電解電容器詳解

一：基本定義

1、電容器-由兩個導電極板，中間放置著具有介電特徵的物質所組成的分立元件。

2、電解電容器——

鋁電解電容器是有極性的電容器，它的正極板用鋁箔，將其浸在電解液中進行陽極氧化處理，鋁箔表面上便生成一層三氧化二鋁薄膜，其厚度一般為0.02 - 0.03μm。這層氧化膜便是正、負極板間的絕緣介質。電容器的負極是由電解質構成的，電解液一般由硼酸、氨水、乙二醇等組成。為了便於電容器的製造，通常是把電解質溶液浸漬在特殊的紙上，再用一條原態鋁宿與浸過電解質溶液的紙貼合在一起，這樣可以比較方便地在原態鋁箔帶上引出負極，如圖 (a) 所示。將上述的正、負極按其中心軸卷繞，便構成了鋁電解電容器的芯子，然後將芯子放入鋁外殼封裝，便構成了鋁電解電容器。為了保持電解質溶液不洩漏、不乾涸，在鋁外殼的口部用橡膠塞進行密封，如圖(b) 所示。

兩個極板有陽（正）極和陰（負）極之分，其中作為陽極的是採用特定的閥金屬，並在該金屬表面上籍助於電化學方法生成一極薄且具有單向導電性的氧化膜作為介質，而陰極通常是採用能生成和修復介質氧化膜的液狀或固狀的電解質，這樣一種特殊結構和特殊工藝製造的電容器。

為了獲得較大的電容量且體積又要小，在正極鋁箔的一面用化學腐蝕方法形成凸凹不平的表面，使電極的表面積增大，從而使電容量增加。鋁電解電容器之所以有極性，是因為正極板上的氧化鋁膜具有單向導電性，只有在電容器的正極接電源的正極，負極接電源的負極時，氧化鋁膜才能起到絕緣介質的作用。如果將鋁電解電容器的極性接反，氧化鋁膜就變成了導體，電解電容器不但不能發揮作用，還會因有較大的電流通過，造成過熱而損壞電容器。為了防止鋁電解電容器在使用時發生意外爆炸事故，一般在鋁外殼的端面壓制有向槽式的機械薄弱環節，一旦電解電容器內部壓力過高，薄弱環節的溝槽便會開裂，進行世壓防爆。

無極性（雙極性）電解電容器採用雙氧化膜結構，類似於兩隻有極性電解電容器將兩個負極相連接後構成，其兩個電極分別為兩個金屬極板（均粘有氧化膜）相連，兩組氧化膜中間為電解質。有極性電解電容器通常在電源電路或中頻、低頻電路中起電源濾波，退耦（ǒu）、信號耦合及時間常數設定、隔直流等作用。無極性電解電容器通常用於音響分頻器電路、電視機S校正電路及單相電動機的起動電路。

二：電氣參數

鋁電解電容器常用標稱：電容量（C）、損耗角正切（tgδ）、漏電流（I）、額定工作電壓（U）、阻抗（Z）

1、電容量：是指在電容器上標明的電容量值，是設計容量的名義值。

2、損耗角正切：用於脈動電路中的鋁電解電容器，實際上要消耗一小部分有功的電功率，這可用損耗角正切來表徵，它是電容器電能量損耗的有功功率與無功功率之比。對於電解電容較常採用串聯等效電路，如圖1-1所示，則其損耗角正切tgδ為

3.漏電流：

漏電流：當對電容器施加直流電壓時，將觀察到充電電流的變化：開始很大，然後逐漸隨時間而下降，但並不等於零，而是達到某一終值後，趨於穩定狀態，這一終值稱為漏電流。

漏電流ILC 是電解電容器五大電參數之一，用來表徵電解電容器的絕緣質量。與施加電壓的大小、環境溫度的高低和測試時間的長短都有密切關係，故在規定漏電流值時必須標明其測試時間「t」、施加電壓「U」和環境溫度「T」的大小。ILC 與測試時間（即施加電壓時間）、施加電壓大小和環境溫度之間的關係如圖1-2所示。

