第二章 电解电容器

电解电容器
2.1.1电解电容器的基本概念
随着电子技术的发展，不仅要求高集成度的电路，对电子元器件也提出了更高的要求，电容器作为其中一成员，电子技术对电容器有小型化、片式化、高质量的需求。

因此一种电容量大、体积小、且价格便宜的电容器随着电子技术的发展应运而生。

电解电容器是指在作为阳极的阀金属（ValveMetal ）的表面采用电化学方法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。

阀金属是指在它上面能生成一层致密且绝缘性能良好的金属氧化膜的一类金属，并具有如阀门那样的单向导电性，如铝、钽、铌和钛等之类的金属。

电解质是指在水溶液中或熔融状态下能导电的化合物，也就是在水溶液中或在熔融状态下能电离的化合物。

他们主要是酸类、碱类和盐类。

在电解电容器制造中为形成铝箔用的电解液和作为阴极的电解液都是电解质溶液，为了区别电解液作用不同而将前者成为形成液，后者称为工作电解液。

电解质能导电的能力类似与金属，但这两类导体之间的差别在于传送电荷的方
式。

在金属导电中，电流是由电子传送的，导电体不发生任何化学变化，但在电阴极
阳极（阀金属）
解质溶液导体中，电流是由带正电荷的离子（即正离子）和带负电荷的离子（即负离子）传运的。

这种溶质在熔融状态下也能导电。

表征电解质溶液导电能力的大小，用电导率σ来表征。

σ又称比电导。

电解质溶液的电导率与溶液温度及电解质的浓度、种类和性质有关。

σ定义为：长为1米，截面积为1m2 液柱电阻的倒数，其单位是西门子每米（s/m）或（Ω〃cm）-1。

电介质：在通常条件下，导电性能极差的物质。

电介质的极化：极化电荷：不能在电介质内自由移动，也不能离开电介质表面的电荷。

电介质的极化现象：在外电场作用下，电介质分子的电偶极子趋于外电场方向排列，结果在电介质的侧面出现极化电荷的现象。

2.1.2电解电容器的结构特点
电解电容器的内部结构与其他类型电容器相比，表现出如下的明显特点：
a.电解电容器的工作介质是在一些金属表面所生成的一层极薄的金属氧化膜，这层氧化膜介质完全与组成电容器的一端电极结合成一个整体，不能单独存在。

b.电解电容器的导电极板有极性之分，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用时的正极。

电容器的另一极并非金属，而是电解质。

它可以为液体，也可为糊状、凝胶或者固体，这是使电容器获得极高的工作电场强度以及保持产品可靠性的必要条件，这一极称为电容器的阴极。

c.为了使电容器的阴极与外电路相接，又以另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。

2.1.3电解电容器的性能特点
电解电容器结构上的特征决定了电容器在性能上的独特之处:
(1)单位体积内所具有的电容量特别大，即比容量非常高。

因为增加了电容器两极板的有效面积。

电解电容器中增加极板有效面积的方法是，将正极的铝箔腐蚀得非常粗糙的腐蚀箔或者将钽金属粉烧结成块状结构以尽可能增加表面积，中间的介质氧化膜是随金属电极的粗糙度的变化而变化。

阴极则是液体，使得正负电极在粗糙表面下严密接触，实现极板面积的有效增加。

(2)自愈特性。

在电容器的工作过程中，自动修补或隔绝氧化膜中的疵点，使氧化膜介质随时得到加固和恢复其应有的绝缘能力，而不致遭到连续的累积性破坏。

铝电解电容器的自愈原理：依赖工作电解质提供氧的负离子（02-），能自动修补
Al
2O
3
膜中的疵点、缺陷，使得该处的绝缘性能随时得到修补和改善，提高产品
的耐压特性。

钽电解电容器的自愈原理：当氧化膜上有疵点导致介质击穿时，该处短路局部电
流很大，这样局部发热引起二氧化锰发生化学变化，生成导电能力差的Mn
2O
3
，
使短路处的电阻大大增加，使它与其它区域产生电隔离，而不具有修补氧化膜的能力。

