陈永真：电容器基础知识16—钽电解电容器（1）-电源网

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铝电解电容器的大量应用后，人们发现当时的铝电解电容器在应用是存在寿命、不能耐高温（军品要求达到125℃）电容量随温度变化明显以及ESR过高等问题，迫使人们不得不寻求性能良好的电解电容器，钽电解电容器就是一种性能良好的电解电容器。钽电解电容器有固体阴极和液体阴极的两种形式，现在的钽电解电容器均为固体钽电解电容器，液体阴极的钽电解电容器不再介绍。

铝电解电容器存在所有问题的根源就是作为负电极的电解液。固体钽电解电容器的负极采用了固态的二氧化锰。由于是固体，消除了因电解液干涸而导致的电解电容器失效和寿命终了问题，同样是固态的负极也不存在高温下电解液沸腾的问题和低温下电解液粘滞而导致的电阻率升高的问题，解决了铝电解电容器的高温、低温存在的问题。由于二氧化锰的电阻率仅仅为当时的铝电解电容器中电解液电阻率的1/10甚至更低，所以钽电解电容器的ESR可以比铝电解电容器低一个数量级。使得电解电容器的ESR问题得到很好的缓解。

1、钽电解电容器概述

1.1 钽电解电容器的结构

由于铝的延展性非常好，可以轧制非常薄的铝箔，因此，铝电解电容器可以通过腐蚀阳极、阴极箔扩大电极有效面积。由于钽的延展性极差，故钽电解电容器则采用将钽粉通过烧结成为多孔化的钽块作为阳极，通过将多孔化的钽块表面氧化形成五氧化二钽的绝缘介质(相对介质系数27)。如固体钽电解电容器的阴极是二氧化锰，再将作为阴极的二氧化锰与五氧化二钽的绝缘介质紧密接触，通过引出电极形成钽电解电容器。钽电解电容器的结构示意如图1，贴片型钽电解电容器的实际结构如图2。

图1钽电解电容器的结构示意

图2固体钽电解电容器的实际结构图

同铝电解电容器一样，钽电解电容器是有极性电容器，只允许在单极性状态下使用，绝对不允许反极性使用。图3 为钽电解电容器定性的电流/电压曲线。

图3 钽电解电容器的电压、电流特性

1.2钽电解电容器的一般标准

IEC384-1 （与DIN ISC384，第1部分，CECC30000和DIN 45910相似）

普通说明：

应用在电子设备的固定电容器

IEC384-3 （与DIN IEC384，第3部分，CECC30800和DIN 45910第5部分相似）

部分说明：

钽芯片电容器

IEC384-3-1（与DIN ISC384，第3-1部分，CECC30801相似）

钽芯片电容器

1.3 钽电解电容器的生产过程简述

固体钽电解基本上由钽粉（正极）+氧化膜（不能独立于钽粉存在）+二氧化锰+银粉+石墨+环氧树脂+引线

第一步：将钽粉和有机溶剂掺杂在一起按照一定的形状加压成形，同时埋入钽引线。

第二步：在2000℃以上的真空高温环境下，将掺杂有机溶剂的钽粉在真空中进行烧结变成类似于海绵的状态，同时和引线真正地融合在一起。

第三步：将海绵状的钽，泡在磷酸溶液里面电解，氧化后表面即生成五氧化二钽。五氧化二钽的介电常数非常高，在27左右，性能高于铝电解电容的三氧化二铝介质（介电常数7左右）。

第四步：将液态的硝酸锰加入钽块，然后将其在水蒸汽（催化剂）环境中进行热分解，分别成二氧化锰与二氧化氮。硝酸锰吸附性好，生成的二氧化锰可以完全吸附在海面状钽块内部的无数个小孔当中。假如这里直接使用固体的二氧化锰，就无法达到这种效果，这就是为什么二氧化锰只能在制造过程中得到的原因。假如使用PPY/PEDT等固体聚合物，因其溶点很低，就可以直接将其熔解然后放进去。

第五步：最后要将银粉和石墨涂在二氧化锰的表面上，减少它的ESR，增强它的导电性。

第六步：加入外引线，然后用环氧树脂进行封装

由上述生产过程可以看到，由于固体钽电解电容器的负极为二氧化锰，因而失去了铝电解电容器可以依靠外加直流电压来修复介质膜的性能，同时电解质以及正、负电极中的杂质将继续存在，即钽电解电容器的漏电流的大小在制造出来时就被决定了，不会通过老化或赋能的方式减小。同时，也不会像铝电解电容器那样长期置放后漏电流回明显增加而导致的铝电解电容器性能的劣化。