對於鋁電解電容器，漏電流通常用下式表示：

         I=KCU+M        µA

式中：C——電容器的標稱電容量（µF）；

U——額定工作電壓（V）；

K，M——常數。

其中K值，稱之為漏電流常數。對於不同類型的電解電容器具有不同值，如CD11型產品，K=0.03； CD110型產品，K=0.01；低漏電流產品，K=0.001～0.002。

對於M值，除了主要考慮氧化膜本身漏電流外，還應考慮到電容器表面漏導電流的影響。M值主要取決於產品結構和CU值的大小。CU值較小者，其表面漏導電流影響較大，M值也相應附加較大值；CU值較大者，表面漏導電流影響就較小，M值可以忽略不計。所以M值可以在0～20範圍內取值。

4.額定工作電壓（U）

指在下限類別溫度和額定溫度之間的任一溫度下，可以連續施加在電容器的最大直流電壓或最大交流電壓有效值或脈衝電壓的峰值。

5.阻抗

三：主要電氣參數分析

1．阻抗、電容量、損耗角正切和等效串聯電阻的關係

對電解電容器來說，通常用是容量C、損耗角正切tgδ和阻抗Z或等效串聯電阻ESR來描述在脈動電路中的電氣特性。一般電解電容器的電感量L不太大，不會超過100nH（納亨），電解電容器的等效電路圖1-3所示。

因此，電容器的阻抗將隨著損耗角正切的增加而增大。這意味著在同一電壓下,阻抗大者容許通過的交流電流要小一些,換言之,即由於電容器有損耗,所以在電路中它的電容量相應地有所減小,不是測試出來的C值,而是有效電容量:

顯然,電容的阻抗值,概括了各種影響因素既能所映電容本身在電路中真正作用,又能根據它的溫度頻率特性的好壞,從中分析電容器的工藝及結構是否合理,例如,低溫時阻抗增大很多,從而工藝上分析原因,頻率升高時,阻抗值下降遲緩,也如要從工藝上找原因.

由電解電容器串聯等效電路得知：

                    tgδ=ωCr    

式中損耗電阻r 是由三部分組成的： a、氧化膜介質損耗的等效串聯電阻r介；b、代表工作電解液的等效串聯電阻r液；c、代表金屬電極、引出線（片）以及接觸電阻等組成的r金 。即：

         r=r介+r液+r金

r被稱為等效串聯電阻，英文縮寫為ESR（equivalent series resistance）。故： 

      

2.溫度頻率特性

電解電容器的主要電氣能數C、tgδ和Z與使用環境溫度、頻率有著極為密切的依賴關係。所謂溫度特性指電容器的C、tgδ和Z隨環境溫度變化的規律性，而頻率特性則描述電容器的C、tgδ和Z隨頻率變化的規律性。電容器的溫度頻率性不僅反映介質微觀變化的內在規律，而且還與電解液的性質、電解紙的種類以及電容器的結構等因素有關。當然從使用角度來看，要求它隨溫度頻率的變化越小越好。

2．1頻率特性

2.1.1  C、tgδ～f關係

在低頻段，構成電容器的介質，其偶極子極化能跟得上外加電場頻率的變化，這樣介質極化率就大，其極化對容量的貢獻也就大，且損耗也小；在高頻段，則與上述相反，隨著頻率的提高，介質偶極子極化跟不上外加電場的變化，C就會下降，tgδ增加，這種變化關係如圖1-4所示。

2.1.2  Z～f關係

由於電解電容器固有電感的影響,使阻抗Z的頻率特性曲線存在 「U」形的特性,如圖1-5所示。從公式中可以看出（復阻抗），在低頻段容抗在阻抗中佔主要地位，隨著頻率的增加，阻抗減小，當阻抗達到某一最低值時，此頻率為諧振頻率。在高頻段，感抗影響佔主要地位，電感是由電流流過金屬電極、引線和金屬外殼時所形成的。下面列舉不同規格的鋁電解電容器16V470uF和250 V10uF、47uF、100uF，其阻抗頻率特性1-6所示。

