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          鋁電解電容的概念與應用

          電容器的機理與電氣功能  
                  顧名思意,可以作這樣的形象理解:所謂電容器(capacitor)就是能夠儲存電荷的“容器”。只不過這種“容器”是一種特殊的物質——電荷(charge),而且其所存儲的正負電荷等量地分布于兩塊不直接導通的導體板上。至此,我們就可以描述電容器的基本結構:兩塊導體板(通常為金屬板)中間隔以電介質(dielectric)。即構成電容器的基本模型。  
                了解了電容器的基本構造后,可能會產生這樣的問題:電容從何而來?電容的物理意義為何?電容器的主要參數有哪些?電容器在電子線路中起哪些作用?下面我們將對上述問題一一作出解答。  
                眾所周知,空間中的一個帶電體具有兩個電參數:電荷電量Q和電位勢U。而這兩者的比值(Q/U)表現出一種有趣的規律:這個比值僅與帶電體本身的尺寸、形狀及其所處的空間環境有關,而與帶電體所帶電荷的多少無關。也就是說,帶電體所帶電荷與其電位勢的比值表征了帶電體及其周圍環境所構成的系統的一種固有屬性,我們把此比值稱為電容量,以C(=Q/U)來表示。電容量也可以理解為帶電體(電位勢一定的情況下)容納電荷的能力。  
          我們通過兩個例子來了解電容量C的計算方法:  
               (1)真空中孤立帶電球(R=r0)的電容量如何計算?設孤立電荷的電量Q=q,其相對于無窮遠處的電位勢U=q/(4πε0r0),則其電容量C=Q/U=4πε0r0。從計算結果可以看出,電容量只與帶電體的本體尺寸,形狀和所處的空間環境有關,而與所帶電量無關。  
               (2)平行板電容器的電容量計算方法。所謂平行板電容器是指兩塊相對平行的金屬板中間隔以相對介電常數為εr、厚度為d的電介質所構成的電子元件。設平行板電容器儲存的電荷Q=q,則正負極板的電荷分別為+q、-q,兩極板間的電位差為u。平行板電容器可以看作是兩個孤立帶電體電容器串聯構成。設正極板相對于無窮遠處的電位U+=u+,則負極板的電位U-=u+-u。正負極板具有的電容量分別為+q/u+,-q/(u+-u)。兩者串聯的合成容量1/C=1/(+q/u+)+1/-q/(u+-u)=u/q,  
                  即C=q/u。由物理學的推導可以得出,u=4πdq/(εrε0S),所以C=εrε0S/4πdq。同樣,電容量僅與其結構尺寸有關,而不依賴其帶電量的多少。  
                電容量(Capacitance)、工作電壓(operatingVoltage)、損耗因子(LossFactor)、絕緣電阻(Insulat?ingResistance)等是標定電容器特性的基本電氣參數。電容器的電容量、損耗因子通常以120Hz下數字電橋測定的數值為準;絕緣電阻則是電容器隔離直流作用的數值化表征,希望電容器的絕緣電阻越高越好。表征電容器特性的參數還有:擊穿電壓(BreakdownVoltage)、容許流通的最大紋波電流(Max.RippleCurrent)、使用溫度范圍(OperationTemperatureRange)、容量溫度系數(TemperatureCoefficient)、頻率特性(FrequencyCharacteristics)等。  
                電容器在電子線路中的作用一般概括為:通交流、阻直流。電容器通常起濾波、旁路、耦合、去耦、轉相等電氣作用,是電子線路必不可少的組成部分。在LSIC、VLSIC已經大行其道的今天,電容器作為一種分立式無源元件仍然大量使用于各種功能的電路中,其在電路中所起的重要作用可見一斑。作貯能元件也是電容器的一個重要應用領域,同電池等儲能元件相比,電容器可以瞬時充放電,并且充放電電流基本上不受限制,可以為熔焊機、閃光燈等設備提供大功率的瞬時脈沖電流。電容器還常常被用以改善電路的品質因子,如節能燈用電容器。  
          電容器的相關計算  
          電容器的容量  
                電容器的靜電容量的計算公式可表達為:用字母可表示為:  
                  其中K=8.85×10-8μF/cm。  
                若干電容器并聯,其合成容量等于各個電容器容量之和,即C=C1+C2+……+Cn。電容器并聯可以增強其流通紋波電流的能力,擴展其在濾波、旁路電路中的使用。若干電容器串聯,其合成容量的倒數等于各個電容器容量的倒數和,即:1/C=1/C1+1/C2+……+1/Cn。電容器并聯使用,相應于增大了電介質的厚度,故可以提高其耐壓能力,使用在工作電壓較高的工作場合。  
