无极性铝电解电容器及其应用

电解电容器与其它种类电容器，如纸介、瓷介、云母等电容器不同，它的两极有正、负之分。例如通常的铝、钽、铌电解电容器，即CD型、CA型、CN型电容器，其产品的两个引出端均印有“＋”“－”标记。如果把两极弄颠倒，使用时将发生事故，轻者使电容器击穿、失效，重者将发生爆炸。这是为什么呢？其原因在于，电解电容器的介质（即两金属极板之间的绝缘体）具有单向导电性。该介质就是金属基体的氧化膜，例如钽Ta、铌Nb、铝Al电解电容器的介质分别是它的氧化物：Ta\(_{2}\)O5、Nb\(_{2}\)O3，此氧化膜是金属基体在电解池中施加直流电，经过阳极氧化而形成的。这样形成的氧化膜虽然很薄却具有p-i-n结的结构。因为此氧化膜靠近金属基体部分与上述化学式相比含有过剩的金属，我们把这部分看作n型半导体，如图1所示。靠近电解质，即氧化膜最外层（离金属较远）的部分，含有过剩的氧，这层氧化膜可以看作P型半导体，而氧化膜中间区域，金属和氧的成分比例符合上述化学式可看作是本征半导体i层。

我们把上述带有p-i-n结的金属做电容器的正极，未经阳极氧化的金属做电容器的负极，中间是电解质。当电容器的正极在电路中与直流电源的正极相接时，具有p-i-n结的氧化膜其n极与电源正极相接，这时电流很小，称为阻流状态，即电容器起隔直流作用。而当反向加压时，上述p-i-n结的p极与电源的正极相接，则p-i-n结处于通流状态，电流很大，与二极管相类似，被导通了，电容器通路，于是氧化膜被击穿。如果是液体电解质，例如液体铝电解电容器，将导致电容器内部剧烈的电化学反应，接在正极的金属铝被氧化，同时在负极放出氢气，并伴随放热。这一系列的反应在密封的电容器内部进行，因此紧接着就是爆炸。如果是固体电解质电容器，情况稍好些，因为固体电解质没有足够的氧，因此不会发生上述那样剧烈的反应。无论如何，反向加压将造成电容器迅速击穿，如固体钽电解电容器当反向加压时，特别是高压产品击穿时的爆炸声音也是很大的。

这就是说，常用的电解电容器是有极性的。所以引出端子必须有“＋”“－”的标记。使用时也一定要注意这一点，切勿接反正、负极。

有极性电解电容器使用范围受到限制，它不能反向联接，而且也不能通过很大的纹波电流，更不能在纯交流电路中工作。这是为什么呢？因为电解电容器具有等效串联电阻R，当通过纹波或交流电流时，此电阻R将消耗电能，并将电能变成热能，从而导致电容器自身发热，电容器的温度升高。大家都知道，元器件的温升对它本身的可靠性和使用寿命是有影响的，这将使整机的可靠性和寿命无法保证。

另一方面，从电解电容器介质的单向导电性可知，当通过交流电流时，就意味着电容器的两极周期交替地接受正反向电压，当负极接正向电压时，电容器介质就会被击穿，使电容器失效。

为了充分发挥电解电容器容量大，体积小价格便宜的优点，近年来，电容器的制造厂家积极地开展了双极性电解电容器的开发工作。所谓双极性电解电容器就是电容器的两个极片均经过阳极氧化，均具有如图1所示的氧化膜，见图2。这种由两个相同阳极组成的电容器，其任意一极均具有阻流作用，相当于两个有极性电解电容器背靠背地串联，因此任一引出端均可接电源的正极，对应的另一端接负极。这就是“双极性电解电容器”名称的由来。然而，由于两引出端不分正负，通常称这种具有双极性结构的电解电容器为无极性电解电容器。

如上所述，无极性电解电容器并没有改变电解电容器的基本特征，只是在结构上采取了一些措施，可以换向使用。它能不能在交流电路和纹波电流较大的电路中使用，还要看其它性能，如电容器的温升，电容器的阻抗频率特性等等。根据用途不同，无极性铝电解电容器有很多种类，下面介绍几种常用的具有不同特性等级的小型无极性铝电解电容器。

（1）一般无极性铝电解电容器：这里“一般”指的是，在结构上除了两极都有氧化膜外，没有别的措施。其电性能与一般有极性的相当，具有体积小，容量大的特点。电容量误差、损耗角正切值、直流漏电流等指标均与普通有极性的差不多。它的主要用途是用在极性转换的直流或脉动电路中，如彩色电视机的解码电路中。目前全国不少厂家都有此种电容器，（系列不同，电性能指标也有差异），如上海天和电容器厂的CD71型双极性铝电解电容器，北京无线电十厂的CD03型BP系列电解电容器都属于这种一般型无极性铝电解电容器。

