打開一個(gè)普通的 LED 燈泡，你經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)電解電容器占據(jù)了交流線路輸入的位置。雖然照明級(jí) LED 的使用壽命通常超過 10,000 小時(shí)，但其底座中的電解電容器可能使用壽命不會(huì)那么長(zhǎng)。造成這種不良后果的原因可能有很多種。
這些電路板上可見的電解電容器取自飛利浦(頂部)和 Feit Electric 生產(chǎn)的 60 W 等效 LED 燈泡。
電解電容器出現(xiàn)問題的主要原因可能是它們?cè)诜聪螂妷合滦阅懿患?。電解電容器是極化設(shè)備，只有當(dāng)電容器正極上施加的信號(hào)超過負(fù)極上施加的信號(hào)時(shí)，它們才能正常工作。對(duì)極性的敏感性是由電容器的結(jié)構(gòu)引起的。
最常見的電解電容是鋁電解電容。其陽極電極 (+) 是具有蝕刻表面的純鋁箔。一層薄薄的氧化鋁絕緣層充當(dāng)電容器的電介質(zhì)。非固體電解質(zhì)覆蓋氧化層的粗糙表面，原則上用作陰極 (-)。第二層鋁箔稱為“陰極箔”，與電解質(zhì)接觸，用作與陰極的電連接。整個(gè)組件卷起來形成獨(dú)特的圓柱形，這就是電解電容的特點(diǎn)。
需要注意的一點(diǎn)是，在電解槽中對(duì)陽極材料施加正電壓會(huì)形成絕緣的氧化鋁層。其厚度與施加的電壓相對(duì)應(yīng)。該氧化層充當(dāng)電介質(zhì)。在粗糙的陽極結(jié)構(gòu)上形成介電氧化物后，反電極必須與粗糙的絕緣氧化物表面相匹配。電解質(zhì)就是為此目的而生的。
電介質(zhì)的厚度很薄，通常以納米為單位。氧化層的電壓強(qiáng)度在正確的方向上相當(dāng)高。但超過最大電壓規(guī)格會(huì)使電容器看起來像是短路。結(jié)果可以制作出值得關(guān)注的視頻，YouTube 上可供觀看的爆炸電容器數(shù)量就是明證。
這就是極性的作用：施加錯(cuò)誤極性的信號(hào)會(huì)阻止氧化層的形成。結(jié)果可能再次導(dǎo)致災(zāi)難性的故障。
Illinois Capacitor 總結(jié)了電解電容器的故障模式。
當(dāng)然，正常運(yùn)行的應(yīng)用電路將向其使用的電解電容提供正確極性的信號(hào)。縮短電解電容壽命的最常見元兇是熱量。額定工作時(shí)間為 25°C 的 10,000 小時(shí)的電容器在更高溫度下使用時(shí)會(huì)降低額定值 - 其額定工作時(shí)間為 85°C 時(shí)可能僅為 1,000 小時(shí)，在 105°C 時(shí)甚至更低。熱量通常會(huì)蒸發(fā)電解質(zhì)并降低電容。此外，電解電容在反復(fù)快速充電和放電的電路中會(huì)發(fā)熱。高溫引起的性能變化是暫時(shí)的，一旦電容器恢復(fù)正常溫度(假設(shè)它沒有因過熱而損壞)，規(guī)格表上的性能就會(huì)重新出現(xiàn)。當(dāng)溫度成為問題時(shí)，有些電容器的額定壽命較高。
另一個(gè)縮短電解電容壽命的臭名昭著的因素是電容所承受的紋波電流。紋波電流在經(jīng)常使用電解電容的電源調(diào)節(jié)器電路中很常見。由于復(fù)雜的電化學(xué)原因，紋波電流越高，電容的退化就越大、越快。對(duì)紋波電流的敏感度取決于電容的結(jié)構(gòu)和材料。供應(yīng)商使用不同的紋波電流值來指定使用壽命。此外，還有專門設(shè)計(jì)用于處理高紋波電流的電解電容。
不幸的是，供應(yīng)鏈問題也會(huì)影響電容器的性能。采購(gòu)渠道中，劣質(zhì)或假冒零件越來越普遍。制造一個(gè)短期內(nèi)功能正常的電容器相對(duì)容易。然而，使用壽命很容易不達(dá)標(biāo)。
例如，即使是高品質(zhì)的電解電容器，其電容也會(huì)隨著時(shí)間的推移偏離標(biāo)稱值。指定的容差很大，通常為 20%，這并不罕見。因此，標(biāo)稱電容為 47 μF 的鋁電解電容器的測(cè)量值預(yù)計(jì)在 37.6 μF 和 56.4 μF 之間。鉭電解電容器的容差更嚴(yán)格，但通常工作電壓較低。而對(duì)于不合格或假冒電容器，其隨時(shí)間變化的容差則完全無法確定。
了解電容規(guī)格表額定值的適用條件也是有益的。額定電容通常表示為 20°C 和 120 Hz 下的值。溫度高于和低于 20°C 時(shí)，電容會(huì)降低。還要注意損耗角正切的規(guī)格。損耗角正切定義為電容器電壓和電容器電流之間的相位角差與理論 90° 值的正切。該差異是由電容器內(nèi)的介電損耗引起的。損耗角正切 (tan δ) 表示為 20°C 和 120 Hz 下的值。該值在較高溫度下會(huì)下降，在較低溫度下會(huì)上升。
另外，電容和損耗角正切值隨頻率不同而不同。電容在高頻時(shí)較低，損耗角正切值在高頻時(shí)較高。電容器阻抗通常表示為 20°C 和 100 kHz 的值。頻率越低，阻抗就越高。
儲(chǔ)存條件也會(huì)影響電解電容的性能。如果鋁電解電容儲(chǔ)存時(shí)間過長(zhǎng)，其漏電流會(huì)上升。與其他電容參數(shù)一樣，在儲(chǔ)存溫度較高時(shí)，這種影響更為明顯。但是，施加電壓可以降低漏電流。這是通過施加電壓來修復(fù)電解電容的原理。出于同樣的原因，電路設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)設(shè)備時(shí)應(yīng)考慮電容電流的初始增加。通常的方法是將保護(hù)電路與電容并聯(lián)。
電解電容器使用的封裝示例。這些來自 Nichicon 的封裝可在過熱時(shí)通過橡膠層排出氣體。
電容器本身的包裝也會(huì)引起問題。請(qǐng)注意，電容器外殼和陰極端子之間沒有隔離。制造商通常不會(huì)指定電解電容器外殼和陰極端子之間的電阻大小。電容器外殼套管也容易損壞。如果暴露在高溫下，套管可能會(huì)破裂。通常，外套管由 PVC 制成，但 PVC 是用于標(biāo)記，而不是提供電氣絕緣。電解電容器通常還包含壓力通風(fēng)口，其形式為外殼上的薄區(qū)域，如果電容器被誤用，則放置在那里以處理壓力積聚。最好找出通風(fēng)口的位置并在其上方留出空間。
最后，串聯(lián)或并聯(lián)電容器的細(xì)微差異也會(huì)導(dǎo)致問題。例如，并聯(lián)電容器之間的電流可能不均勻。在電源中，結(jié)果之一可能是一個(gè)或多個(gè)電容器的紋波電流過大。同樣，當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)電容器串聯(lián)時(shí)，必須考慮施加電壓的平衡，以便施加到每個(gè)單個(gè)電容器上的電壓保持在額定電壓以下。通常的方法是將分壓電阻器與每個(gè)電容器并聯(lián)安裝。
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