铝电解电容器的基本概念与应用

1引言   

11电容器的机理与电气功能  

  顾名思意,可以作这样的形象理解:所谓电容器(capacitor)就是能够储存电荷的“容器”。只不过这种“容器”是一种特殊的物质——电荷 (charge),而且其所存储的正负电荷等量地分布于两块不直接导通的导体板上。至此,我们就可以描述电容器的基本结构:两块导体板(通常为金属板)中 间隔以电介质(dielectric)。即构成电容器的基本模型。  

  了解了电容器的基本构造后,可能会产生这样的问题:电容从何而来?电容的物理意义为何?电容器的主要参数有哪些?电容器在电子线路中起哪些作用?下面我们将对上述问题一一作出解答。  

  众所周知,空间中的一个带电体具有两个电参数:电荷电量Q和电位势U。而这两者的比值(Q/U)表现出一种有趣的规律:这个比值仅与带电体本身 的尺寸、形状及其所处的空间环境有关,而与带电体所带电荷的多少无关。也就是说,带电体所带电荷与其电位势的比值表征了带电体及其周围环境所构成的系统的 一种固有属性,我们把此比值称为电容量,以C(=Q/U)来表示。电容量也可以理解为带电体(电位势一定的情况下)容纳电荷的能力。  

  我们通过两个例子来了解电容量C的计算方法:  

  (1)真空中孤立带电球(R=r0)的电容量如何计算?设孤立电荷的电量Q=q,其相对于无穷远处的电位势U=q/(4πε0r0),则其电容 量C=Q/U=4πε0r0。从计算结果可以看出,电容量只与带电体的本体尺寸,形状和所处的空间环境有关,而与所带电量无关。  

  (2)平行板电容器的电容量计算方法。所谓平行板电容器是指两块相对平行的金属板中间隔以相对介电常数为εr、厚度为d的电介质所构成的电子元 件。设平行板电容器储存的电荷Q=q,则正负极板的电荷分别为+q、-q,两极板间的电位差为u。平行板电容器可以看作是两个孤立带电体电容器串联构成。 设正极板相对于无穷远处的电位U+=u+,则负极板的电位U-=u+-u。正负极板具有的电容量分别为+q/u+,-q/(u+-u)。两者串联的合成容 量1/C=1/(+q/u+)+1/-q/(u+-u)=u/q,  

即C=q/u。由物理学的推导可以得出,u=4πdq/(εrε0S),所以C=εrε0S/4πdq。同样,电容量仅与其结构尺寸有关,而不依赖其带电量的多少。  

  电容量(Capacitance)、工作电压(operatingVoltage)、损耗因子(LossFactor)、绝缘电阻 (InsulatingResistance)等是标定电容器特性的基本电气参数。电容器的电容量、损耗因子通常以120Hz下数字电桥测定的数值为 准;绝缘电阻则是电容器隔离直流作用的数值化表征,希望电容器的绝缘电阻越高越好。表征电容器特性的参数还有:击穿电压 (BreakdownVoltage)、容许流通的最大纹波电流(Max.RippleCurrent)、使用温度范围 (OperationTemperatureRange)、容量温度系数(TemperatureCoefficient)、频率特性 (FrequencyCharacteristics)等。  

  电容器在电子线路中的作用一般概括为:通交流、阻直流。电容器通常起滤波、旁路、耦合、去耦、转相等电气作用,是电子线路必不可少的组成部分。 在LSIC、VLSIC已经大行其道的今天,电容器作为一种分立式无源元件仍然大量使用于各种功能的电路中,其在电路中所起的重要作用可见一斑。作贮能元 件也是电容器的一个重要应用领域,同电池等储能元件相比,电容器可以瞬时充放电,并且充放电电流基本上不受限制,可以为熔焊机、闪光灯等设备提供大功率的 瞬时脉冲电流。电容器还常常被用以改善电路的品质因子,如节能灯用电容器。  

12电容器的相关计算  

121电容器的容量  

  电容器的静电容量的计算公式可表达为:用字母可表示为:  

其中K=8.85×10-8μF/cm。  

  若干电容器并联,其合成容量等于各个电容器容量之和,即C=C1+C2+……+Cn。电容器并联可以增强其流通纹波电流的能力,扩展其在滤波、 旁路电路中的使用。若干电容器串联,其合成容量的倒数等于各个电容器容量的倒数和,即:1/C=1/C1+1/C2+……+1/Cn。电容器并联使用,相 应于增大了电介质的厚度,故可以提高其耐压能力,使用在工作电压较高的工作场合。  

