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1、 谈谈电解电容器及其应用和发展 汤国平 （西安电子科技大学 技术物理学院050841班 学号：05084009）摘要：电解电容器是固式电容器中的一种。目前我们常见的电解电容器有三大类，即铝电解电容器、铌电解电容器和钽电解电容器。一般的固定电容器是用两片同种金属材料作为极板，而电解电容器的两极板则是用不同的材料做成的。电解电容器的工作介质是一层极薄的金属氧化膜，它生长在某种金属上，而这个生长有氧化膜的金属为电容器的阳极，它与电路的正极相接。电解电容器的阴极是电解质。电解电容器的应用十分广泛，主要用于整流滤波、音频旁路、电源退耦等电路。当前电子技术无论在深度或广度上都在迅猛向前发展，电解电容器作为
2、电子元件的重要元件之一，有举足轻重的地位。关键词：电解电容器 有极性电解电容器 无极性电解电容器 电解电容器的应用电解电容器的发展一、引言：电解电容器与其它类型电容器相比，有许多显著的区别。电解电容器的工作介质很薄（一般可在10-2 10-3微米），而且极板面积可以扩大，所以其比率电容较其它电容器大，在工作电压低时尤为突出。由于电解电容器的比率电容大，目前只有它能提供最大的额定电容量。电解电容器有极性，使用时必须将其阳极接电源正极，其阴极接电源负极，否则会造成漏电流大，致使电容器损坏。电解电容器的绝缘质量差。电解电容器以其体积小和电容量大，在电子线路中占有重要的地位，但也要承认，它的漏电流较大
3、和容量稳定性较差，也使它在应用中受到一定限制。小尺寸、大容量、长寿命、耐高温、低等效串联电阻等仍是电解电容器的发展方向。二、电解电容器的结构特点和性能分析1、对于电解电容，以下是衡量品质的几个主要指标。电压：直流额定耐压值。峰值电压：能承受的直流电压尖峰值。容量：电解电容的电容量。偏差：容量的正负偏差值。漏流：在额定耐压下的漏电流值。纹波电流：一定温度下（比如40）时120Hz频率下的允许纹波电流，等效为电解电容的内阻。寿命：在一定温度下（比如85）电容不失效的工作时间。温度：工作温度范围（比如-55+105）。2、电解电容器按照引脚有无极性划分为两种，一是无极性电解电容，二是有极性电解电容。
4、按照材料划分，则有铝电解电容、钽电解电容、铌电解电容。在无极性电解电容中，按照用途划分，又有分频电容、S校正电容、普通无极性电解电容。有极性电解电容器的结构如图1所示。图a是电解电容外壳结构示意图，图b是功能结构示意图。 图1有极性电解电容结构示意图a) 内部结构 b)功能结构如图a所示，这是一个铝电解电容，分别用两层铝箔作为电容器的正负极板，在这正负极板上分别引出正负极性的引脚，在铝箔之间用电解纸隔开，然后将整个铝箔紧紧地卷绕起来，浸渍工作电解质（大多数为糊状液体），再用外壳密封起来。如图b所示，这种电解电容的介质就是氧化膜，它类似PN结，具有单向导电性。当电解电容的正极引脚接高电位，负极引
5、脚接地电位时，氧化膜处于阻流状态，正负极板之间电流很小，电解电容正常工作。当负极接高电位、正极接低电位时，氧化膜处于通流状态，像PN结正向导通一样，两极板之间电流很大，将失去电容器的作用。请注意，严重时还会发生爆炸。无极性电解电容结构电解电容具有体积小、电容量大、成本低的优点，但由于它的两根引脚有正负极性之分，使它的使用范围受到了限制，而无极性电容可克服这一不足。无极性电解电容又称双极性电解电容，图2是它的功能结构示意图。 图2无极性电解电容的功能结构示意图从图中可以看出，这种电解电容有两个氧化膜，且两个氧化膜一个为nip，另一个为pin，这样无论正极1还是负极2加有高电位，另一个引脚加有低电
