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极性电容——说着简单,用着复杂

时间:2018-05-30 09:25来源:网络 作者:单片机爱好者 点击:
    在极化电容器的简单到令人困惑的图解符号(见图 1)旁边是许多电子电路中一个复杂而重要的部件。按照其构造,该电容器通常称为电解质电容器或简称“电解电容”,在确保电源输出能够在额定直流电压下拉得所需电流中发挥根本作用。
 
图 1:极化电容器在 a) 美国和 b) 欧洲的最常见符号;它还有多种变体。
    为何使用这种电容器和为何是极化的?即便因受功率调节电路的天性影响,电源本身(通常为交流/直流电源)的输出带有 60/120 Hz 的纹波(在世界部分地区为 50/100 Hz),这款电容器的主要作用仍是作为负载的电能储备存储容器。
 
Lelon Electronics 生产的 33uF 铝制电容器
 
    该电容器类似蓄水池:电源的核心是将能量(水)抽到蓄水池中,但并非以稳定的速率。负载(使用者)以不定速率取出水,有时需求量变化缓慢而有时会出现突然而短暂的上升。它们需要这么做,哪怕这会令来自净水厂的主供应管道出现波动。虽然电源或负载上的流量(电流)发生改变,但它们不想看到水压(电压)发生波动。
    变压器就是电能的缓冲垫或缓冲器,主要做两件事 — 在负载稳定时,它会消除基本稳压器输出中的纹波,而在负载自身变化时,它按照需要提供电能。出于这些原因,用在电源输出上的大容量电解质电容器通常称为“大容量存储器”元件,并且纵使稳压器输入电压或负载需求会发生变化,它还作为基础过滤器,过滤不需要的输出供给电压波动。
    大体上,电容器由两个被电介质隔离开的传导性表面构成。电介质可以是空气、纸张、陶瓷或专用电解质化学薄膜。大多数电解质电容器是由两层极薄的金属箔片(铝、钽或铌)和一层包裹在某一层金属箔片上的绝缘氧化层构成,然后将整个组合物卷起来(图 2)。
 
 
图 2:铝制电解质电容器的内部结构显示,电介质隔开了各层,然后卷入一个圆筒状外壳
    最终的元件使用专用包衣密封,包衣可由塑料、环氧基树脂、金属或其他材料制成,用于阻隔水分同时将电介质材料封在内部,以免化学泄露或个别故障情况发生(图 3)。
 
图 3:可供使用的完整电解质电容器;额定 10,000μF (0.1 F),15 VDC,高 40 毫米,直径 18 毫米
    使用非化学电介质制成的电容器为非极化,可配合交流波形使用;并且,它可以任何一种方式插入电路中。但,由于薄膜的化学特性和电解质电容器使用的结构,安装和使用时具有极性。在这种设备上加载反向电压会造成降解,从而损坏它。
    考虑到这种限制,为何仍要使用极化电解质电容器?答案很简单:为了达到高电容密度和相关值。大多数交流/自流电源需要数百到数千微法拉 (μF) 的电容量,而能够实现这一需求的只有一种尺寸合理的电解质电容器结构的元件。使用陶瓷或空气作为电介质很容易让电容器体积变为从 100x 到 1000x 之大。
    成本也是要考虑的方面 — 电容器越大,需要的材料就更多,因此会产生更高的直接成本以及由于占用更多的印刷电路板空间或使用更大的整体电源而带来更高的“成本”。超级电容器可看做是一种更高且更小的替代品,因为它们能够轻松地提供数法拉的额定功率,但它们不能处理纹波电流或电源稳压器的充电/放电特性和它的负载。
 