          電容器存儲的電能  
                  電容器充電至端電壓V時,此時再移動dQ=CdV的電荷所作的功為VdQ=CVdV,那么在電容器的整個充電過程中,電容器儲存的電能E即可表示為:;在整個充電過程中,電源消耗的電能為QV,所以為電容器充電,電源的能量利用率僅為50%。  
          充放電時電容器端子的電壓與電流變化趨勢  
                電容器通過定值電阻R充電時,電容器端子的電壓、電流變化趨勢為:  
                電容器通過定值電阻R放電時中,電容器端子的電壓、電流變化趨勢為:  
          1?3電容器的分類  
                依據所使用的材料、結構、特性等的不同,電容器的分類也不同。在此,我們主要依據電容器特性原理的不同,將其分為兩大類:化學電容器(chemicalcapacitor)和非化學電容器。  
          化學電容器  
                化學電容器是指采用電解質作為電容器陰極的一類電容器。廣義上講,電解質包括電解液(electrolyte)、二氧化錳(MnO2)、有機半導體TCNQ、導體聚合物(PPy、PEDT)、凝膠電解質PEO等;瘜W電容器又包含兩大類別:電解電容器(electrolyticcapacitor)和超電容器(supercapacitor)。  
                電解電容器是指在鋁、鉭、鈮、鈦等閥金屬(ValveMetal)的表面采用陽極氧化法(AnodicOxidation)生成一薄層氧化物作為電介質,以電解質作為陰極而構成的電容器。電解電容器的陽極通常采用腐蝕箔或者粉體燒結塊結構,其主要特點是單位面積的容量很高,在小型大容量化方面有著其它類電容器無可比擬的優勢。目前工業化生產的電解電容器主要是鋁電解電容器(Aluminiumelectrolyticcapacitor)和鉭電解電容器(Tantalumelectrolyticcapacitor)。鋁電解電容器以箔式陽極、電解液陰極為主,外觀以圓柱形居多;鉭電解電容器采用燒結塊陽極,陰極采用半導體材料二氧化錳,外形多為片式(chiptype),適應于SMT技術需求的SMD。  
                超電容器一般采用活性炭(ActiveCarbon)、二氧化釕(RuO2)、導體聚合物(polymerConductor)等作為陽極,液態電解質作為陰極。超電容器可以獲得法拉級的靜電容量,有利于化學電容器的超小型化,但是,其缺點是單體(cell)的耐電壓有限,采用水系電解液(AqueousElectrolyte),耐電壓在1V以下,即便是采用非水系電解液,其耐電壓一般也不超過3V。確切地說,超電容器是介于電容器和電池(Battery)之間的儲能器件,既具有電容器可以快速充放電的特點,又具有電池的儲能機理——氧化還原反應。超電容器也可以分為兩類:(1)以活性炭為陽極,以電氣雙層的機制儲存電荷,通常被稱作電氣雙層電容器(ElectricalDoubleLayerCapacitor,EDLC);(2)以二氧化釕或者導體聚合物為陽極,以氧化還原反應的機制存儲電荷,通常被稱作電化學電容器(ElectrochemicalCapacitor,EC)。  
          非化學電容器
                非化學電容器的種類較多,大都以其所選用的電介質命名,如陶瓷電容器、紙介電容器、塑料薄膜電容器、金屬化紙介/塑料薄膜電容器、空氣電容器、云母電容器、半導體電容器等。  
                陶瓷電容器采用鈦酸鋇、鈦酸鍶等高介電常數的陶瓷材料作為電介質,在電介質的表面印刷電極漿料,經低溫燒結制成。陶瓷電容器的外形以片式居多,也有管形、圓片形等形狀。陶瓷電容器的損耗因子很小,諧振頻率高,其特性接近理想電容器,缺點是單位體積的容量較小。  
                以往的紙介電容器、塑料薄膜電容器多用板狀或條狀的鋁箔作為電極,現在,大多采用真空蒸鍍的方式在電容器紙、有機薄膜等的表面涂覆金屬薄層作為電極。由于金屬化形式的出現,該類電容器在小型化和片式化方面有了長足的發展,對電解電容器構成一定的挑戰和威脅。  
                云母電容器采用云母作為電介質,其特點是電容器的可靠性高、容量的溫度變化率很小,常被用來制作標準電容器。  
