深入了解铝电解电容:结构与性能

铝电容是属于“电解”电容家族的器件。因此,它们以相对较低的成本在小封装中提供高电容值。为了换取这些理想的品质,它们的电气性能和使用寿命往往相对较差。尽管铝电容不适用于信号相关应用(除了最野蛮的信号应用),但它是直流电源相关功能的主要材料。有三种不同的类型可用;标准铝电解电容,该类型的双极变体,以及包含铝-聚合物电容的新类型。将该系列称为“铝电容”而不是“铝电解电容”是对后一种不包含传统液体电解质的器件类型的致敬。

铝电容的结构

标准铝电解电容由两张高纯度铝箔组成,由一种间隔材料(如吸饱电解质溶液的纸)交错隔开。这些箔片通常在微观水平上蚀刻,以增加其有效表面积,比箔片保持光滑的情况下增加几百倍。

在其中一个箔片上(在标准铝电解电容中),通过含氧电解质溶液对箔施加电压,形成一层氧化铝,作为电容的介电材料。这样做会导致电解液中的氧气与铝箔表面结合,形成一层氧化层,其厚度与形成过程中施加的电压成正比,并由要生产的电容的预期工作电压决定。通常情况下,这种氧化层的厚度约为1微米,即0.00004英寸。

底层的未氧化金属形成铝电解电容的一个电极。另一个电极不是第二张箔片,而是电解质溶液。在标准的铝电解电容中,第二层箔片没有刻意形成的氧化层,只是用来与电解液进行电接触,因为很难将液体焊接到电路板上……在双极电容中,在两片铝片上形成氧化层,从而形成一个有效的两个电容反串联连接的器件。

因为电解质是一种流体(除了铝聚合物电容,它是一种导电聚合物材料),它能够符合蚀刻和氧化箔片的微观结构,导致电容的两个电极之间有很大的面积。由于介质材料(氧化铝)相当薄,因此最终的结果是具有高值的电容;根据电容基本方程,电容的增加与电极面积成正比,与电极分离距离/介电厚度成反比。引线连接到箔片上,组件被缠绕,折叠或以其他方式形成以适合容器(通常也由铝制成),组件使用橡胶密封塞密封。

由于故障情况可能导致内部压力积聚,大多数铝电容还包括以相对安全的方式排出这种压力的规定。在较大的装置中,为此目的通常使用专用的机构,而较小的装置则通过仔细设计橡胶密封塞和/或在容器上刻痕来实现保护性排气功能,以便在产生过量内部压力时,容器以相对可控的方式破裂。