关键选择参数
 
    当然,所有这些大容量存储器设备的首要参数是它们电容量。电解质电容器的值最低为约 1μF,最高可达数千 μF。如果单个元件无法提供所需的电容值,电容器当然也可并联使用。
    设计人员须选择的下一个参数是工作电压,通常以 WVDC (直流工作电压)表示。这是电容器可靠工作的最大直流电压额定值,是一项设计和外壳的函数。更高的 WVDC 需要物理体积更大的设备,以经受内部电弧作用和击穿现象,且成本更高,因此设计者必须留意不要过于限制该系数。大多数设计人员在 WVDC上使用 2x 安全边际,以适应电容器上来自电源的任何纹波或瞬态电流;因此,25-V WVDC 电容器能够使用标称 12-V 的直流电源。
    尽管理想的电容器将是那样,但事实上每个电容器都拥有一些等效串联电阻 (ESR) 和自身电感。高质量电容器的 ESR 为从 0.1 到 1Ω:ESR 值越高,电容器就越难表现地像理想的设备,并且真有可能造成稳压器电路故障。在质量更低的电解质电容器中,ESR 将随着时间和温度上升,甚至可能达到数十欧姆,造成不利后果。由于电介质不完美,电容器也有少许漏泄电流。
    此外,每个真正的元件自然都拥有寄生电感;对于电容器,这种电感的数量级为几毫亨 (mH)。尽管这种低电感值在交流线路频率中基本不是问题,但随着电源工作频率上升,它就会出现问题,且可能造成电路不稳定,甚至出现故障。
    和所有元器件一样,电解质电容器也有额定容差;常见的容差值是 ±20%,但有些规定的容差范围较低。尽管这似乎是很大的容差容限,但在应用中可以接受。
    为支持设计人员的性能和稳定性分析,大多数电容器供货商提供包含 ESR、电感、漏泄电阻和任何其他非理想属性的型号(图 4)。它们可能在线路频率及更高的频率上,以及在不同的温度上显示这些信息。
 
 
图 4:电解质电容器的简化低频率型号显示基础电容器以及漏泄电阻、等效串联电阻和电感;对于 RF 的使用,该模型将加入各种内部寄生电流以及寄生引线电感和电容。
 
电解质电容器的退化
 
    通常预计电解质电容器能够按照规格工作数千小时,但它们通常的使用时间超过最大的规格规定寿命,其效果可以接受。(设想一下长期运行的台式机电脑中大部时间都处于“打开”状态的电源。)
    除了明显在规定的额定值以外工作,每个电子元件都受影响其可靠性和工作寿命的因素影响,且电解质电容器之间并无区别。
    过热是缩短其寿命的最常见因素:在 25⁰C 下额定 10,000 小时的电容器,其额定时间将随着温度上升而下降,并且可能在 85⁰C 下,额定变为 1,000 小时,而在 105⁰C 时甚至会更短。由于大多数这类电容器与电源搭配使用,通常会变热且本地温度升高超过整个外壳的温度,从而这些大容量存储设备的寿命将更短。供货商确实会供应在更高温度中额定寿命更长的电容器来克服这个问题。(请注意,非工作存储温度升高也是影响它们寿命的问题,但那是另一种情况且规格也不相同。)
    缩短电解质电容器寿命的第二项因素是它们必须经受的纹波电流。该电流是电容器充电所用的稳压器输出消除中不可避免的波动。由于复杂的电化原理,纹波电流会缩短电容器及其电解质的寿命;纹波电流越大,缩短的寿命越多越快。对纹波电流的灵敏度是所用结构和材料的函数之一;供货商按照不同纹波电流值列明工作寿命。
    在选定了合适电容器和相应的供货商型号后,设计人员还要牢记一项非技术性因素。拥有不符合标准、替换或完全伪造的部件较容易流入生产和组装线。这是因为制作一个正常工作的合格电容器比较容易,它至少能够出色工作一段时间。然而,产品本身在实地运行中的寿命缩短,但到了那时就太晚了并将成为头疼的大问题。
    请记住,对于产品设施的采购团队而言,以一款“相似”但具有相同的顶级规格(电容、WVDC 和尺寸)的电容器替代设计人员在 BOM 中规定的型号是个很有诱惑力的想法。但是,它可能具有不同的次级但仍重要的规格,例如 ESR 或纹波电流容差,并且 BOM 变更可能会影响系统的性能和可靠性。对于工程人员而言,重要的是与生产供应链协作,以确保电容器具有完整性和可追溯性,可回溯到指定的原供货商。
    位于电源稳压器和负载之间的电介质电容器可能看起来很寻常,甚至乏味。然而,它们却是为电路提供稳定的直流电轨的基础。因此,设计人员需要按照它们的主要和次要参数和工作环境规定并选择它们,也要牢记不太引人注意的供应链问题。
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