电路设计中的电解电容器选型考虑

原创面包板社区 2022-02-17 20:00

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电解电容器（electrolytic capacitor）是通过电解质（固体和非固体）储存电荷的一类极性元件，主要有导电聚合物型的钽电解电容器、铝电解电容器，以及二氧化锰固体钽电解电容器。

凭借大容量优势，电解电容器通常用于电源电路或中频、低频电路，作为滤波、退耦、信号耦合及时间常数设定、隔直流、储能等作用。由于单向导电性和特殊的内部结构，使用电解电容器时需要注意以下事项。

1、反向电压

电解电容器介质氧化膜具有单向导电性和整流特性，当施加反向电压时，就会有较大的电流通过，往往会造成隐患，严重时会造成电容器击穿失效。因此，使用中应严格控制反向电压, 更不能在纯交流电路中使用。在测量、使用过程中，如不慎对片式电解电容器施加了超过规定的反向电压，则该电容器应报废处理，即使其各项电参数仍然合格，因为电容器由反向电压造成的质量隐患有一定的潜伏期，在当时并不一定能表现出来。

在不可避免的情况下，固体电解质片式钽电容器允许瞬间施加不大于下述规定的反向电压：
25℃下：≤10%UR或1V（取小者）；85℃下：≤5%UR 或0.5V（取小者）；
125℃下：≤1%UR 或0.1V（取小者）。

电路应用中，禁止使用万用表电阻挡对采用了片式钽电容器的电路，或钽电容器本身进行不分极性的测试，以免施加反向电压。当电路全部采用35V以上（含35V）固体片式钽电容器时，可承受万用表1.5V电源的反向测试，9V电源则绝对禁止。

2、纹波电压与电流

如果施加了超过规定的纹波电压、纹波电流，会导致片式钽电容器失效。这些规定为：
（1）直流偏压与交流分压峰值之和不得超过电容器的额定电压值。
（2）交流负峰值与直流偏压之和不得超过电容器所允许的反向电压值。

纹波电流通过片式电容器时会产生有功功率损耗，使电容器自身温升导致的热击穿失效概率增大，因此有必要对通过电容器的纹波电流进行限制。

对于导电聚合物片式钽电解电容器、铝电解电容器，应控制所通过的纹波电流，不得超过规范规定的纹波电流值。

3、降额设计

片式电解电容器的失效率是对直流额定值而言（额定温度、额定电压），并且因环境温度、施加电压、电路电阻等使用条件不同而变化。实际环境非常复杂，往往存在电压或电流的峰值冲击及纹波电流，或其它意外电冲击，所以实际使用中降额设计是必要的，这样才能保证电路的安全性和可靠性。

（1）额定电压

片式电解电容器额定电压（UR）是指在额定温度下允许施加在电容器上的最高直流电压。若超过额定电压使用，则超过了介质氧化膜的抗电强度，将导致电容器性能劣化，严重时甚至产生介质击穿、失效。

（2）降额电压

二氧化锰型固体钽电解电容器和导电聚合物片式铝电解电容器降额的基准为额定电压，当环境温度不大于85℃时，导电聚合物片式铝电解电容器建议一般降额至90%UR 以下。

对于二氧化锰型固体钽电解电容器当环境温度不大于85℃时建议一般降额至65%UR 以下；当环境温度大于85℃时，降额的基准为降额电压（UC），建议一般降额至65%UC 以下；当电容器用于滤波电路时，降额系数应不大于0.5；若是低阻抗电路，建议使用电压设定在额定电压的1/3以下。

导电聚合物片式钽电解电容器在额定温度下使用时，10V及以下产品建议降额至90%UR，10V及以上产品建议降额至80%UR。

（3）串联保护电阻

在电路应用中，应控制瞬间大电流对片式钽电容器的冲击，如通过串联电阻缓解等，推荐串联电阻R>0.1Ω/V。当不能串联电阻时，应考虑进一步降额。

4、低阻抗电路

电容器在低阻抗电路中并联使用时，直流浪涌电流或大电流冲击失效的几率将增加，同时应注意电容器并联时其贮存的电荷通过其它电容器放电，这时进一步降额是必要的。在感性负载电路中使用时，应注意开关过程中感应电流对电容器的反向冲击。

5、瞬时过压过流

电路的开或关，都可能产生远大于工作电压的瞬时电压，以及相应的冲击电流。如果电源和负载的电阻均较小，这样瞬时电流值会相当大，容易导致电解电容器氧化膜的损伤，在氧化膜的薄弱区域发热促使氧化膜晶化击穿或降低耐压能力。

6、串、并联使用

当选用2个及以上的铝电解电容器进行串、并联使用时，应注意分别考虑电容器之间电压、电流等的平衡，请选择电性能参数一致的电容器进行串、并联使用，必要时并进行平衡设计。

7、使用环境温度

电容器应避免超温使用。超温下会使材料的性能发生改变，因电容器使用的各种材料热膨胀系数不同，可能产生内部应力而使电容器失效；电容器在高温下长时间贮存，可能会产生内部热应力导致失效。因此，必须在标准规定的温度范围内使用。