固態(tài)導(dǎo)電高分子聚合物電解電容器在LED照明中的應(yīng)用

     摘要：本文介紹了固態(tài)高分子聚合物鋁電解電容器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，并就其在LED驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用作料說明

     關(guān)鍵詞：固態(tài)高分子聚合物鋁電解電容器 濕式鋁電解電容器  聚噻吩 

          液態(tài)電解液  LED驅(qū)動(dòng)器

    以導(dǎo)電高分子聚噻吩薄膜而不是以液態(tài)電解液為陰極的鋁電解電容器被稱為導(dǎo)電高分子聚合物固態(tài)鋁電解電容器，它除了具備傳統(tǒng)濕式鋁電解電容器的容量大、體積小、價(jià)格便宜外，還具有可靠性高、耐高溫、無電解液泄漏產(chǎn)生次生災(zāi)害，此外由于用聚噻吩膜的電導(dǎo)率（100S/CM)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)液態(tài)電解液（0.01S/CM），其作為鋁電解電容器的陰極大大改善了鋁電解電容器的特性，這種新型固態(tài)鋁電解電容器的出現(xiàn)很好的滿足了電子路的高速化高頻化的發(fā)展需要，在高頻開關(guān)電源，小型電子整機(jī)系統(tǒng)（如小型電子辦公設(shè)備、汽車數(shù)字化電路、攝象機(jī)及通訊設(shè)備等）中有著廣泛的應(yīng)用前景，同樣在LED驅(qū)動(dòng)器電源中亦有著廣闊的應(yīng)用前景。

   一、固態(tài)導(dǎo)電高分子聚合物鋁電解電容器（Solid  Pylomer Al electrolytic Capacitor,以下簡稱SPA電解電容器)結(jié)構(gòu)。

   作為鋁電解電容器大家族中的一支，SPA電解電容器仍然是以在鋁箔表面化成ALO為介質(zhì)，基金屬AL為正極，聚噻吩膜為陰極的一種鋁電解電容器，當(dāng)然為了制造和實(shí)際使用上的方便，SPA電解電容器包括有隔離紙。充當(dāng)導(dǎo)電極的負(fù)箔（鋁箔表面涂有石墨層的），包覆件、密封件這樣的卷繞式結(jié)構(gòu)與濕式卷繞式鋁電解電容器的結(jié)構(gòu)基本相同，基本結(jié)構(gòu)的示意圖如圖一

聚噻吩膜在隔離紙中也有形成，與負(fù)極箔表面的石墨層相連，呂箔涂石墨是為了和聚噻吩膜行成良好的電學(xué)接觸。

與濕式卷繞式鋁電解電容不同的有兩點(diǎn)：

?負(fù)極箔表面涂有碳層導(dǎo)電（石墨）這僅為了使物理上的陰極（聚噻吩薄膜）與鋁箔之間形成良好的接觸而采取的工藝措施，無別的意義。

?物理學(xué)意義上陰極液態(tài)電解液變成了固態(tài)的聚合物充滿了正極箔上的AeO氧化層孔洞中。

以上兩個(gè)差異點(diǎn)中第二點(diǎn)是造成濕式鋁電解電容與SPA電解電容性能不同的主要原因。

一般液態(tài)電解液的導(dǎo)電是依靠溶質(zhì)（一般是鹽類）在溶劑中溶解發(fā)生電離，產(chǎn)生正負(fù)離子，液態(tài)電解液離子的在電場作用下受力定向移動(dòng)而導(dǎo)電，故電解液的導(dǎo)電能力受溶質(zhì)在溶劑中的溶解度影響較大，而溶質(zhì)在溶劑中的溶解度受溫度影響變化較大，故濕式鋁電解電容器特性受溫度影響變化較大。再一點(diǎn)離子質(zhì)量大在溶液中運(yùn)動(dòng)慣性大，受到的碰撞多，故鋁電解電容器的特性受所加電壓的頻率變化較大。

與液態(tài)電解液區(qū)別最大的是高分子聚噻吩是一種具有導(dǎo)電性的聚合物，其結(jié)構(gòu)上擁有延長共軛雙鍵，離域π鍵電子不受原子束縛能在聚合鏈上自由移動(dòng)，經(jīng)過摻雜之后可移走電子產(chǎn)生空穴，或添加電子，使電子或空穴在分子鏈上自由移動(dòng)，從而形成導(dǎo)電分子，即聚噻吩導(dǎo)電是電子型導(dǎo)電，這才是固態(tài)高分子導(dǎo)電聚合物電解電容器的有根本的區(qū)別原因。

二、與濕式鋁電解電容器相比，SPA電解電容器有以下5個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：

   1、由于SPA是電子導(dǎo)電，聚合物膜具有良導(dǎo)體的性質(zhì)，故SPA的ESR相比同規(guī)格體積的濕式鋁電解電容器，其ESR要小幾個(gè)數(shù)量級，可達(dá)mΩ級。

   2、作為電解液充當(dāng)物理學(xué)負(fù)極的聚噻吩膜的電導(dǎo)率很高，ESR得到了極大的改善，同時(shí)因電子質(zhì)量很小，故其在電場作用下運(yùn)動(dòng)速度相比離子要快很多，故SPA的頻率特性接近薄膜電容器。

