铝电解电容器的基本概

铝电解电容器的基本概念 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（Operating Voltage）、损耗因子（Loss Factor）、绝缘电阻（ Insulating Resistance）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（Breakdown Voltage）、容许流通的最大纹波电流（Max. Ripple Current）、使用温度范围（Operation Temperature Range）、容量温度系数（Temperature Coefficient）、频率特性（Frequency Characteristics）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（chemical capacitor）和非化学电容器（non-chemical capacitor）。 1.3.1化学电容器（Chemical Capacitor） 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（electrolytic capacitor）和超电容器（super capacitor）。 电解电容器是指在铝、钽、铌、钛等阀金属（Valve Metal）的表面采用阳极氧化法（Anodic Oxidation）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（Aluminum electrolytic capacitor）和钽电解电容器（Tantalum electrolytic capacitor）。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（chip type），适应于SMT技术需求的SMD。 超电容器一般采用活性炭（Active Carbon）、二氧化钌（RuO2）、导体聚合物（polymer Conductor）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（Aqueous Electrolyte），耐电压在1V以下，即便是采用非水系电解液（Non-aqueous electrolyte），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 reduction reaction）。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（Electrical Double Layer Capacitor, 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（Electrochemical Capacitor, EC）。 1.3.2非化学电容器（Non-chemical Capacitor） 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——Aluminum Electrolytic 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。