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      鋁電解電容器的工作原理_如何選擇最適合的電容器

      2020年08月19日 15:27 中電網 作者:中電網 用戶評論(0

      鋁電解電容器是大多數電氣設計的重要組成部分,故它的正確選型正是許多設計的成功關鍵。所以工程師必須了解鋁電解電容器的工作原理,并針對具體設計正確選擇最適合的電容器。

      概述

      鋁電解電容器不僅具有較高的單位體積電容值,而且幾乎可用于任何電子系統,包括用于過濾不需要的交流頻率,以及在一些應用中用于儲存能量。此外,由于它提供高電容值和低阻抗,因此也常用于DC-DC變換器、逆變器和電源之中。

      出于效率方面的考慮,人們一直非常關注對鋁電解電容器技術的改進。通過新的制造工藝和最新材料,它們的使用壽命已獲得大大提升,而且同時提高了可靠性和堅固性??偟膩碚f,鋁電解電容器可以實現很長的使用壽命—設計得宜的情況下,可以使用長達20年。

      所有電容器都由兩層導電材料(或電極)組成,這兩層導電材料則由介電材料制成的一個絕緣體隔開。這些層之間會產生一個電場,當有電流給電容器充電時,它就可以存儲能量。鋁電解電容器的特點是它的電極由鋁箔制成,而導電液體,即電解液置于兩個鋁箔電極之間。通過電化學反應,在陽極上箔會形成氧化層(Al2O3),它在鋁電解電容器中充當電介質。

      圖1:鋁電解電容器的構造

      特性

      設計和材料相結合,使得鋁電解電容器具備獨特的電氣特性。這些特性制造出明顯優勢,讓它成為許多應用中的理想之選(相對于其他的電容器而言)。而且在許多情況下,鋁電解電容器甚至是實際上唯一的解決方案。

      首先,鋁電解電容器的電容值更大(以單位體積和電壓等級而言),所以具有較高的容積效率。因此,電解電容器的單位體積電容比任何其他類型的電容器都高。這是鋁電解電容器最重要的一個特點。在設計得當的條件下,該特性可以在應用中提供優于其他技術的顯著優勢。

      其次,大多數鋁電解電容器的額定電壓要高于其他類型的電容器。直流電壓額定值為600V的鋁電解電容器很容易買到,而且幾乎可用于各種應用。

      第三,這些電容器具有極高的儲能能力,因為它們既有高電容值,又具有高額定電壓。電容器中存儲的能量隨電容值線性增加,隨電壓呈指數增加。

      充分了解這三個特性是為電力應用正確選擇鋁電解電容器的關鍵。在此基礎上,工程師在評估鋁電解電容器的設計時應考慮以下四點。

      圖2:鋁電解電容器的構造

      鋁電解電容器最重要的考慮因素是具體應用對電容器使用壽命的要求。知道應用在需要維修或更換之前能夠按照設計目標正常運行多長時間,這一點至關重要。

      由于涉及許多復雜因素,這似乎是一項艱巨的任務,但是鑒于電子設備的可靠性,實際上是非常便于預測的。幸運的是,工程師無需咨詢專家或成為專家來確定電容器的使用壽命。因為大多數可靠的電容器制造商都提供了基于網絡的工具,以幫助工程師在應用的特定設計約束內計算鋁電解電容器的使用壽命。

      額定電壓

      工程師應確保鋁電解電容器在規定的安全電壓工作范圍內和額定電壓下工作。這不僅可以延長電容器的使用壽命,而且還有可以使電容器免受不必要的損壞。

      鋁電解電容器通常要與電源配合使用,以提供高容量值。但是,鋁電解電容器是有極性的,所以只能用在整流電路的直流電壓應用中。

      在評估鋁電解電容器時,工程師不應選用額定電壓遠高于應用需求的電容器。因為靜電電阻同樣也會大幅增加。

      此外,工程師應該了解應用的負載要求,包括紋波電流、環境溫度和可能的浪涌電壓等。這樣有助于延長應用的整體使用壽命。

      雖然許多鋁電解電容器可以承受偶爾發生的短期浪涌和反向電壓或者極性相反的電壓,但是不建議用在持續的電涌或持續的超額定值的反向電壓條件下。過壓、反向電壓和瞬態浪涌都可能會損壞電容。工程師應適當使用二極管防止出現反向電壓,而且購買的電容器能始終滿足指定的應用設計要求。

      圖3:電源電路示例

      散熱特性

      流過電容器的交流電會使其溫度升高。這種電流被稱為紋波電流,而自發熱會導致功率損耗。所以,應用環境溫度就成為選擇鋁電解電容器的一個關鍵因素。

      鋁電解電容器的冷卻措施和表面積決定了它在應用中的熱阻或散熱量。散熱還會受到接觸元件紋波電流的限制。

      鋁電解電容器的紋波電流額定值通常在上限規格溫度下指定。不僅應用環境溫度是重要因素,交流信號的頻率、熱阻和等效串聯電阻也都很重要。

      圖4:帶散熱器的鋁電解電容器

      等效串聯電阻

      在使用鋁電解電容器的電源應用中,最大的擔憂之一是等效串聯電阻-它是等效串聯電路的阻性元件。交流電流紋波在通過電容器中的等效串聯電阻時會發生功率耗散。更高頻率的紋波電流會導致等效串聯電阻增加。等效串聯電阻越大,電容器內部耗散的功率就越多,這意味著溫度會隨熱量散發而升高。

      但是,工程師無需指定具有最低等效串聯電阻的鋁電解電容器。相反,他們應該指定一個等效串聯電阻能夠滿足此應用下紋波電流條件的電容器。

      結論

      對于設計工程師來說,在準備選擇用于任何應用的鋁電解電容器時,充分了解鋁電解電容器的電容值、額定電壓和儲能能力是非常重要。在為電力應用選擇鋁電解電容器時,同樣重要的注意事項還包括鋁電解電容器的使用壽命、額定電壓、散熱特性和等效串聯電阻等。

      通過了解這些特性和注意事項,工程師可以滿懷信心地為其應用選擇最佳的鋁電解電容器。

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      ( 發表人:陳翠 )

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