                半導體電容器大概分為兩類:一類是由兩塊相接觸的N型和P型半導體構成。眾所周知,當N型半導體接正、P型半導體接負饋電時,電流不易流過PN結,電荷即在PN結的兩側聚集,起電容器的功效。并且PN結的耗盡層會因外加電壓的大小變化而改變其厚度,也即正負電荷層的間距會發生變化,故而表現出容量隨外加電壓的變化而變化的特性:外加電壓增大,容量減小。另一類被稱為半導體陶瓷電容器。由摻雜金屬La的N型半導體陶瓷—鈦酸鋇的兩個側面涂布銀電極,并焊接上端子而構成。銀電極和半導體陶瓷的界面呈現整流特性:從銀電極到半導體陶瓷,電流容易流通,反之則電流幾乎不能流通。因而,當給兩端子上外加電壓時,電荷會在某一界面的兩側聚集,表現出電容器的特點。  
          2鋁電解電容器 
          2-1鋁電解電容器的結構特點  
                鋁電解電容器的芯子是由陽極鋁箔、電解紙、陰極鋁箔、電解紙等4層重迭卷繞而成;芯子含浸電解液后,用鋁殼和膠蓋密閉起來構成一個電解電容器。同其它類型的電容器相比,鋁電解電容器在結構上表現出如下明顯的特點:  
               (1)鋁電解電容器的工作介質為通過陽極氧化的方式在鋁箔表面生成一層極薄的三氧化二鋁(Al2O3),此氧化物介質層和電容器的陽極結合成一個完整的體系,兩者相互依存,不能彼此獨立;我們通常所說的電容器,其電極和電介質是彼此獨立的。  
               (2)鋁電解電容器的陽極是表面生成Al2O3介質層的鋁箔,陰極并非我們習慣上認為的負箔,而是電容器的電解液。  
               (3)負箔在電解電容器中起電氣引出的作用,因為作為電解電容器陰極的電解液無法直接和外電路連接,必須通過另一金屬電極和電路的其它部分構成電氣通路。  
               (4)鋁電解電容器的陽極鋁箔、陰極鋁箔通常均為腐蝕鋁箔,實際的表面積遠遠大于其表觀表面積,這也是鋁質電解電容器通常具有大的電容量的一個原因。由于采用具有眾多微細蝕孔的鋁箔,通常需用液態電解質才能更有效地利用其實際電極面積。  
               (5)由于鋁電解電容器的介質氧化膜是采用陽極氧化的方式得到的,且其厚度正比于陽極氧化所施加的電壓,所以,從原理上來說,鋁質電解電容器的介質層厚度可以人為地精確控制。  
          2?2鋁電解電容器的性能特點  
                同其它類別的電容器相比,鋁電解電容器的優越性表現在以下幾個方面:  
               (1)單位體積所具有的電容量特別大。工作電壓越低,這方面的特點愈加突出,因此,特別適應電容器的小型化和大容量化。例如,CD26型低壓大容量鋁電解電容器的比容量約為300μF/cm3,而其它在小型化方面也頗具特色的金屬化紙介電容器的低壓片式陶瓷電容器的比容量一般不會超過2μF/cm3。  
               (2)鋁電解電容器在工作過程中具有“自愈”特性。所謂“自愈”特性是指介質氧化膜的疵點或缺陷在電容器工作過程中隨時可以得到修復,恢復其應具有的絕緣能力,避免招致電介質的雪崩式擊穿。  
               (3)鋁電解電容器的介質氧化膜能夠承受非常高的電場強度。在鋁電解電容器的工作過程中,介質氧化膜承受的電場強度約為600kV/mm,這一數值是紙介電容器的30多倍。  
               (4)可以獲得很高的額定靜電容量。低壓鋁電解電容器能夠非常方便地獲得數千乃至數萬微法的靜電容量。一般來說,電源濾波、交流旁路等用途所需的電容器只能選用電解電容器。  
          當然,鋁電解電容器也有以下顯著缺點:  
               (1)絕緣性能較差?梢赃@樣說,鋁電解電容器是所有類別的電容器中絕緣性能最差的。對鋁電解電容器而言,通常采用漏電流來表征其絕緣性能,高壓大容量鋁質電解電容器的漏電流可達1mA以下。  
               (2)損耗因子較大,低壓鋁電解電容器的DF通常在10%以上。  
               (3)鋁電解電容器的溫度特性及頻率特性均較差。  
               (4)鋁電解電容器具有極性。使用在電子線路中時,鋁電解電容器的陽極要接電路中的電位高的點,陰極接電位低的點,才可能正常發揮電氣功能。如果接反了,電容器的漏電流急劇增大,芯子嚴重發熱,導致電容器失效,并有可能燃燒爆炸,損害線路板上的其它器件。  
               (5)工作電壓有一定的上限。根據鋁電解電容器介質氧化膜的特殊生成手段,其最高工作電壓一般為500V,且發展潛力十分有限;而對其它非化學電容器而言,只要適當加厚其電介質的厚度,理論上的工作電壓可以達到任意上限值。  
