许多读者对铝电解电容器比较熟悉,它是采用卷绕式结构,即把铝箔作为阳极材料,经过腐蚀增大表面积,形成介质,铆上引出线,与纸一起卷成芯子,浸渍工作电解质(绝大多数是糊状液体),装入外壳,密封卷边而成。典型结构如图2所示。


这里向读者介绍一种用金属钽(Ta)作为阳极材料的钽电解电容器,它有多种外形,如图3、4、5、6。钽电解电容器的外壳上都有CA标记,但在电路中的符号与其它电解电容器一样,如图1所示。

构造与种类
钽电解电容器按阳极结构的不同分为箔式与钽粉烧结式两种。箔式钽电解电容器需用量较少,它的构造与铝电解电容器相仿,在此不重复。钽粉烧结式的钽电解电容器需用量大,产量较大。它的阳极是用颗粒非常细的钽金属粉末通过模具并加压力制成柱形、片状等各种形状的基体,然后置于高温(1600℃以上),高真空(小于5×10\(^{-4}\)mmHg)下烧结而成。对烧结基体进行阳极氧化,生成Ta\(_{2}\)O5介质氧化膜,构成钽阳极基体。
钽粉烧结式的钽电解电容器采用的工作电解质有固体和非固体两种。因所用电解质种类不同,它们的制造工艺也各不相同。
采用固体电解质的钽电解电容器,它是将钽阳极浸渍上硝酸锰,通过高温(250℃)热分解生成MnO\(_{2}\)(固体电解质),再浸石墨液并烘干成阴极石墨层,接着喷铅锡合金或涂银浆层。此处固体电解质MnO2为电容器的负极;Ta\(_{2}\)O5为电容器的介质,它形成在钽粉粒四周;钽粉为阳极,它通过一根钽丝引出。最后装入外壳,焊上绝缘子成为全密封形CA型或电解电容器(见图3)。还有些装入外壳后用树脂封口成为CA42型钽电解电容器。

采用非固体电解质的钽电解电容器的制造工艺较简单,它把阳极氧化后的基体,装入含硫酸水溶液或凝胶体硫酸硅溶胶的银外壳中,然后对氟橡皮头进行卷边密封而成。如图5所示的CA30管形液体钽电解电容器和图6所示的CA1型杯形液体钽电解电容器都是用的液体状电解质。它们又都是半密封结构,最大的缺点是电解质易渗漏。


现将CA型、CA42、CAP、CA30等几种钽电解电容器的技术性能、特点及应用列于附表,供读者参考。

钽电解电容器的特点
1.外形多样,易制成片状。
2.体积小。由于钽电解电容器采用颗粒很细的钽粉,所以单位体积内的有效表面积大;而且钽氧化膜的介电常数(ε为27)比铝氧化膜的介电常数(ε为10)大,因此钽电容的单位体积内的电容量大。换言之,对于相同耐压和电容量的规格,钽电容的体积比铝电容小。
3.使用温度范围宽。一般钽电容都能在-55~+85℃环境温度内正常工作,甚至还能在+125℃、+155℃下工作。但铝电解一般高温在+85℃,低温在-40℃。而且在这温度的电性能也不如钽电解电容器。
4.漏电流小,绝缘电阻高。
5.良好的电性能。钽氧化膜的化学性能稳定、而且Ta\(_{2}\)O5能耐强酸、强碱,所以钽电容的工作电解质不像铝电容只能用中性电解质,而它能使用固体或含酸的电阻率很低的液体电解质。这样就使得钽电容的损耗(tgδ)要比铝电容小,而且电性能的温度稳定性好。
6.储存性能好,使用寿命长。这是与铝电解电容器比较而言的。钽氧化膜介质不仅耐腐蚀,而且长时间工作仍能保持良好的电性能。而铝电解电容器中铝氧化膜耐腐蚀性差,所以储存时间一长,介质易被电解质溶解损坏,使漏电流增大。一般铝电解电容器的工作电解质是液体,易挥发干枯,另外易在工作中消耗,从而影响使用寿命。而绝大多数钽电解电容器是固体电解质,所以不存在液体电解质的缺点。
7.阻抗频率特性好。电解电容器的等效电路是一个电容、等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)组成(见图7)。由于铝电解电容器是箔式卷绕结构,所以ESL大,采用的工作电解质的电阻率又不能很低,所以等效串联电阻ESR也大。这样铝电解的频率特性较差。一般多用于50~100Hz的电路里,频率一高易造成电容量大幅度下降,损耗(tgδ) 急剧上升。但钽电解电容器尤其是固体或电容阻抗频率特性好,一般谐振频率在50KHz以上。因此可用于音频范围。钽电容随频率增加也要出现电容量下降现象,但下降的幅度较小。比如10KHz时钽电容量下降不到20%,而铝电解电容器容量下降达40%。

8.可靠性高。一般钽电容的失效率在0.01~0.5%/千小时,而高可靠钽电容的失效率能达到1Fit(相当于0.0001%/千小时)。铝电解电容的失效率一般为0.1~0.6%/千小时。
虽然钽电容有以上各种优点,但是由于采用金属钽作为基础材料,再加上工艺上的限制,因此钽电解电容器成本高、价格昂贵,电容量范围和工作电压范围不如铝电解电容器宽。(北京市无线电元件十厂 宋永祥)