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【基础常识】说说电容那些事

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作为一个合格的炮友,你对电容了解有多少呢。下面就由小北我给大家一一道来。
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群号是193545425


IP属地:陕西1楼2014-07-30 23:55回复
    1.储能常用的电容都是铝电解电容,因为这是以单位储能计算价格最低的储能方案了,通常价格为每10焦1元软妹币左右。
    2.这种电容是有极性的,极性搞错了充电的后果,轻则电容报废,重则电容爆炸。所以大家一定要再三检查极性是否正确,一般的识别方法是外皮上负极一侧会有白色的竖线,有的是实心的,有的是空心的。
    3.性价比相对高一些的其它电容有CBB电容,油浸电容,这种电容的储能成本大约是每10焦20-50元欣妹币,也就是说储能成本要比铝电解高上几十倍。
    不过好处有这么几点,1是不用区分极性,2是自耗电低,3是内阻低
    缺点除了价格贵之外还有体积大,相同储能的电容组至少体积比铝电解大10倍以上,重量也大约是这样的倍数。


    IP属地:陕西3楼2014-07-31 00:03
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      4.这一节讲讲大家都关心的电容量测量问题吧。
      话说首先,你要有一个有电容测量功能的万用表,目前大部分20块钱以上的万用表都有电容测量功能,只不过大部分的表最大量程都是200UF,少数可达2000UF。
      这里就讲讲用这样的万用表如何测量任意大的电容。这里就以表的最大量程是200UF为例来讲吧,在开始之前,除了万用表之外,还要准备一个容量小于200UF而接近200UF的电容。耐压不限。这个电容在这里称为辅助电容。然后就要开始测量了。
      第一步,测量辅助电容的实际容量,C1,这里举例C1=180UF
      第二步,把辅助电容和待测电容串联起来,待测电容称为C2,串联之后的电容值记作C3,测量C3的电容量,这里举例测得C3=153UF。
      第三步,根据电容串联的计算公式,1/C1+1/C2=1/C3,推倒得C2=(C1*C3)/(C1-C3),代入上面举例的数值计算得待测电容C2=1020UF。
      理论上讲这个办法可以用200UF量程的万用表测任意大小的电容,不过测量的电容比较大的时候误差也会比表本身的误差要大一些。


      IP属地:陕西来自Android客户端4楼2014-07-31 00:32
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        5,第五节讲电容的储能计算,相信吧里不少炮友都己经知道了,就是
        E=1/2*C*U*U,
        这里要强调一点,就是标称的容量和耐压一般是和实际的容量和耐压是有偏差的。要以实际情况为准,不要想当然。
        顺便说说测量误差,通常万用表本身的电容档位允许有2%的误差,也就是说1000UF的电容偏多或偏少20UF都是测量误差允许存在的,另外电解电容通常允许有-10%~+20%的生产误差。也就是说铝电解电容要是测量误差和标称误差有10%左右的偏差都是允许存在的,电容都是合格产品。你没有上当受骗。


        IP属地:陕西5楼2014-07-31 00:50
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          6,这一节讲电容的耐压问题,对于450伏左右标称耐压的电容而言,通常小单体(主要是小于500UF的电容)的耐压会好一点,基本上都能保证在450之上,而大单体的电容(主要是1000UF以上的电容)通常耐压只能达到400-420,有些甚至更低,这就是为何经常见到进口的螺丝脚电容耐压也只标400伏。所以说如果你想把电压充到450伏的话,最好的选择一定是小单体单容并联。
          另外大单体的电容通常还有激活的问题,就是长期库存的电容,开始使用的时候,耐压远达不到标称的情况,比如标称400的,实际耐压只有300伏,或者更低的只有200伏。如果人为的加大充电电流,最终的结果只有一个,那就是@电容爆浆啊啊啊 激活的办法就是先在较低的电压下工作一段时间,让它慢慢恢愎最佳状态,当然也不保证所有的电容都能恢愎到标称的情况,这个就看人品了。
          继然己经说到耐压的问题了,就顺便说说怎么测量电容的耐压值呢。首先,引入一个公式,电解电容允许的漏电流I=0.03C*U,C是电容的实际容量,U是电容当前的电压。这里还是举个例子吧。
          第一步,测量电容的实际容量C,测量的办法前面讲过了,请参阅第4节,这里举例C=2100UF。
          第二步,用升压器对电容充电,假设最终电压停在了300伏。
          第三步,测量升压器正极到电容正极导线的电流,也即把电容电压维持在300伏实际消耗的漏电流Ic,这里举例Ic经测量为45mA。而漏电流的的参考数值代入前面公式计算I=0.03*0.0021*300=18.9mA,这里发现实际的漏电流己经大出参考值好几倍了,这样的结果说明这个电容当前的实际耐压是低于300伏的。超标的漏电流最终会转化为热量和气体,如果没有及时发现问题,这颗电容很可能就成为了一颗定时炸弹。
          第四步,测量电容的实际耐压,通过对升压器限流等办法减小输出电流,使电容的电压维持在比前面更低的电压,然后重复第三步的测量计算方法。直到实际漏电流Ic小于参考漏电流I时,此时的电压即为该电容的实际耐压。
          第五步,如果该电容的漏电流在电压很低时也总是超标严重,或者经过一段时间的激活,耐压还是提高不了,那么解决的办法就是把它扔掉好了。。