2．2溫度特性

2.2.1 C、tgδ～T關係

   由於電解液是離子導電，離子導電能力都毫不例外地隨著溫度的增加而增加。在低溫時電解液趨於「冰凍」，其離子的遷移運動受到的阻力將大大增加，並隨著溫度的趨低而變大，最終導致r液→∞，則

tgδ將隨著r液 的增大而變大。同理，在高溫時，r液 變小，tgδ隨之減小，而Cr→C 。

   鋁電解電容器tgδ溫度特性主要取決於工作電解液，特別是它的低溫電阻率大小，它的一般規律是：

A.使用低溫特性好的工作電解液要比使用差的其tgδ溫度特性好,

B.高額電壓的tgδ溫度特性比低壓的要好一些,

C.電容量小的一般要比電容量大的tgδ溫度特性好,

D.使用腐蝕係數小的鋁箔要比係數大的tgδ溫度特性好。

鋁電解電容的tgδ要從三個方面考慮：

  A.電解紙的tgδ

  B.電解液的電導率

C.正極箔的tgδ

2.2.2 Z～T關係

從公式（阻抗模量）看出，隨著溫度的提高，tgδ下降，C 也有些增加，但因 tgδ 急速下降，故阻抗Z 將隨著環境溫度的升高有較快速率下降，見圖1-6所示。

2．3有關參數的影響

  從等效電路來看，卷繞型箔式電容影響C和tgδ的主要參數是γ解和C紙以及陽極箔的表面狀態等，浸漬紙電阻（γ解）的計算，γ解是指以易浸潤的襯墊紙或其他多孔性纖維材料浸透了工作電解液後的電阻，也是稱為襯墊物電阻：

可見，∮值越大，表明襯墊物滲透能力差，實驗表明，當所用工作電解液在某一低溫下如發生微晶析出現象，將阻塞襯墊物的結構空隙，從而使∮值顯著增加，所以∮值以與電解液的成分和使用溫度有關，在低溫大並不是一個常數，甚至會增加幾倍。

含浸率的影響:

由於陽極箔腐蝕參數高，鋁箔表面的氧化膜是微孔結構，且電解液是有一定粘性，較難完全浸入微孔之中，導致陽極箔實際的有效表面積比理論表面積小，因而實際電容量就偏低,且含浸率隨著陽極箔比容的增大和電解液粘度的增加而下降。

3．影響分析

3．1工作電解液的影響

工作電解液的電阻率大小，對γ解起決定性作用，從
可以得知；而且它還是一個變量，這才給電容器的C 和 tgδ的溫頻特性帶來關鍵的影響。

據華爾頓定律，溶液的粘度和電導率的積為—常數，當低溫時，粘度上升，離子遷移率降低，所以電阻率增加，甚至在更低溫度，電解液還可以結晶。那麼ρ值將增大到不能容忍的程度，因此用粘度大一些的電解液浸漬襯墊物，其γ解 將比粘度較小的電解液大得多，這樣可知，粘度較小的工作電解液的電容器，是有相對較佳的C 和 tgδ的溫度特性。

        我們希望電解液的電阻率和溫度的關係比較平坦，即希望低溫（-55℃）時，電解質的ρ的值不大於常溫時的10-20倍，

            即ρ -55 /    ρ+20≤10-20

最多不大於50倍。

 3．2額定電壓的影響  

   當標稱電容量是一定時，如U額高，則必形成較厚的氧化膜。如此，在高額電壓下比低額電壓要求有較大的陽極箔表面積。除了用腐蝕方法增大箔的有效面積外，另一辦法就是直接增大箔的幾何尺寸。但如從陽極箔的需要表面積增大來看，因為氧化膜厚度與形成電壓成正比，如保持C不變，當U提高n倍時，陽極箔表面積也將增大n倍（假定形成電壓與額定電壓的比值相同）。如果額定電解液的ρ液隨U額高低不同所起的影響不是如此顯著，低壓電容器的γ解比同C的高壓電容器大得多，所以前者的C 、 tgδ溫度和頻率特性要差一些。