122电容器存储的电能  电容器充电至端电压V时,此时再移动dQ=CdV的电荷所作的功为VdQ=CVdV,那么在电容器的整个充电过程 中,电容器储存的电能E即可表示为:;在整个充电过程中,电源消耗的电能为QV,所以为电容器充电,电源的能量利用率仅为50%。  

123充放电时电容器端子的电压与电流变化趋势  

  电容器通过定值电阻R充电时,电容器端子的电压、电流变化趋势为:  

  电容器通过定值电阻R放电时中,电容器端子的电压、电流变化趋势为:  

13电容器的分类  

  依据所使用的材料、结构、特性等的不同,电容器的分类也不同。在此,我们主要依据电容器特性原理的不同,将其分为两大类:化学电容器(chemicalcapacitor)和非化学电容器(nonchemicalcapacitor)。  

131化学电容器(ChemicalCapacitor)  

  化学电容器是指采用电解质作为电容器阴极的一类电容器。广义上讲,电解质包括电解液(electrolyte)、二氧化锰(MnO2)、有机半 导体TCNQ、导体聚合物(PPy、PEDT)、凝胶电解质PEO等。化学电容器又包含两大类别:电解电容器 (electrolyticcapacitor)和超电容器(supercapacitor)。  

  电解电容器是指在铝、钽、铌、钛等阀金属(ValveMetal)的表面采用阳极氧化法(AnodicOxidation)生成一薄层氧化物作 为电介质,以电解质作为阴极而构成的电容器。电解电容器的阳极通常采用腐蚀箔或者粉体烧结块结构,其主要特点是单位面积的容量很高,在小型大容量化方面有 着其它类电容器无可比拟的优势。目前工业化生产的电解电容器主要是铝电解电容器(Aluminiumelectrolyticcapacitor)和钽电 解电容器(Tantalumelectrolyticcapacitor)。铝电解电容器以箔式阳极、电解液阴极为主,外观以圆柱形居多;钽电解电容器采 用烧结块阳极,阴极采用半导体材料二氧化锰,外形多为片式(chiptype),适应于SMT技术需求的SMD。  

  超电容器一般采用活性炭(ActiveCarbon)、二氧化钌(RuO2)、导体聚合物(polymerConductor)等作为阳极,液 态电解质作为阴极。超电容器可以获得法拉级的静电容量,有利于化学电容器的超小型化,但是,其缺点是单体(cell)的耐电压有限,采用水系电解液 (AqueousElectrolyte),耐电压在1V以下,即便是采用非水系电解液(Nonaqueouselectrolyte),其耐电压一般 也不超过3V。确切地说,超电容器是介于电容器和电池(Battery)之间的储能器件,既具有电容器可以快速充放电的特点,又具有电池的储能机理——氧 化还原反应(Oxidationreductionreaction)。超电容器也可以分为两类:(1)以活性炭为阳极,以电气双层的机制储存电荷,通 常被称作电气双层电容器(ElectricalDoubleLayerCapacitor,EDLC);(2)以二氧化钌或者导体聚合物为阳极,以氧化还 原反应的机制存储电荷,通常被称作电化学电容器(ElectrochemicalCapacitor,EC)。  

132非化学电容器(NonchemicalCapacitor)  

  非化学电容器的种类较多,大都以其所选用的电介质命名,如陶瓷电容器、纸介电容器、塑料薄膜电容器、金属化纸介/塑料薄膜电容器、空气电容器、云母电容器、半导体电容器等。  

  陶瓷电容器采用钛酸钡、钛酸锶等高介电常数的陶瓷材料作为电介质,在电介质的表面印刷电极浆料,经低温烧结制成。陶瓷电容器的外形以片式居多,也有管形、圆片形等形状。陶瓷电容器的损耗因子很小,谐振频率高,其特性接近理想电容器,缺点是单位体积的容量较小。  

  以往的纸介电容器、塑料薄膜电容器多用板状或条状的铝箔作为电极,现在,大多采用真空蒸镀的方式在电容器纸、有机薄膜等的表面涂覆金属薄层作为电极。由于金属化形式的出现,该类电容器在小型化和片式化方面有了长足的发展,对电解电容器构成一定的挑战和威胁。  