(3)工作电场强度高。

由于氧化膜的厚度非常薄，E=U/d v/mm,所以可以承受的电场强度非常高。

(4)具有单向导电性，即有“极性”。

电容器的阳极接电源的“+”极，阴极接电
源的“-”极，若接错，电容器不能发挥作用，而且漏电流很大，短时间内芯子发热，破坏氧化膜，导致失效损坏。

双极性电解电容器：短期应用在完全是交流电源或交流成分较强的直流电路中。

结构原理：将阴极引出箔换成与具有氧化膜的阳极相同的电极，这样实际上是两个电解电容器背对背串联的结构，容量减少一半，而且总体积也随着增加。

(5)绝缘性能较差。

衡量电解电容器绝缘质量的优劣，不是像陶瓷介质和有机介质电容器那样采用绝缘电阻或时间常数（τ=CR）来表示。

由于电解电容器绝缘性能较差，一般用漏电流I
的大小来表征绝缘性能。

造成绝缘质量较低的原因
LC
在于，其极薄的介质氧化膜是通过电化学方法来制备的，性能极易受原材料的纯度、工艺因素和工艺卫生等因素的影响而变化。

(6)损耗角正切值较大，而且温度、频率特性较差。

2.1.4电解电容器的类型
电解电容器的种类繁多，因此，其分类可以从不同角度来进行：
a .按阀金属种类分类：有铝电解电容器、钽电解电容器和钽铌合金电解电容器等。

铝电解电容器的字母代号为CD，钽电解电容器的字母代号为CA。

b. 按电解质状态分类：有液体（湿式）电解电容器和固体电解电容器。

c. 按阳极呈现的状态分类：有箔式卷绕型电解电容器和烧结型电解电容器。

d.按工作电压的高低分类：工作电压的高低也仅是彼此相对而言。

大致按电压可分为：低压、中压、及高压；铝电解电容器：低压指4~63v，中压指100~300v，高压300v以上：固体钽电解电容器：高压指63v及以上，低压为6.3~25v。

e. 按使用温度范围分类：常温（-40℃~+85℃）、高温（105℃以上）、宽温（-85~+125℃）。

当然，也可以按用途，外形封装形式，性能来分类。

这里主要介绍用途最广的通用型箔状湿式铝电解电容器。

2.2铝电解电容器——Aluminium Electrolytic Capacitor
2.2.1铝电解电容器的组成结构
通用型铝电解电容器的基本结构是箔式卷绕型的结构。

其简化结构示意图如图1-1所示，它形象地描述了铝电解电容器的基本组成。

阳极为铝金属箔，电介质
是用电化学方法在阳极金属箔表面上形成的阀金属氧化膜Al
2O
3
，阴极则为多孔
性电解纸所吸附的工作电解液。

正负箔之间是以浸渍电解液后的电解纸做为分离层；其外部是由橡胶塞和铝壳组成,目的是为了保护内部的素子和抑制电解液挥发,保证产品寿命，如图1-2所示；图1-3为芯子内部结构。

2.2.2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、相交叠经过卷绕形成芯子，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Al
2O
3
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几何面积，同时氧化铝电解质是小于微米的厚度，因此得到的电容器有巨大的板面积和非常近的极板距离，这也是铝质电解电容器通常具有大电容量的一个原因。

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。

2.2.3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，尽可能的减小铝电解电容器的缺陷。

（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。

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。

由于电容两极之间的介质不是绝对的绝缘体，它的电阻不是无限大，而是一个有限的数值，一般在1000兆欧以上，电容两极之间的电阻叫做绝缘电阻，或者叫做漏电电阻，大小是额定工作电压下的直流电压与通过电容的漏电流的比值。

漏电电阻越小，漏电越严重。

电容漏电会引起能量损耗，这种损耗不仅影响电容的寿命，而且会影响电路的工作。

因此，漏电电阻越大越好。

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
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X n -==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。