4.漏電流及抑制漏電流回升的對策

4.1漏電流產生的根源

鋁電解電容器的介質膜是由電化學方法形成的Al2O3膜，因厚度極薄，易受原材料純度、製造工藝等因素的影響，故在介質膜表面總是或多或少存在微小縫隙、雜質和疵點，同時在晶體結構上易形成晶格缺陷。這樣，鋁電解電容器在施加電壓後，就在上述這些隱患處形成電子電流和離子電流，其中以電子電流為主。此外，應考慮電容器表面漏導電流的影響，它與元件表面狀況(如表面的粗糙度、清潔度)及環境的溫溼度均有關。因此，漏電流是電解電容器極為重要的電氣參數之一，是衡量電解電容器品質優劣、製造工藝是否得當和工藝衛生文明生產的一個直接標誌。

4.2 漏電流的表達式

鋁電解電容器的漏電流從等效電路可知，它是氧化膜介質的體積漏導電流IV和通過表面的漏導電流IS之和，如圖1-7所示,其表達式為：

                   ILC=IV+IS

4.2.2表面漏導電流IS：

IS大小與所用封口材質物性和表面狀況如清潔度等有關，難以用某一公式定量來描述。因此，清洗對降低IS 有極其重要作用。

綜上所述，在工程上漏電流通用表達式為：

                          ILC=IV+IS=KCU+M                            

一般地說，當電容器的CU值比較大，IS≤IV時，M=0。當CU值比較小時，IS對IV影響比較大，不可忽略，M可取0～20

4.3 影響漏電流大小因素的分析

4.3.1原材料純度的影響

電解電容器原材料中特別是構成芯子的材料對漏電流影響極大，它包括鋁箔和引線的純度以及電解液中用的各種化學試劑、去離子水和電解紙中的雜質含量，這些都對漏電流造成極大影響。

鋁電解電容器的陽極鋁箔,當其純度從99.20％提高到99.99％時，在相同的條件下其漏電流有明顯下降,特別是在較高工作溫度時,影響更顯著。從圖1-8看出，提高鋁箔純度是延長電解電容器工作壽命以及降低漏電流的有效途

徑。正極引線的純度也有同樣影響。另外，其他原材料如化學試劑、電解紙、

       橡皮塞、純水等所含氯離子、硫酸根離子含量要求也嚴格。在工作電解液中即使含有極微量氯化物，也會對產品發生有害的影響,因為氯化物的存在不僅能使氧化膜損壞，而且會導致陽極箔、引線被腐蝕。（因為CL-的離子半徑極小，穿透力極強，破壞性強）

4.3.2工作電解液的影響

工作電解液不但起到電解電容器陰極作用，而且還要能隨時提供O2-不斷地供給陽極以修補損傷的氧化膜，倘若電解液修補氧化膜和防止氧化膜惡化的能力差，則勢必使產品漏電流變大和漏電流回升。

此外，電解液中的水會使氧化膜形成水合氧化膜Al2O3•nH2O(n=1～3)，使介質膜絕緣性能下降,這同樣會使漏電流增大。

水合作用在陽極和陰極都有可能發生，特別在陰極更易發生，水合作用會造成C下降tgδ增大，嚴重者使產品鼓脹或開閥，所以說，水合作用是影響陰極性能的主要原因。

電解液中水的影響：

優點：水是優質溶劑，能電離出很多離了，有利於降低電解液的電阻率；

缺點：

① 使電解液的沸點降低，高溫時蒸氣壓大，對密封有影響；

② 高溫下水和鋁及氧化膜作用生成氧化物，增加了表膜的厚度，減少C級（∵=εS/d），並且它破環了氧化膜，導致AI2O3的絕緣性能惡化，電容器的ILC增加，tgδ增加，C變化也大。高溫下由於水不斷產生H2↑，造成內壓上升，有爆炸的危險，在高溫貯存時較明顯。

③ 過多的水分，使電解液電阻率下降，同時溶劑的冰點也下降，一方面改善低溫特性，但一方面在高溫時， 水能使電解液活化，除了與電極起水合作用外，還會因雜質的存在易產生化學腐蝕；