（2）电声分频用无极性铝电解电容器：这是一种专用型无极性电解电容器，它与一般无极性电解电容器不同，体积比一般型稍大，电性能指标也比一般型高，电容量误差小，损耗低，直流漏电流小。作为分频电容大多数在10～20KHz频率下使用。卷绕式的电解电容器频率特性如何也是很重要的。图3是用于分频的无极性铝电解电容器的阻抗频率特性曲线，不难看出这是指数坐标曲线，在100KHz频率范围内电容器的阻抗值随着频率的增加呈指数下降，说明该电容器在此频率范围内显示了良好的容抗性质，没有或较少有电感出现。假如曲线有上升趋势，说明电感量增加且以感抗为主了，这是不能使用的。分频电容有良好的阻抗频率特性，进而保证了机器的频响特性。另一个特点是该型电容器能通过较大的纹波电流。这是由于该型电容器的tgδ小，说明它的等效损耗电阻小。此外，它的外形尺寸也大，散热较好，因此通过较大的纹波电流，表面温升也不会很高。

分频电容器的用法见图4。实验证明，使用这种专用型电解电容器，其效果与纸介电容器相当，而体积和价格又优于纸介电容器。

有些场合，人们不采用金属化纸介或纸介电容器，不仅因为它的体积大，价格贵，而且容量也小。这时人们常常用两只相同规格的电解电容器串联使用，如图5。在过去没有专门用于分频的铝电解电容器时，这种做法是常见的。这样做能否取得和专用于分频的无极性电容器同样的效果呢？不能。一是因为选两只等容的电容器不容易；二是用一般小铝电解电容器，如CD11型的相同规格相串联，除了电容量有差别外，损耗tgδ大也是个大问题。两只电容器串联后，tgδ\(_{总}\)=tgδ1+tgδ\(_{2}\)，使电容器的等效串联电阻成倍地增长，从而使电容器的温升也将成倍地增长，这将使电容器的可靠性和寿命受到严重影响。由于有热量的聚集，在线路里就增加一种无规则的干扰，这就是杂音。损耗越大，杂音越大。漏电流对寿命和音质也有类似的影响，这里就不详细分析了。

专用于分频线路中的分频电容器是通过特殊工艺生产出来的，其容量系列和电压系列是专为各种音响机器设计的。北京市无线电元件十厂的CD94型无极性铝电解电容器，上海无线电元件二十一厂的CD70型，吉林元件公司CD71B型等无极性铝电解电容器都属于这种专用型电容器。

（3）电视机S校正用无极性铝电解电容器：这又是一种专用型无极性铝电解电容器，它专用于晶体管电视机水平偏转电流S形校正。该型电容器容量精度高，tgδ低，更重要的是，该型电容器耐电冲击性强，能通过高频大电流。总之它在各项性能上，都比专用于分频的电容高。例如S校正电容25V8.2μF的电容器，在频率15625Hz时，能通过7Ap－p（行电流峰—峰值）而没有明显温升，这是一般无极性和专用于分频的电容做不到的。S校正电容问世不久，便得到广泛应用，它有效地代替了体积大，价格贵的纸介电容器，为各种引进的、国产的黑白电视机提供了很好的货源，同时使整机降低了成本。为了满足整机的需要，在全国相继出现型号不同的S校正电容，上海地区有CD269型，北京无线电元件十厂有CD7-S型，吉林有CD71A型无极性铝电解电容器，均为S校正专用型铝电解电容器。此外，还有些单位正在试制。

以上介绍的三种小型无极性铝电解电容器其性能各不相同。从外形上看，体积的差异很大。尺寸最大的是S校正电容，其次是分频电容，最小的是一般无极性电容器。外形尺寸的大小与允许通过的纹波电流的大小密切相关。这三种电容器在使用时，是不能互换的，前两种绝对不能用来做电视机S校正电容，而一般无极性电容也不能用来做分频电容，反过来，S校正电容可以用来分频，只不过体积稍大，价格略高。在其它线路里，需要无极性电容器时，主要看线路里纹波电流的大小、额定电压，以及电容量的大小来选取电容器的型号和规格。

以上三种无极性铝电解电容器，在国外均称双极性铝电解电容器，在外壳上印有“BP”或“NP”的标志，并且用不同的特性代号标出其特性等级，如日本用D、P、S特性代号分别代表一般无极性、分频用无极性、电视机S校正用无极性铝电解电容器。

此外，还有纯交流电容器、马达起动电容器，也是采用双极性结构，电容器的两引出端子也没有“＋”“－”的标记。在国外这类电容器外壳上也不印“BP”或“NP”的标记。(王新)