               (6)鋁電解電容器的性能容易劣化。使用經過長期存放的鋁電解電容器,不宜突然施加額定工作電壓,而應逐漸升壓至額定電壓。  
               (7)傳統鋁電解電容器由于采用電解液作為陰極,在片式化方面存在較大的障礙,故其片式化進程落后于陶瓷電容器及金屬化薄膜電容器。  
          2?3鋁電解電容器的電性能參數  
                鋁電解電容器的額定容量接E6系列的優選數確定,即:  (N=0,1,2…5);共有6個數值,與E6系列相對應的允許偏差為±20%,但對通用的電解電容器而言,其正偏差常放寬至+50%。  
                鋁電解電容器的損耗因子的定義為:在規定頻率的正弦電壓下,電容器所消耗的有功功率和無功功率的比值,即:    
                  其中,f為正弦電壓的頻率,C為在該頻率下電解電容器串聯模型的容量,r為電解電容器的等效串聯電阻(ESR)。  
                鋁電解電容器的漏電流通常定義為施加額定工作電壓若干分鐘以后流過電容器的電流。通常,鋁電解電容器容許的最大漏電流可以用下式界定:  
                Il=KCU(μA)  
                  其中,C為電容器的容量(μF),U為所施加的直流電壓值(V),K是與電容器類型有關的常數,通常的取值范圍為0.01~0.1,低漏電流的系列品也有取值小于0.002的情況。  
                額定工作電壓是指在規定的環境溫度范圍內所能施加到電解電容器上的最大直流電壓值。按GB2472?81的規定,適用于電解電容器的額定電壓序列為:4.0,6.3,10,16,25,35,50,63,100,125,160,250,300,450,500,630。根據實際的需要,有時也用到200V及350V的產品。  
          3鋁電解電容器面臨的挑戰與機遇  
                20世紀80年代,當LSI、VLSI蓬勃發展的時候,有人曾經對電容器的前景極為悲觀,隨后的事實證明,這些看法有一些杞人憂天的味道:自上個世紀80年代中期起,電容器產業的年平均增長率均在20%以上,1993年全球電容器的銷售產值已達130億美元。鋁質電解電容器的銷售產值占整個電容器產業的1/3多。但是,隨著電子技術及材料制造工藝的進步,傳統型鋁電解電容器不僅受到電子技術發展的壓力,也面臨其它類別電容器挑戰其龍頭老大地位的壓力。  
                電子技術對電容器小型化、片式化的需求,使得傳統鋁電解電容器產業倍感壓力。傳統鋁電解電容器采用電解液作為陰極,這使得其片式化進程受到極大的阻礙。片式化通常采用迭層結構、樹脂包封的形式,而如何將電解液完好地密封起來一直是鋁電解電容器研發人員倍感頭痛的事。鉭電解電容器采用固態半導體材料MnO2作為陰極材料,其片式化的進展頗為迅速,已經對鋁電解電容器構成一定的市場威脅。  
                超大比表面積(2000m2/g~3000m2/g)炭纖維布工業化制造技術的成熟,使得近年來雙層電容器的研發與制造迅速成長,并成為極低壓和低壓鋁電解電容器的一個有力的競爭對手。EDLC可以輕而易舉地獲得法拉級的容量,其儲能密度高于鋁電解電容器,因而在儲能用的領域正在逐步打破鋁電解電容器的壟斷地位,并有可能后來居上。  
                金屬化紙介、金屬化薄膜電容器的出現,使得紙介、塑料薄膜電容器在減小體積、增大比容量方面邁出歷史性的一步。目前,金屬化紙介、金屬化薄膜電容器小型化、片式化的發展較為活躍,并向低壓小容量的鋁電解電容器發出挑戰。同樣,片式陶瓷電容器由于中低溫燒結技術的開發,垂直迭層工藝的發展,能夠獲得的電容量范圍也在逐步擴大,也在逐步蠶食低壓小容量鋁電解電容器所占的市場份額。  
                雖然鋁電解電容器面臨著前所未有的壓力和挑戰,但是也不必過于悲觀地認定鋁電解電容器已經窮途末路,必定要退出歷史舞臺。然而新技術、新材料的發展,在給其它類別電容器帶來發展機遇的同時,也必定會為鋁電解電容器的創新突破打開方便之門。有機半導體材料、導電聚合物材料的出現及其合成技術的成熟,已經為鋁電解電容器的更新換代奠定了物質基礎。將有機半導體材料、導電高分子材料用作鋁電解電容器陰極的嘗試,得到的頻率特性、溫度特性可以和片式陶瓷電容器媲美,甚至高出固態鋁電解電容器。另外,對于傳統型鋁電解電容器而言,在一段時間內不可相比的容量價格比仍足以使其維持主流產品的地位。
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