6、位时，两个氧化膜始终是一个处于通流状态，另一个处于阻流状态，使两极板之间无大电流流过。由于采用了双氧化膜结构，使电解电容的引脚变成了无极性，同时又保留了电解电容的一些优点。3、电解电容器与其他类型电容器相比有明显的不同，大致有三点：电解电容器的工作介质是在一些金属（如铝、钽、铌之类）表面所生成都一层极薄的金属氧化膜，此层氧化膜介质完全与组成电容器的电极一端结合成一个整体，不能单独存在。而我们通常所认识的电容器介质则是由一种独立制造的绝缘材料（如电容器纸、有机薄膜、云母片和陶瓷片等）所构成，且需另加电极。电解电容器中生成氧化膜介质的金属是电容器的一个电极称为阳极，在极性电解电容器中是接入电路中应
7、用时的正极。电容器的另一极并非金属，而是所谓的“电解质”，它也可以为液体，也可是糊状、凝胶或者是固体，这是使电容器获得极高的工作电场强度以及保持产品工作可靠的必要条件，这一极称为电容器的阴极。为了使阴极能与外界电路相连接，又另以一金属与电解质相接触，这是电容器接入电路时的负极，仅起引出阴极的作用。4、电解电容器的主要特性有以下两点：一是漏电比较大，即漏电阻较小；二是大容量的电解电容高频特性不好。三、电解电容器的应用1、电解电容器以其体积小和电容量大，在电子线路中占有重要的地位，但也要承认，它的漏电流较大和容量稳定性较差，也使它在应用中受到一定限制。为此发展了钽电解电容器，以克服铝电解电容器性能
8、上的某些不足，并在近十数年中，在其性能上已有长足的进步，应用的领域在稳步扩大。它的应用分为下列几个方面：整流电源的滤波；能量的贮存和转换；讯号的旁路和耦合；特殊电路的应用。应用时应注意的共同事项有以下几点：注意极性电解电容器的极性不要接反。装外壳的电解电容器的负极总是和外壳相接的，通常在电路中外壳大都是接地，如有少数情况外壳不接地，则外壳外的一层绝缘套管必须绝缘良好。铝电解电容器经过长时期贮存后，不宜立即加额定电压，应在使用前，逐步升高电压，直到额定电压值。弯折或焊接电解电容器引线时不应太靠近产品引出端的根部处，对钽电容器尤应注意。2、电解电容器的应用十分广泛，这里举几个应用例子。电源滤波整流
9、电路 图3所示是常见的电源滤波电容。电路中，V1为整流二极管，C1为滤波电容，C2构成高频滤波电路。 图3 滤波电容电路整流二极管V1将50Hz交流电转换成50Hz（或100Hz）的单向脉冲性直流电，这种直流电中含有大量的交流成分，利用电容隔直通交的作用，让交流成分通过C1下地，而直流成分作为直流工作电压加到电路中。由于交流成分的频率较低，故C1的容量要求取值较大，一般取100F3300F，这么大的电容，只能选用电解电容。由于电容C1的容量很大，含有感抗特性，C1对高频干扰信号不能起很好的滤波作用，为此并联上一只小电容C2。C2容量较小，无等效电感，对高频干扰信号呈通路。这样，C1将低频交流成
10、分滤波，C2将高频干扰成分成分滤波。在电路中，C1的负极接地，因为V1输出的电压始终为正（相对地线而言）。若C1的正负极接反，C1将有爆炸弹危险。电容分频电路 图4所示是分频电容电路。由于扬声器电路汇总无直流电压只是交流信号（音频信号），它的极性在交替变化，故分频电容C1要采用无极性电解电容。图4 分频电容电路电路中，B1是低音扬声器，B2是高音扬声器。这一电路的工作原理是这样的：输入到扬声器电路中的信号是V1，V1中有低音、中音和高音信号，由于C1对中、低音信号灯容抗较大，故中、低音信号不能通过C1，而只能通过低音扬声器B1。对于高音信号而言，由于C1的容抗很小，而B1对高频信号灯感抗较大，