   3、由于SPA的ESR與濕式鋁電解電容器相比極小，故在相同（與濕式鋁電解電容器）紋波電流的情況下其發(fā)熱量也較少，相比而言更能承受比較大的紋波電流。

   4、穩(wěn)定的溫度特性，在較寬頻率范圍的有穩(wěn)定的頻率特性。

   5、一只SPA電解電容器的耐紋波能力（額定紋波電流）和ESR相當(dāng)于7到9只相同規(guī)格體積的標(biāo)準(zhǔn)濕式鋁電解電容器相并聯(lián)，這在某些情況下是一種節(jié)省成本的好方法，減少電解電容器的用量不僅減少了成本，更是節(jié)約了空間，在機(jī)器設(shè)備小型化，便攜化的今天，這點(diǎn)是更有重大意義。

三、以上幾點(diǎn)優(yōu)勢使SPA在開關(guān)電源，汽車數(shù)字化電路中得到廣泛的應(yīng)用，同樣的也在LED驅(qū)動(dòng)器中大有做為。

    LED驅(qū)動(dòng)電路作為開關(guān)電源的一支，有其自身的特點(diǎn)，作為LED照明的戶外路燈照明在氣候寒冷的北方冬天往往會(huì)發(fā)生路燈不能工作或不工作的現(xiàn)象，窮其原因使用濕式鋁電解電容器是造成這個(gè)問題的原因之一。

大多數(shù)有源驅(qū)動(dòng)的IC工作的供電是以圖a所示方式獲得。

當(dāng)母線上加上工作電壓E時(shí)，通過電阻RR對C充電，當(dāng)C上的電壓高于IC的國值電壓時(shí)，C對IC第8腳放電，IC開始工作，驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，變壓器里同時(shí)感應(yīng)出高頻電壓，經(jīng)二極管整流通電，C濾波提供給8腳啟動(dòng)時(shí)，C上的電壓變化波形如圖2.

顯然C耐壓的選擇以至少要大于IC的最高工作電壓。

容量的選擇要考慮兩個(gè)因素，1、是啟動(dòng)時(shí)間，2、容量大

通電瞬間RR對C1充電時(shí)間（R+R)C`就大，燈要延遲啟動(dòng)， 因C1上的電壓大于IC的閾值電壓時(shí)要對IC放電，C1容量過大，放電的能量也就大，長期使用可能會(huì)造成IC損傷，壽命縮短，這是用戶不希望的，故C不能選取的能量過大，C的容量若小，當(dāng)其上電壓達(dá)到IC的閾值電壓，C1容量過小，放電的能量也就小，當(dāng)環(huán)境溫度很低時(shí)，從C1的容量就變小，此時(shí)IC 

                                  圖2

就可能不工作，或工作不正常，造成燈不亮或閃爍。選用SPA電解電容的出現(xiàn)化解了這個(gè)矛盾，因SPA電解電容有良好的溫度特性，也就是說其容量隨溫度變化小，穩(wěn)定。其溫度特性如圖3：

                      圖3

選用SPA電解電容器合理的容量就可以保證常溫和低溫下的正常起動(dòng)又不會(huì)對ic 造成傷害！

  LED驅(qū)動(dòng)器中大多數(shù)是采用將市電整流濾波再逆變成高頻再變壓整流供發(fā)光管使用的工作方式，對高頻變壓整流之后電壓仍需要濾波，此時(shí)，高頻整流之后電壓中且含有高頻交變成分，如果不能很好的濾除則輸出的直流電壓中有大量的紋波和噪聲存在，會(huì)使LED發(fā)光不穩(wěn)定，為了消除這些紋波，都在LED驅(qū)動(dòng)器輸出端大量使用濕式鋁電解電容器來濾波。

  由于濕式鋁電解電容器固有的液態(tài)電解液是離子導(dǎo)電，故其頻率特性較差，在頻率較高場合下使用容量要大幅衰減，損耗大幅上升（濕式鋁電解電容器一般用于頻率低于100KHz的場合濾波），考慮到這些因素LED驅(qū)動(dòng)器輸出端濾波因濕式鋁電解電容器容量一般選取都較大，一般在幾百~幾千微法，這些帶來體積大，發(fā)熱多的弊端，也可能因環(huán)境溫度的變低，造成LED發(fā)光不穩(wěn)定的現(xiàn)象，一般的LED輸出濾波電路如圖4.

                                   圖4

圖中C1-C2-470μF/50V ,為·濕式鋁電解電容器，輸出端上的電壓如圖5：

                          圖5

     將C1和C2換成220μF/50V的SPA電解電容器，其他的條件一律不變，則輸出端的電壓如圖6

                         圖6

圖5 圖6相比較電壓有效值相差不大，（圖6中有效值比圖5中的有效值大0.4V)圖5中的峰峰值15.2V大于圖6中的峰峰值14.0V，這說名雖然SPA電解電容器容量小了，但濾波的效果更好，除此而外，由于SPA電解電容器的ESR相比濕式鋁電解電容器要小很多，故在相同紋波電流下溫升就低，這對長壽命的LED 驅(qū)動(dòng)器很重要。

由上面的例子可以看出相比濕式鋁電解電容器，LED 驅(qū)動(dòng)器中高頻部分更宜用固態(tài)導(dǎo)電高分子聚合物鋁電解電容器。

  參考文獻(xiàn)：（（PA-CaP聚合物固體片式鋁電解電容器在開關(guān)電源中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)））福建國光電子科技有限公司：陳由雄  《世界電子元器件》》

                                                 2005  11