2、钽电解电容器的电参数

2.1电压

（1）额定电压

额定电压VR 是表示在电容器上的直流电压。由电介质的厚度决定。

（2）最大连续电压

最大连续电压Vcont是最大容许电压，在Vcont电容器能连续工作。它是直流电压，或直流电压加迭加交流电压的峰值的和。

最大连续电压取决于环境温度。钽电解电容器，在-55℃——+85℃温度范围内，额定电压等于最大连续电压。

而钽电解电容器工作在+85℃——+125℃温度范围时，最大连续电压从额定电压线性减小到2/3额定电压，如图4。

图4钽电解电容器的温度电压降额曲线

对钽电解电容器来说，VR时的85℃和2/3VR时的125℃都是额定电压。在最大连续电压以下应用有利于电容器的使用寿命。

（3）工作电压

工作电压VOP是钽电解电容器电容器连续工作的端电压，连续电压这是不允许超过这个最大值的。

在比较严酷的工作条件下（例如，可能出现的母线过电压，设备中的整流变压器不合适的变比，开关设备产生的重复过电压，过高的环境温度等。）均应降低工作电压。

（4）浪涌电压

浪涌电压是电容器可以在每小时最多5次的持续1分钟的条件下的短时工作的最大（峰值）电压。浪涌电压不允许出现在一般工作状态下的周期性的充放电。

通常，钽电解电容器所允许的浪涌电压为1.3倍的额定电压。

如果电压冲击（即使是瞬间电压）超过浪涌电压值，则会导致不可恢复的损坏。这是钽电解电容器与铝电解电容器在性能上的主要区别之一。铝电解电容器的介质膜是通过电化学过程获得，允许在一定程度上进入击穿状态，通过消耗电解液的电化学方式实现“增厚”介质膜，并且在电压低于击穿电压后恢复正常。而钽电解电容器由于介质膜形成后，实现阳极氧化的磷酸溶液不复存在，无法采用电化学的方法“增厚”，介质膜一旦进入击穿状态极不可恢复。

如果一定要应用在这种环境下，应事先对条件有充分的估计，避免出现短时超过瞬时电压和持续超过连续电压的现象。

（5）极性反电压（不正确的极性）

由直流电压和交流电压分量的和导致的任何不正确极性必须小于或等于允许的极性反电压。为了避免可靠性的降低，只能在短时间内可以出现这个电压，而且最多是每小时5次的短于一分的持续时间。

与最大连续电压类似，钽电解电容器可以承受的反向电压随温度变化，在不同的温度下的固体电解电容器的容许极性反电压：

20℃ 0.15VR

55℃ 0.10VR

85℃ 0.05VR

125℃ 0.03VR

（6）串联“背靠背”连接

在出现有更大极性反电压的应用中，应采用具有相同额定电压和相同额定电容的两个电容器可背靠背串联（如阴极对阴极）。这样，完成阻断每个极化方向。为避免在充电过程损坏反极性电容器，需要将二极管与钽电解电容器反向并联，即二极管的阴极接于钽电解电容器的阳极，二极管的阳极接于钽电解电容器的阴极。

这个无极性或双极性连接方式的电容量为每只单体电容量的一半（相当于两个电容器串联使用），但是却可以工作在任何极性的额定值流电压或峰值电压不超过最大连续电压的交流电压。

这种背靠背连接的电容器也能工作在正弦交流电压。电容器的表面温升不高于10℃，超过这个温升将导致钽电解电容器的永久损坏。尽管如此，作者不赞成钽电解电容器的背-背连接，理由是：钽电解电容器能够允许流过的纹波电流相对很低，不适合很多需要流过比较大的交流电流的应用；大电容量的薄膜电容器和陶瓷电容器的温室完全可以替代钽电解电容器的背靠背连接的应用方式，同时又不具有钽电解电容器的潜在危险性。

（7）内电压

钽电解电容器的 “内电压”与铝电解电容器的残余电压类似。由于钽电解电容器的额定电压比较低（通常在35V以下），所以残余电压相比相对较低（<0.5V），最大多数应用中对电路不会有多大影响。电解电容器的残余电压多数是由于与粗糙的阳极电极相似应的液体或固体阴极的寄生电阻（不是宏观上的ESR）与电容形成的RC等效电路在放电过程中造成的电极深处的电和不能及时泄放，在对放电结束后的电容器内部的电荷重新平衡的结果。在所有电解电容器中，由于钽电解电容器的这个寄生电阻比较小，因此，它的残余电压也比较小。

2.2 电容量

钽电解电容器的电容量指标主要有：额定电容量、静电电容量、电容量的温度特性、电容量的频率特性和电容量的容差范围等。

（1）额定电容量

额定电容量是标称电容量，定义在120Hz和25℃。额定电容也就是单体电容量。电容量的标称电容量多数为E3系列优选值，即1.0、2.2、3.3、4.7、6.8；少数也有采用E6系列优选值，即：1.0、1.5、2.2、2.7、3.3、3.9、4.7、5.6、8.2。

钽电解电容器的电容量的测量方式与铝电解电容器相似，不再赘述。

（2）电容容差

由于外界因素对钽电解电容器的电容量变化较小，因此，钽电解电容器的容差可以做的较小，如±5%、±10%、±20%的容差在钽电解电容器中都是常见的。

（3）电容量与温度的关系

钽电解电容器的电容量也随温度变化，是正温度系数。其温度系数的大小与的电压和电容值直接相关。通常低电压和高电容值的温度系数比高电压和低电容值的温度系数大。电容量与温度的关系如图5。