  云母电容器采用云母作为电介质,其特点是电容器的可靠性高、容量的温度变化率很小,常被用来制作标准电容器。  

  半导体电容器大概分为两类:一类是由两块相接触的N型和P型半导体构成。众所周知,当N型半导体接正、P型半导体接负馈电时,电流不易流过PN 结,电荷即在PN结的两侧聚集,起电容器的功效。并且PN结的耗尽层会因外加电压的大小变化而改变其厚度,也即正负电荷层的间距会发生变化,故而表现出容 量随外加电压的变化而变化的特性:外加电压增大,容量减小。另一类被称为半导体陶瓷电容器。由掺杂金属La的N型半导体陶瓷—钛酸钡的两个侧面涂布银电 极,并焊接上端子而构成。银电极和半导体陶瓷的界面呈现整流特性:从银电极到半导体陶瓷,电流容易流通,反之则电流几乎不能流通。因而,当给两端子上外加 电压时,电荷会在某一界面的两侧聚集,表现出电容器的特点。  

2铝电解电容器——AluminiumElectrolytic  

Capacitor  

21铝电解电容器的结构特点  

  铝电解电容器的芯子是由阳极铝箔、电解纸、阴极铝箔、电解纸等4层重迭卷绕而成;芯子含浸电解液后,用铝壳和胶盖密闭起来构成一个电解电容器。同其它类型的电容器相比,铝电解电容器在结构上表现出如下明显的特点:  

  (1)铝电解电容器的工作介质为通过阳极氧化的方式在铝箔表面生成一层极薄的三氧化二铝(Al2O3),此氧化物介质层和电容器的阳极结合成一个完整的体系,两者相互依存,不能彼此独立;我们通常所说的电容器,其电极和电介质是彼此独立的。  

  (2)铝电解电容器的阳极是表面生成Al2O3介质层的铝箔,阴极并非我们习惯上认为的负箔,而是电容器的电解液。  

  (3)负箔在电解电容器中起电气引出的作用,因为作为电解电容器阴极的电解液无法直接和外电路连接,必须通过另一金属电极和电路的其它部分构成电气通路。  

  (4)铝电解电容器的阳极铝箔、阴极铝箔通常均为腐蚀铝箔,实际的表面积远远大于其表观表面积,这也是铝质电解电容器通常具有大的电容量的一个原因。由于采用具有众多微细蚀孔的铝箔,通常需用液态电解质才能更有效地利用其实际电极面积。  

  (5)由于铝电解电容器的介质氧化膜是采用阳极氧化的方式得到的,且其厚度正比于阳极氧化所施加的电压,所以,从原理上来说,铝质电解电容器的介质层厚度可以人为地精确控制。  

22铝电解电容器的性能特点  

  同其它类别的电容器相比,铝电解电容器的优越性表现在以下几个方面:  

  (1)单位体积所具有的电容量特别大。工作电压越低,这方面的特点愈加突出,因此,特别适应电容器的小型化和大容量化。例如,CD26型低压大 容量铝电解电容器的比容量约为300μF/cm3,而其它在小型化方面也颇具特色的金属化纸介电容器的低压片式陶瓷电容器的比容量一般不会超过 2μF/cm3。  

  (2)铝电解电容器在工作过程中具有“自愈”特性。所谓“自愈”特性是指介质氧化膜的疵点或缺陷在电容器工作过程中随时可以得到修复,恢复其应具有的绝缘能力,避免招致电介质的雪崩式击穿。  

  (3)铝电解电容器的介质氧化膜能够承受非常高的电场强度。在铝电解电容器的工作过程中,介质氧化膜承受的电场强度约为600kV/mm,这一数值是纸介电容器的30多倍。  

  (4)可以获得很高的额定静电容量。低压铝电解电容器能够非常方便地获得数千乃至数万微法的静电容量。一般来说,电源滤波、交流旁路等用途所需的电容器只能选用电解电容器。  

  当然,铝电解电容器也有以下显著缺点:  

  (1)绝缘性能较差。可以这样说,铝电解电容器是所有类别的电容器中绝缘性能最差的。对铝电解电容器而言,通常采用漏电流来表征其绝缘性能,高压大容量铝质电解电容器的漏电流可达1mA以下。  

  (2)损耗因子较大,低压铝电解电容器的DF通常在10%以上。  

  (3)铝电解电容器的温度特性及频率特性均较差。  

  (4)铝电解电容器具有极性。使用在电子线路中时,铝电解电容器的阳极要接电路中的电位高的点,阴极接电位低的点,才可能正常发挥电气功能。如果接反了,电容器的漏电流急剧增大,芯子严重发热,导致电容器失效,并有可能燃烧爆炸,损害线路板上的其它器件。  

  (5)工作电压有一定的上限。根据铝电解电容器介质氧化膜的特殊生成手段,其最高工作电压一般为500V,且发展潜力十分有限;而对其它非化学电容器而言,只要适当加厚其电介质的厚度,理论上的工作电压可以达到任意上限值。  