11、故高音信号经C1加到高音扬声器B2中。这样，低音扬声器重放中、低音信号，高音扬声器重放高音信号，实现两分频放音。C1起分频作用，即起着分开高音和中、低音信号的作用。3、电解电容器可以用作功率变换器的电源旁路电容器，也可应用于直流链和直流支撑，也可作为储能电容器应用在急剧放电中。电解电容器的应用实例有：应用于电车或电叉车以电车为例，如图5所示。 图5 电容器用于电池供电的直流支撑基本性能要求如下。工作电压：120VDC；允许的纹波电压：4Vrms；有效值电流：80Arms20kHz。在这种情况下，电容被用来退耦。如果选用铝电解电容器，由于铝电解电容器的波纹电流承受能力有限，可以选用每微法20mA
12、。这样，为了承受80mA有效值电流，最小电容量为在这个应用中，如果选用膜电容器，可以按纹波电压选择电容量，为159F。很显然，选择薄膜电容器可能更为合适。在直流链中电解电容器的应用现在我们来看轻型牵引的应用，如地铁、轻轨、电车等。电路示意如图6。经常会见到受电弓与接触网不时的打火花，这就是受电弓不断的与接触网重复着接触、断开过程。这时的直流支撑电容器的电压波形如图7所示。图6直流链支撑电容器应用电路 图7直流支撑电容器的掉电再上电的电压波形由图7可以看到，电压跌落的越多，过电压就越严重。在最开始上电时，由于直流支撑电容器上的电压为零，会产生接近2倍于直流链电压的过电压。因此需要在上电时对过电压
13、进行抑制，最简单的办法就是限制上电电流。四、电解电容器的发展电解电容器作为电子元件的重要元件之一，论数量占整个电容器行业的第二位仅次于瓷介电容器，论产值则占据首位，有着举足轻重的地位。近年来电子产品正在急剧的变化，轻型、薄型和小型化已是衡量产品受欢迎程度的重要标志。电解电容器肩负着大电容量的任务，但它又是难于集成化的元件，如何适应轻型、薄型和小型化的发展趋向，已成为电解电容器今后发展的重要课题。通用的电解电容器有着很多不足，促使了新产品的发展。这里介绍的有些产品在国外已不是新的了，而在我们还有待进一步发展和推广应用。1、 固体铝电解电容器这是一种以固体电解质代替液体电解质为阴极的电解电容器，也
14、就是将固体钽的热分解以及后续工艺移植到铝电解电容器中。目前国外大量生产的固体铝电容器是以腐蚀铝片或铝杆为基体的类型，国内也有这方面的新品故CD51型。其他还有铝箔卷绕及烧结铝粉型，后者在日本虽研制较久但亦未见有正式产品问世。2、 有机半导体固体电解质电解电容器固体钽或固体铝电解电容器所应用的阴极材料都是电子导电型半导体材料MnO2，可是热分解硝酸锰的被阴极层工艺也会带来不少缺点，如形成电压与额定电压的比值相当大，可达34，而且使产品的漏电流较大，工艺周期长等，长期以来都在寻找一种合适的代替材料。有机半导体固体电解质就是一种代替材料。它的优点就在于能从溶液里直接沉淀在氧化膜上，不需经过高温热分解
15、，所以对氧化膜没有损伤。3、 高频电解电容器现在这些新产品在国外已经不是新的了，已应用相当普遍并得到了应有重视，可是在我们虽有少量生产但远远没有得到应有发展。4、 双电层电容器双电层电容器又称为电化学电容器或离子电容器，实质上它不属于电解电容器行列，因为它的电解质不是阳极氧化膜，电极材料也不是阀金属。但其部分工艺与铝电解电容器形似，并且具有特大的电容量。它没有介质极化现象，工作原理是根据电化学基本原理即导体与电解质接触后，会在其表面产生稳定而符号相反的双层电荷，称为双电层，有如一平板电容器。日本在这方面居于领先地位，国内电子部49所也已研制出产品并有小批量生产。另外，铝箔电容器、钽箔电容器、液体钽电解质烧结钽电容器以及固体电解质烧结钽电容器等电解电容器在美国都有着很大的产量，且应用非常广泛。而且在固体铝电解电容器、钽薄膜电容器、铌电解电容器以及合金电解电容器等特殊电解电容器方面有着重要的发展和应用，美国在这些电解电容器的研制情况已经达到了世界先进领先水平。五、结论电解电容器的特点是体积小电容量大，且具有单向导电性，它的工作电压有一定的上限值，但
