得不提出的疑问。为什么这样说？原因很简单：传统电子技术的影响，电子技术相关教学的影响。通常对电子线路的研究大多为晶体管、集成电路的工作状态、所实现的功能，甚至是拓扑分析。电容器的作用无非是具有多大的容抗、电容量的大小及容差、损耗因数、漏电流等。在不涉及到电流的状态下，这些参数对于大学课程中的模拟电子线路、数字电子线路的确足够了。可以说，一般用途电容器可以理解为大小课程中的模拟电子技术、数字电子技术所涉及的电子线路中的电容器。

在晶体管交流放大电路中，电解电容器作为“隔直”的耦合电容器，用来阻断前后级的直流工作状态对本级电路直流工作状态的影响；电解电容器在晶体管交流放大器中的第二个作用就是旁路，例如与发射极电阻并联的交流旁路电容器、功率放大器的电源旁路电容器以及这些电路的整流滤波电容器。如图1、图2、图3。

图1 电解电容器用于晶体管放大器的交流耦合电容器

图2 电解电容器应用做旁路电容器

图3 电解电容器用作整流滤波电容器

这些应用对电容器要求是：足够的电容量、满足要求的耐压、可以容忍的漏电流及损耗因数、尽可能小的体积和尽可能低的成本。

足够的电容量的要求“隔直”电容器和旁路电容器具有足够低的容抗。例如晶体管交流放大器的“隔直”电容器的额定容量需要10μF以上甚至更高，而旁路电容器的电容量往往在100μF以上。“如此高”的电容量非电解电容器不可。而单相整流滤波用电容器则要求电容量更高，往往需要30000μF/A以上，这样的电容量非铝电解电容器莫属。

铝电解电容器在相同的电容量条件下，耐压越低，体积越小，成本越低，满足要求的工作电压实际上是为了尽可能的降低电解电容器成本和体积。耐压不足可能会造成电解电容器的击穿，即使不击穿也会大大降低电解电容器的寿命、同时漏电流也会明显增加。

可以容忍的漏电流是为了在不影响电路正常工作状态下，尽可能的选用电解电容器。相对其他电容器，铝电解电容器的漏电流相对最大。一般情况下的漏电流在3μA左右，或者是0.01CV。这样的电流对晶体管交流放大器的“隔直”电容器来说比较勉强，但是40多年来一直这样的用。也算说得过去。

对于旁路电容器来说，漏电流并不是很严重的问题，只要不严重发热、不影响寿命就行。一般的电子线路的旁路并不会有多大的交流电流流过旁路电容器，不回因电子线路的交流成分电流过热；对于整流滤波电容器，由于需要很大的电容量，因此无需考虑铝电解电容器能否承受的住来自整流滤波的纹波电流分量。即使漏电流稍大也会正常工作，但是会影响铝电解电容器寿命。

最后一个问题最简单，在众多电容器中相同的CV值，铝电解电容器的成本最低，体积最小。

3、一般用途电解电容器基本特性

前述我们知道了一般用途电解电容器所需要的基本性能要求概况。接下来分析一般用途铝电解电容器的基本性能。

我国国标小型铝电解电容器最早的型号是DC03，后来出现了替代DC03型号的85℃/2000h的DC110，同时体积也小于DC03。

3.1 电压

铝电解电容器的电压指标主要有：额定DC电压、额定浪涌电压、瞬间过压和反向电压，下面将逐一介绍。

1．额定DC电压VR

额定DC电压VR是电容器在额定温度范围内所允许的连续工作电压，它包括在电容器两电极间的直流电压和脉动电压或连续脉冲电压之和，或者是峰值电压。通常，铝电解电容器的额定电压在电容器表面标明。通常额定电压≤100V为“低压”铝电解电容器，而额定电压≥150V为“高压”铝电解电容器。

额定电压的标称电压为：3V、4V、6.3V、（7.5V）、10V、16V、25V、35V、（40V）、50V、63V、80V、100V、160V、200V、250V、300V、（315V）、350V、（385V）、400V、450V、500V、（550V）。

其中括号中的电压值为我国不常见的。

2．工作电压Vop

工作电压是电容器在额定温度范围内所允许连续工作的电压。在整个工作温度范围内，电容器既可以在满额定电压（包括叠加的交流电压）下连续工作，也可以连续工作在在0V与额定电压之间任何电压值。由于所能承受电流的限制，电解电容器的工作电压中的交流成分电压不宜过大，一般以所能承受的电流限制为准