④ 含水量多的電解液其閃火電壓較低。

4.3.3製造工藝條件的影響

①老練工藝條件  

套管後的產品，按極性加上規定的直流電壓，通過芯包內工作電解液的電化學反應，對在生產中受到損傷的介質氧化膜加以修復，使恢復其固有的良好電性能的過程，稱為老練。在老練過程施加老練電壓即是在氧化膜的表面施加—電場，破環水合氧化膜，（水合氧化膜易被破壞，其結構不如介質氧化膜緻密，ILC可以從水合氧化膜通過，而不能從介質氧化膜通過。）使其恢復介質氧化膜的性能，同時在電場的作用下，工作電解液不斷供氧原子，使生產過程中遭破環的氧化膜得以修補。

老練工藝的真正目的是：（1）恢復固有的電性能，使電容器具備使用條件；（2）剔除質量不合格的產品。此外，氧化膜形成時的電流密度也比電容老練時的電流密度大得多。由此可見，老練不同於形成，老練是在較低的電壓和較小的電流情況下進行的，一般是在非水溶液中進行的，對氧化膜僅僅是緩慢的修補過程，而形成則是在高壓、大電流狀態下進行的，形成液是水溶液。老練過程的實質是：將浸漬過電解液的電容器芯子經封裝後的半成品進一步動態（加直流電壓）熟化的過程，通過加壓使電容器恢復其固有的電性能，使電容器具備在動態電子線路中使用的條件。因此，電容器的電能數在老練前後必然有變化。由此可見，電容器的電容量CR、損耗角正切tgδ、漏電流LL經老練後下降了，即恢復了其固有的電性能。值等注意的是：CR、tgδ在老練1h後即趨於穩定，只有漏電流還有時間的延長而下降。因此老練工藝中時間和溫度的確定主要取決於漏電流，如何把握這個「度」是確定老練工藝的關鍵。

注:20℃120HZ下測試電容量和損耗，400v10s後測漏電流值。

老練完畢所測的漏電流、損耗角正切無論多小，都不能完全保證耐久性試驗中壽命長，更不能保證可能靠性高，即可靠性高、壽命長與漏電流小、損耗角正切值低既有關係而又沒有簡單的必然聯繫。因為電容器的可靠性和壽命是由原材料（鋁箔、電解質紙）、密封材料、電解液和整個工藝過程決定的，而電解液是決定長壽命和高可靠的關鍵。可以說，當電容器芯子浸過電解液經封裝後（老練前），電容器的可靠性已基本決定了。

從以上意義來講，老練工藝依據的漏電流值以國標為參考即可，如GB9609-88中規定漏電流：

﹛IL﹜uA≤0.03﹛CR﹜uF•﹛VR﹜v          （1）

式中：CR為標稱電容量；VR為額定電壓。老練工藝中時間的確定依據以漏電流的規定值的三分之一即可。即電容器的高溫加壓老練2h後就可以使電容器恢復固有的電性能，達到老練的目的。

②高溫老練溫度和時間的探討

老練溫度的確定也應從有利於可靠性和長壽命的角度出發。具體的依據應從兩方面考慮：第一，電容器的額定工作溫度。第二，老練的目的---剔除質量不合格的產品。這樣電容器的高溫老練溫度以額定工作溫度正偏5℃為宜。

統計400v/100 uF   ￠22mm×35mm老練電流下降情況（見表2）可得結論，電容器在高溫老練過程中，總電流的變化經歷上升→最大→下降→最小→恆定等幾個階段，最佳的高溫老練時間確定在到達最小電流之時（額定溫度到達後2h）即可，再長的老練時間是浪費。從剔除不合格品的角度來看，電容器爆炸、鼓底發生的時間一般在電流的上升階段，即最大電流到達之前（額定溫度到達前後）。

5．電容器在脈動電路中的發熱：

電容器接入脈動電路後，除了完成其功能外，還要消耗一部電能，並轉變成熱耗，一方面電容器本身發熱；另一方面也通過電容器外表向周圍附近環境散熱，所消耗的電能常用有功功率損耗P有來表示，對電容來講，由兩部份組成； （1）由於較大的漏電流所引起的發熱損耗，這種情況一般是指高溫情況下。