          IP属地:陕西6楼2014-07-31 01:19
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            继续更好了,
            7.这一节说说电容的阻抗吧,本文如无特别指定都是讲电解电容,既然要讲电容的阻抗,先要从电容的结构讲起,电解电容的结构一般是由两层铝箔中间夹一层纸,然后浸泡某种电解液,再密封在铝壳里,根据铝的性质,我猜测这种电解液应该是一种弱酸性的盐溶液,一方面具备良好的导电性,一方面能够在氧化铝薄层有破损时修复氧化铝膜。
            铝电解电容里面的介电层即这层氧化铝,不同耐压的铝电解电容的差别就在于这层氧化铝的厚度。除此之外就没有什么差别了。为何铝电解电容的耐压不能像薄膜电容那样做到任意高呢,因为这层氧化铝的厚度达到一定程度之后就会变的比较脆,一旦哪块裂开,又没有及时被电解液修复,电容便短路了。短路的结果,通常情况是电解液被电解,产生气体和大量热,然后爆炸,这便是为何铝电解电容做到450V以上非常困难的原因。讲到这里联系到前面第六节刚刚讲过的耐压问题,小单体的耐压通常高一点,而大单体的耐压低,大家也大概理解其中的原因了吧,没错,同样技术条件下,大单体因为电容铝箔的面积大,只能把氧化铝薄膜做薄些,以降低整块薄膜发生破损的概率。
            话题扯远了,这一节是讲电容的阻抗的,不是讲做电容的工艺,概括一下前一段,电容的结构即绝缘层两侧有两层导体构成,这里绝缘层是氧化铝薄膜,两侧紧挨着的是电解液,再往两侧则是铝箔,铝箔通常正极要比负极厚一些,什么原因大家自己想去吧,说了不讲做电容的工艺来着,负极的厚度大约是0.1毫米,正极大约0.2毫米,以1000UF450V的电容为例,铝箔的宽度大约60毫米,总长度大约1米的两组再并联,由此可以算出铝箔部分的电阻大约是2毫欧这个数量级。然后是电解液的部分,导电的截面大约是0.1平方米,厚度大约是0.1毫米,这种电解液的电阻率尚不清楚,就以饱合食盐水的电阻率4欧/米来估算,电解液的电阻率是在1毫欧的数量级。两部分加起来就大约是3毫欧。
            综上所述,电解电容的内阻是相当低的,一般情况下至少比线圈的内阻低1-2个数量级。


            IP属地:陕西15楼2014-08-01 02:17
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              8.再说电容的老化吧,前一节己经把电解电容的结构讲的很清楚了,电解电容的老化主要分为三部分,第一,就是大家常说的电解液的挥发,一般工作温度越高,电解液挥发的越快。第二,电容里面一直都在发生的事情就是电解液修复氧化铝箔膜,一旦电容反向充电,这种反应效会急剧增加,消耗大量的铝箔和电解液,铝箔消耗的过多,面积就会减小,对外的表现就是电容容量下降,电解液消耗的过多,甚至干掉,对外的表现就是内阻增加,发热加剧,发热增加会使电解液挥发的更快,电解液完全干枯之后,电容量就会降为0。电容就失效了。第三,漏电流,漏电流主要是因为氧化铝薄膜上的薄弱地方导电形成的。只要导电,结果就是生成气体和热量,当漏电流低于一定值的时候,生成的气体会被内部消化,有点类似于免维护蓄电池,另外生成的热量也不会使温度过高,不过一量高于这个标准,电容内部就HOLD不住了,内部压力会逐渐升高,温度也会逐渐升高,这个漏电容标准,大多数厂家都是I=0.03*C*U,这个公式在第六节用到过。
              当电容没有蓄电的时候,消耗电容寿命的主要是上段第二种反应。也就是说长期搁置不用的电容容量会减少。
              当电容蓄电的时候,对于电极的铝箔而言是最好不过的了,不过第三种反应会使电解液的消耗增加。
              当电容自身工作温度较高时,影响电容寿命的主要是第一种反应。
              当你了解到这些之后是不是觉得电容的命运非常可悲,基本上没有什么办法能阻止一颗电容的寿命走向衰亡。所以就对它好一点吧,不要反向充电和超压超温超负荷使用它。


              IP属地:陕西16楼2014-08-01 02:40
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                后面还有继续更,要看全文的建议点一下只看楼主的按钮。