2.2.4铝电解电容器的电性能参数
铝电解电容器通常用电容量C R 、损耗角正切tan δ、漏电流I LC 、额定工作电压
U R 和等效串联电阻ESR 这五大参数来表征其常规的电气性能。

1.标称电容量（Nominal Capacitance ）C R
标称电容量指在25℃，测试频率为120Hz 时所测得的电容量，电容量与金属（铝箔）相对面积及介质常数成正比，与两极间距离成反比。

C=εA / d 。

电容器上标有的电容数是电容器的标称容量，是设计容量的名义值。

它与实际制造出来的电容器的实际容量有一定的偏差，这种偏差称为电容量允许偏差。

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…5,6)；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％。

这些数值中任一数值的+20%误差极限必然与上一数值的-20%误差极限相衔接。

这给生产带来了很大的便利，即生产处某一电容量的产品，必然落入某一标称容量范围内。

允许偏差和文字符号如下：
K（±10%）, M（±20%）,Q(-10%~+30%),T(-10%~+50%),U(-10%~+75%),R(-10~+100) 2.损耗角正切tanδ
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。

在等效电路中，串联等效电阻ESR同容抗1/ wC 之比称之为Tan δ，测量条件与电容量相同。

tanδ =r/ (1/wC)= wC r，其中：r=ESR（120
Hz）；w=2πf ；f=120Hz。

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）
tan δ随着测量频率的增加而变大，随测量温度的下降而增大。

3.漏电流I
LC
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：
I
=KCU(μA)
Lc
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。

电容器的介质对直流电具有很大的阻碍作用。

然而，由于铝氧化膜介质上浸有电解液，在施加电压时，重新形成以及修复氧化膜的时候会产生一种很小的称之为漏电流的电流，刚施加电压时，漏电流较大，随着时间的延长，漏电流会逐渐减小并最终保持稳定。

漏电流随时间变化特征图
漏电流与施加电压的大小、环境温度的高低和测试时间的长短都有密切关系。

漏电流会随着温度和电压的升高而增大。

漏电流与测试时间、施加电压和环境温度的关系如下图所示：
4.额定工作电压U R
额定工作电压是指在规定的环境温度范围内，可以连续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。

5.
等效串联电阻ESR t
I LC
U2 U1 U1( ＜ )U2 t I LC U2
U1 U1( ＜ )U2
ESR= tan δ/2πf C
等效串联电阻的组成（电极电阻+电解质电阻+介质损失）：①氧化膜介质损耗的等效串联电阻②代表工作电解液的等效串联电阻③代表金属电极、引出线以及接触电阻等组成的电阻。

2.2.5主要电气参数
1.阻抗
L j C
j ESR Z ωω++=1 Z 22)fL 2fC 21(
ππ-+=ESR 当0f L 2f C
21=-ππ时，所得的阻抗值便为等效串联电阻，此时阻抗最小。

有LC
121f π=，指个频率即为电容器的谐振频率或固有频率。

2.频率特性
①C ，tan δ~f 的关系
低频段，构成电容器的介质，其电偶极子能跟得上外加电场频率的变化，这样介质极化率就大，其极化对容量的贡献就大，且损耗也小；高频段，与上述相反，随着频率的提高，介质偶极子极化跟不上外加电场的变化，C 下降，tan δ增加。

如下图
②Z~f 的关系
由于固有电感的影响，是阻抗Z 的频率特性曲线存在“U ”行特性
低频段，显容性。

高频段，显感性，电感由电流流过金属电极、引线和金属外壳是形成。

如下图3.影响漏电流大小的因素
原材料纯度
工作电解液
制造工艺条件：老练工艺和工艺卫生
施加电压的大小和时间
温度
贮存时间
4.抑制漏电流回升的对策
选高品质工作电解液
选高品质的阳极箔或形成电压高或腐蚀系数小
延长老练时间和改变老练方法
加强原材料检验
提倡文明生产
正极引线采用化成引线，特表是小容量
适当加严漏电流出厂内控指标。