  (6)铝电解电容器的性能容易劣化。使用经过长期存放的铝电解电容器,不宜突然施加额定工作电压,而应逐渐升压至额定电压。  

  (7)传统铝电解电容器由于采用电解液作为阴极,在片式化方面存在较大的障碍,故其片式化进程落后于陶瓷电容器及金属化薄膜电容器。  

23铝电解电容器的电性能参数  

  铝电解电容器的额定容量接E6系列的优选数确定,即:  (N=0,1,2…5);共有6个数值:10,15,22,33,47,68。与E6系列相对应的允许偏差为±20%,但对通用的电解电容器而言,其正偏差常放宽至+50%。  

  铝电解电容器的损耗因子的定义为:在规定频率的正弦电压下,电容器所消耗的有功功率和无功功率的比值,即:    

其中,f为正弦电压的频率,C为在该频率下电解电容器串联模型的容量,r为电解电容器的等效串联电阻(ESR)。  

  铝电解电容器的漏电流通常定义为施加额定工作电压若干分钟以后流过电容器的电流。通常,铝电解电容器容许的最大漏电流可以用下式界定:  

  Il=KCU(μA)  

其中,C为电容器的容量(μF),U为所施加的直流电压值(V),K是与电容器类型有关的常数,通常的取值范围为0.01~0.1,低漏电流的系列品也有取值小于0.002的情况。  

  额定工作电压是指在规定的环境温度范围内所能施加到电解电容器上的最大直流电压值。按GB247281的规定,适用于电解电容器的额定电压序 列为:4.0,6.3,10,16,25,35,50,63,100,125,160,250,300,450,500,630。根据实际的需要,有时也 用到200V及350V的产品。  

3铝电解电容器面临的挑战与机遇  

  20世纪80年代,当LSI、VLSI蓬勃发展的时候,有人曾经对电容器的前景极为悲观,随后的事实证明,这些看法有一些杞人忧天的味道:自上 个世纪80年代中期起,电容器产业的年平均增长率均在20%以上,1993年全球电容器的销售产值已达130亿美元。铝质电解电容器的销售产值占整个电容 器产业的1/3多。但是,随着电子技术及材料制造工艺的进步,传统型铝电解电容器不仅受到电子技术发展的压力,也面临其它类别电容器挑战其龙头老大地位的 压力。  

  电子技术对电容器小型化、片式化的需求,使得传统铝电解电容器产业倍感压力。传统铝电解电容器采用电解液作为阴极,这使得其片式化进程受到极大 的阻碍。片式化通常采用迭层结构、树脂包封的形式,而如何将电解液完好地密封起来一直是铝电解电容器研发人员倍感头痛的事。钽电解电容器采用固态半导体材 料MnO2作为阴极材料,其片式化的进展颇为迅速,已经对铝电解电容器构成一定的市场威胁。  

  超大比表面积(2000m2/g~3000m2/g)炭纤维布工业化制造技术的成熟,使得近年来双层电容器的研发与制造迅速成长,并成为极低压 和低压铝电解电容器的一个有力的竞争对手。EDLC可以轻而易举地获得法拉级的容量,其储能密度高于铝电解电容器,因而在储能用的领域正在逐步打破铝电解 电容器的垄断地位,并有可能后来居上。  

  金属化纸介、金属化薄膜电容器的出现,使得纸介、塑料薄膜电容器在减小体积、增大比容量方面迈出历史性的一步。目前,金属化纸介、金属化薄膜电 容器小型化、片式化的发展较为活跃,并向低压小容量的铝电解电容器发出挑战。同样,片式陶瓷电容器由于中低温烧结技术的开发,垂直迭层工艺的发展,能够获 得的电容量范围也在逐步扩大,也在逐步蚕食低压小容量铝电解电容器所占的市场份额。  

  虽然铝电解电容器面临着前所未有的压力和挑战,但是也不必过于悲观地认定铝电解电容器已经穷途末路,必定要退出历史舞台。然而新技术、新材料的 发展,在给其它类别电容器带来发展机遇的同时,也必定会为铝电解电容器的创新突破打开方便之门。有机半导体材料、导电聚合物材料的出现及其合成技术的成 熟,已经为铝电解电容器的更新换代奠定了物质基础。将有机半导体材料、导电高分子材料用作铝电解电容器阴极的尝试,得到的频率特性、温度特性可以和片式陶 瓷电容器媲美,甚至高出固态铝电解电容器。另外,对于传统型铝电解电容器而言,在一段时间内不可相比的容量价格比仍足以使其维持主流产品的地位。