                IP属地:陕西17楼2014-08-01 02:45
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                  9,前面两次谈到电容的耐压,这次再补充一点,关于电容的漏电流。。。以及大家经常关心的充到多少电压的事。。。
                  电容并非理想器件,都会自己消耗一定的电能,在储能这里主要讲的是漏电系数,前面己经提到多次了,这个值一般在0.03-0.05,一般而言,对于一个电容,漏电系数是随充电电压的上升而增大的,这个漏电系数一般标的是在额定电压范围内允许的最大值,漏电电流在一定范围内只转化为热量,再大的话还会产生气体,这样就会有爆炸的危险,标定的最高工作电压是指在这个范围以内,漏电流基本不产生气体,而且产生的热量也不会造成太高的升温以至于产生危险或严重影响电容寿命。。漏电电流和最高电压是有一定关联的两个参数,所以通常会把漏电电流标为定值,或不标,只标最高电压。。举例来讲,对于一个450V1000UF的电容,当把它充到400伏时,可以明显的感觉到它每秒电压都在掉,,不过当电压在200伏左右时,你会发现隔一天时间电压好像也掉不了多少,,这个过程中当然不能一直接着电压表,因为电压表会消耗电容的电。。
                  这一节最后再说说大家常说的电容能充到多少的问题,在之这前要先说说电容的充电器,通常电容充电器都非稳压电源,它需要能够在很大的电压输出范围内工作,不过在不同的电压点时的输出功率是不同的,一般在空载电压和0电压附近的功率接近0,而在空载电压一半值附近有最大的输出功率。。所以就会有电容漏电越大,最终能充的电压越低的情况,比如你的升压模块空载电压是500伏,在300伏时的输出功率为30瓦,而电容组在300伏时的漏电功率为40瓦,这种情况下就充不到300伏。或许只有280伏。。
                  那么有人又要说了,我的升压模块有调压功能,稳压跟这里讲的漏电其实是两回事,它还是受限于电容本身漏电流的,比如你的模块可以100-700伏调压,空载电压假如说800伏,那么它在700伏时候几乎肯定是没有多少输出功率的,假如说它最大输出功率200瓦,700伏时的输出功率或许只有20瓦,如果你的电容是1000UF,一般情况下,这么大的电容或电容组在700伏时的漏电流是肯定大于20瓦的,于是此时调压功能是失效的,它肯定充不到700伏。


                  IP属地:陕西30楼2015-03-29 01:16
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                    10。为什么铝电解电容的能量密度如此之高?电容器不都是两层金属层,中间一层绝缘膜么。。等体积或等重量的储能密度,电解电容几乎是薄膜电容的10-20倍以上,这一节就说说这其中的原因。物理课本上讲过,电容量和极板间距成反比,和极板面积成正比,和电介质的介电常数成正比,铝电解电容的密茺大是哪一方面比较牛逼呢?
                    极板间距吗?这一点铝电解电容确实有一定的优势,因为二氧化铝绝缘层是化学办法产生的,要生成厚度小于1微米,且两侧紧密贴合电极的绝缘层对于铝电解电容很容易实现,氧化铝绝缘层两侧的电解液就算是它的电极板了,而薄膜电容在这一块就没那么容易了,薄膜电容的有机绝缘薄膜最薄也只能做到10微米这个数量级,否则质量将很难控制。不过这也不是大问题,虽然薄膜电容的介电层厚了点,但是极板薄啊,通常只有几微米,卷绕以后的每一层厚度也是远小于铝电解的,每一层的厚度大约相差10倍左右,也就是一个数量级,比如铝电解的两层极板和中间介电层的总厚度0.5毫米,薄膜电容大约是0.05毫米。也就是说同样体积下,卷绕结构的这个面积,薄膜电容比铝电解高一个数量级,大约是10倍,这也就是等体积下,薄膜电容比铝电解贵的原因了。
                    介电层厚度是铝电解有优势,极板面积看上去是薄膜电容有优势 ,然后上网查了一下氧化铝和有机薄膜的介电常数好像都是3-5的范围没有明显差距,照此说来,薄膜电容应该跟铝电解的储能密度也差不多才对啊。。然而相信所有人都没有想到的事情是,铝电解电容在极板面积这一块“作弊”了,,,请看下图:

                    我们想象中的氧化铝介电层是平的,然而它不是。。通过这种办法,铝电解电容获得了大约10倍于铝箔面积的介电层面积。下图是电子显微镜下看到的表面和切面图:


                    薄膜电容的自我修复,只是保证内部不要短路,其容量是越修复越少的。而铝电解电容的自我修复在很长时间内是不影响容量的。现在想想看,也只有铝电解电容凭借其电解液强大的自我修复能力才能玩的转这种复杂的立体结构了。这种增加能量密度的办法显然是无法照搬到薄膜电容上面去。薄膜电容就算把表面做粗糙来增加表面积,也定然没办法做出来这么密而深的洞出来。


                    IP属地:陕西47楼2017-04-13 21:49
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