在短时间内，电容器也可承受幅值不高于-1.5V的反向电压电压。

3．反向电压

铝电解电容器是有极性电容器，通常不允许工作在反向电压。在需要的地方，可通过连接一个二极管来防止反极性。通常，采用导通电压约为0.8V的二极管是允许的。在短于1秒的时间内，小于或等于1.5V的反向电压也是可以承受的，但仅仅是短时，绝不能是连续工作状态！

反向电压的危害主要是反向电压将产生减薄氧化铝膜的电化学过程，从而不可逆的损坏铝电解电容器。

特殊的铝电解电容器可以短时工作在交变的交流电压工作状态，如交流裂相异步电机启动铝电解电容器。

4．额定浪涌电压Vs

额定浪涌电压Vs是铝电解电容器在短时间内能承受的电压值，其测试条件是：电容器工作在25C，在不超过30秒，两次间隔不小于5分。IEC 384-4中规定的浪涌电压与额定电压的关系如下：

UR＜315V时：Us=1.15*Ur   （5.7）

UR＞315V时：Us=1.10*Ur   （5.8）

有些铝电解电容器（主要是大型铝电解电容器）在外壳上也标注浪涌电压。一般的标注方法为：×××VS，

5．浪涌电压测量

电容器的额定浪涌电压Vs的具体测试方法是：在正常室温，电容量在2500μF以下的铝电解电容器可串联1000Ω±10%电阻，而电容量在2500μF或更高者，则应采用串联2500000Ω/C±10%（这里电容量的单位是μF）的电阻。在电压30秒接通，4分30秒关断的周期内，每个电容器通过充电电阻或等效电阻放电。重复120小时的循环周期。通过测试的要求是测试前后的直流漏电流（DCL）、等效串联电阻（ESR）和损耗因数（DF）值不应有变化，并且没有机械损坏或电解液泄漏痕迹。通过这个测试条件可以看到，铝电解电容器与串联电阻的时间常数为2.5秒，30秒是12个时间常数，这样长的接通时间可以使铝电解电容器充电到浪涌电压值。每小时12次，120小时共冲击了1440次。如果质量不过关，冲击这么多次后肯定就失效了。

6．瞬间过电压

铝电解电容器一般能瞬间承受的极限过电压。对于铝电解电容器，瞬间过电压通常为超过电容器的浪涌电压额定值的过电压状态，这种状态会造成很大漏电流并进入恒电压状态，电压电流特性很像稳压二极管的反向特性。如果电解不能承受这个瞬时过电压，电容器可能击穿失效。但是，即使能够承受，这种状态也决不允许维持比较长的时间，因为是电容器产生的氢气所产生的压力会导致不可逆的压力释放装置动作（爆浆），使铝电解电容器失效。即使压力释放装置不动作，这种状态也会消耗电解液，多次出现这种状态将会缩短铝电解电容器的使用寿命。因此，在电子线路仅需要极短工作寿命，在某种意义上允许端电压达到浪涌电压或稍低于瞬时过电压。

RIFA的瞬间过电压的测试标准为：尖脉冲，上升时间在100μs到5ms之间；两次瞬间过电压间隔时间大于5分钟；寿命期间内可以承受1000次的瞬间过电压冲击。

在特殊应用中（如需耐受雷击的冲击电压），可以采用特殊设计方法，如在铝电解电容器两端并联瞬变电压抑制二极管箝位或性能优良的压敏电阻的方式可以成功的实现瞬间过电压保护。

铝电解电容器瞬间过电压特性表明，铝电解电容器可以承受瞬时过电压（击穿电压）而不损坏，而其它介质电容器的端电压一旦达到击穿电压值就会产生不可逆的损坏。这也是铝电解电容器跟其它介质电容器相比的“优点”。

7．交流迭加，纹波电压

铝电解电容器两端之间不仅可以施加直流电压，而且也可以施加交流迭加电压，或纹波电压，但是必须符合如下条件：

（1）直流电压与交流叠加电压和纹波电压之和不超过额定电压，而且不发生反极性现象；

（2）电流不超过额定纹波电流。