电解电容器的特性与应用

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电容器一般是由两个电极夹着一个绝缘体构成。绝缘体也叫介电材料，学术上叫电介质。当电容器的两个电极接上电源时，电介质被电源电压产生的电场所极化。由于电介质被极化而在介质表面产生极化电荷，也叫束缚电荷。为了抵消束缚电荷所产生的极化电场在极板上感应的自由电荷相应增加。这就是电容器的充电过程，或者叫电容器储电过程。电容器中储存的电量Q等于电容量C与电极间的电位差U的乘积。而电容器的电容量与极板面积和电介质的介电常数ε成正比，与电介质厚度（即电极间的距离）成反比。

电容器一般有陶瓷电容器、有机薄膜电容器和电解电容器三大类。陶瓷电容器、有机薄膜电容器都是用电介质材料直接命名，而电解电容器则是用一种工艺的名称来命名。正因为此，电解电容器具有与陶瓷电容器、有机薄膜电容器完全不同的特性。电解电容器根据所应用的阀金属材料的不同而分为铝电解电容器和钽电解电容器。

1 电解电容器的基本构造特征

电解电容器的内部结构与陶瓷电容器、有机薄膜电容器相比有明显的不同，大致有三个特征：

（1）电解电容器的电介质是在（如铝、钽、铌之类）阀金属表面上通过电解过程所生成的一层极薄的金属氧化膜（可以小到纳米级），此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，它不能单独存在。而陶瓷电容器、有机薄膜电容器的电介质则是由一种独立制造的绝缘材料（如有机薄膜、陶瓷片等）所构成。

（2）电解电容器中生成氧化膜电介质的阀金属是电容器的一个电极称为阳极，也即在极性电解电容器中是接入电路中应用时的正极。电解电容器的另一极并非金属，而是所谓“电解质”（注意电解质不是电介质），它可以为液体，也可为糊状、凝胶或者是固体，这是使电解电容器能够承受极高的工作电场强度以及保持电容器可靠工作的必要条件，这一极称为电容器的阴极。

（3）为了使阴极能与外界电路相连接，又以另一金属与电解质相接触，这是电解电容器接入电路时的负极，它仅起引出阴极的作用。

为了防止电解电容器的阳极和阴极短路，有时需要在两者之间添加电解电容器纸，又称电解电容器隔膜纸。铝电解电容器和钽电解电容器的结构示意图如图1所示。

2 电解电容器的性能特点

电解电容器结构上的特殊性决定了它在性能上有许多独特之处，现简述如下：

（1）单位体积内所具有的电容量特别大，即比容量非常高。电容器的电容量C=ε0·εr·S/d，ε0是真空电容率，εr是电介质的相对介电常数，S是电极的有效面积，d是电介质的厚度。对于电解电容器，d=α·Vf，α是电介质的形成常数，Vf是电介质的形成电压。由于α一般为nm/V级别，因此，电解电容器的电介质厚度一般比陶瓷电容器、有机薄膜电容器小一个数量级以上。另外，铝电解电容器的阳极箔通过电化学腐蚀后其表面积提高数十甚至百倍，钽电解电容器通过金属粉末烧结获得的阳极体同样具有极高的比表面积。因此，电解电容器的比电容量比其它电容器高一个多数量级。

（2）在电解电容器的工作过程中，它的阴极即电解质具有自动修补或隔绝氧化膜中的疵点的性能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，这种性能称为自愈特性。

（3）工作电场强度非常高。由于电介质的形成系数α一般为nm/V级别，它的倒数就是电介质的工作场强，约达几百kV/mm；这约是陶瓷、有机薄膜工作场强的几十倍。

（4）可以获得很大的额定电容量。铝电解电容器通过铝箔卷绕方式可以方便实现的体积，因此，可以获得非常大的额定电容量。比如，在较低的工作电压范围内，可以方便地获得法拉级数值的电容量，即使高压电解电容器也可以很容易获得数千微法的电容量，这是其它电容器无法实现的。

（5）具有单向导电性，即所谓有“极性”。应用时应按电源的正、负方向接入电路。电解电容器的阳极（正极）接电源的“+”极，阴极（负极）接电源的“—”极；如果接错不仅电解电容器发挥不了作用，而且漏电流很大，短时间内芯子就会发热，破坏氧化膜，随即失效损坏。如果需要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。可以采用一种称为“双极性”的电解电容器就是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，不仅容量减少一半，而且总体也随之增加。“双极”电解电容器仅是改变了电容器的结构，并没有改变氧化膜的单向导电本质，这也是电解电容器的不足。

（6）工作电压有一定的上限。由于电解电容器的电介质是通过电解过程形成的，其形成电压不能无限升高，而电解电容器的工作电压必须小于电介质的形成电压，因此，电解电容器的工作电压有一定限制。例如单个铝电解电容器的工作电压一般最高值为700 V，而固体钽电解电容器的上限值为150 V。

（7）绝缘性能较差。由于电解电容器电极的比表面积比其它电容器高数十倍，且其工作场强同样高数十倍，因此，电解电容器的相对绝缘性能比其它电容器差。但并不妨碍电解电容器的大量使用。

（8）损耗角正切值较大，而且温度、频率特性亦差。主要是由于电解电容器的一个电极是电解质，其电导率较低，导致其等效串联电阻较大；另外由于电解电容器电容量较大，因此其损耗角正切值较大。如果采用液体电解质作阴极，由于液体材料受温度变化影响大，电解电容器的温度特性较差。同时液体电解质中离子迁移率较低，电容量大，因此频率特性也较差。

（9）铝电解电容器易老化，性能的可靠性将逐年下降。这也是与所使用的液体电解质等原材料有密切的关系。如果采用固体电解质，老化性能会得到明显改变。

（10）铝电解电容器最大的特点是容量大、价格便宜。

3 电解电容器的技术进展

电解电容器近年来得到了快速发展，不仅仅是销售量极大增长、电性能简单提高，而且其结构、种类和应用范围都得到极大发展。

电解电容器的工作电压一般为6.3 V、10 V、16 V、25 V、35 V、50 V、63 V、80 V、100 V、160 V、200 V、250 V、330 V、400 V。目前电压分别向两端发展，低压拓展到2 V，高压拓展到700 V。