（2）由於存在tgδ所引起的發熱損耗，嚴格地講它包括三個部份，介質損耗、電解質損耗、導電及接觸電阻損耗；

另外注意,並聯電路所所推導出的公式,適用於正弦電壓,如果電壓波形為非正弦曲線，即除頻率為f1的正弦基波外,還會有高次諧波,則P有可能顯著增加,在此情況下，電容的總功率損耗是每個單獨頻率下損耗之和。

鋁電解電容的最高容許溫度決定於工作電解液，不得超過使電解液性能惡化，發生不可逆的溫度。

6．使用中提高電解電容器壽命措施

無論電容器在電子技術哪個領域中使用，都希望所用元件滿足性能要求，不會輕易受損，達到延長使用壽命的目的。在電路設計時，應對電解電容器的性能有更深入的了解，做到心中有數，不要使電容器一直處於工作頂峰狀態。具體從以下幾個方面來考慮。

6．1降低所處環境溫度

降低所處環境溫度，使電容器不在上限類別溫度下工作，另外還要考慮電容器本身發熱影響，這一點對液體電解質類型產品尤為重要。如果產生高溫，會使漏電流劇增，氣體增多，使外殼處於內壓急增狀態；另外高溫能使電解液加速乾涸，相對縮短產品壽命。因此對長壽命要求的產品來說，工作溫度應控制在50℃以下，這樣相應的壽命約可提高1～2個數量級。例如在45℃以可工作20年的計算機電容器，在85℃下則只能工作1～2年。如需要應用在上限類別溫度（85℃），則電容器芯子中心溫度應不超過95℃，而且還得視所選擇工作電解液的性質而定。這種高溫影響對固體鉭電容器來說，不如鋁電解電容器那麼嚴重，但肯定也是有害的。

6．2降低額定電壓的使用上限

降低額定電壓的使用上限，也就是降低介質氧化膜的工作場強，對鋁電容器將適用。降負荷一半後，電容器的壽命能提高2個數量級之多。

實際上鋁氧化膜如出現損傷和被腐蝕，修補氧化膜拜出只能在最高的工作電壓下進行，局部難於恢復到原始形成電壓值下的氧化膜厚度，所以過分降低工作電壓，對鋁電解電容器也並不是最合適的措施。

比較以上兩個因素的影響，對鋁電容器來說，以降低工作溫度為最關鍵。

6．3控制工作中的紋波電流值

電解電容器用在脈動電路中，造成功率消耗而發熱升溫的主要因素是紋波電流（對較小容量的電容器則是紋波電壓）的大小，一般提供的失效率與溫度關係曲線大都是在無紋波的直流電壓下測出的只考慮了漏電流，比此時芯子內部中心溫度幾乎與環境溫度相差不多。可是在實際應用中，由於紋波電流所導致的發熱能使芯子中心溫升，最高時可達到幾十攝氏度。（芯子溫升取決於電容器所處環境溫度和對紋波電流的控制）。所以，高紋波電流易造成芯子的電解液乾涸，電容器早期失效。同時，長時間紋波電流超過規定值，也是導致電容器防爆閥打開的因素之一。

6．4避免頻繁的浪湧電壓施加到電容器上

電路的開或關，都會產生一過渡狀態的瞬間電壓，一般其值要大於工作電壓，而且相應地產生一衝擊電流，如果電源和負載的電阻均較小，這樣瞬時電流值相當大，容易引起電解電容器氧化膜的損傷，因為電容器在大衝擊電流下 ，容易在膜的薄弱區域發熱促使晶化提早產生，並降低耐壓能力，所以為提高使用壽命，應避免發生頻繁的浪湧電壓施加到電容器上，當工作電壓接近額定電壓時，更是如此。

6．5選擇漏電流值較小的電容器

作為長壽命使用的電解電容器，除了以上4點外加因素的考慮外，在選用中還要選擇在同類型中漏電流特別小的電容器。這表明它具有較高質量的氧化膜和合適的工作電解質。一旦環境溫度較高，相應的漏電流增加就較慢。否則在互為影響的情況下，當漏電流劇增，內部溫度將上升，反過來使漏電流再上升，一直惡化直至失去熱平衡而破壞為止。