陈永真：电容器基础知识16—钽电解电容器（2）

为了给工程师们提供优质的电子工程知识，电源网有幸邀请国内权威运算放大器应用专家陈永真为大家讲授运算放大器的相关知识。陈永真，辽宁工业大学教授，长期从事电力电子技术的教学、科研工作。他所研制的“铁路客车荧光灯逆变器”唯一通过铁道部标准“TB/T2219-81”的全部测试，参加 过“十五”期间的国家“863”计划电动汽车重大专项“解放牌混合动力城市客车用超级电容器”项目，并出版电容和通用集成电路等相关领域的专著。下面请大家认真听陈永真教授的精彩课程吧！

钽电解电容器的阻抗由以下各个电阻分量组成的串联电路表示。

（1）电容C的有效容抗。

（2）电解质损耗和电解的欧姆电阻和／或半导体层（等效串联电阻ESR）。

（3）电极和端子的电感的等效感抗。

钽电解电容器的简化等效电路与铝电解电容器的简化等效电路相同。

图1是6.8μF／35V钽电解电容器的阻抗Ｚ与频率f和阻抗Z与温度T的关系。

图1  6.8μF／35V钽电解电容器的阻抗Ｚ与频率f和阻抗Z与温度T的关系

由图1得到的电解电容器等效电路相当于RLC串联电路，因此，低于谐振频率时阻抗以电容器的容抗为主，钽电解电容器的这个频段仅能维持到100kHz；随着频率的升高，容抗下降、感抗上升，当容抗等于感抗并相互抵消时的频率为钽电解电容器的谐振频率（大约为1MHz），这时的阻抗最低，仅剩下等效串联电阻（ESR）。如果ESR为零，则这时的阻抗也为零；频率继续上升，感抗开始大于容抗，当感抗接近于ESR时，阻抗频率特性开始上升，呈感性，从这个频率开始以上的频率下电容器实际是一个电感！由于制造工艺的原因，电容量越大，寄生电感也越大，谐振频率也越低（实际上电容量的增加的本身就导致谐振频率的降低），电容器呈感性的频率也越低。这就是在滤波方面有些文献和一些人们经常会有“大电容滤低频，小电容滤高频”的说法出现的原因。

1.1 阻抗（Z）

与铝电解电容器相同，钽电解电容器的阻抗实际是图5.14（b）等效电路中的容抗、ESR、和感抗之和。阻抗Z与容抗、ESR、和感抗的关系式为：

1.2 等效串联电阻（ESR）

从图1中可以看到：钽电解电容器的ESR低于铝电解电容器，因此，在很多情况下钽电解电容器的铝箔效果比铝电解电容器要好。表1是钽电解电容器的ESR、漏电流、纹波电流、100kHz的阻抗等参数。

表1 一般钽电解电容器的主要数据（数据取自EPCOS2004年数据手册）

由于钽电解电容器的阴极是二氧化锰，其电阻率仅为铝电解电容器的电解液阴极的约1/10。当然钽电解电容器的ESR远低于同额定电压的铝电解电容器的ESR。

不仅如此，从图1（a）中可以看到，钽电解电容器的ESR随温度变化很小远远低于铝电解电容器，这样钽电解电容器就可以工作在很宽的温度范围，并保持良好的性能。这就是钽电解电容器在性能上优于铝电解电容器的又一个特性。由于钽电解电容器的阴极是二氧化锰，其电阻率仅为铝电解电容器的电解液阴极的约1/10。当然钽电解电容器的ESR远低于同额定电压的铝电解电容器的ESR。

2.　交流功率损耗

2.1 钽电解电容器上的迭加交流电压

施加在钽电解电容器电容器上，另外还有直流电压。直流电压和迭加交流电压峰值的和不能超过最大连续电压。必须不出现不允许的非正确极性来限制迭加交流电压。

流过电容器的交流电流和所加的交流电压不能超过钽电解电容器中的最大额定值，否则钽电解电容器可能会因为交流电流流过钽电解电容器的ESR所造成的损耗而过度发热被损坏或使用寿命减少。允许交变电压和/或叠加交变电流的值取决于等效串联电阻（ESR）和所容许的功率耗损。其计算基本公式如下：

很显然，这个功耗与钽电解电容器本身的ESR和外加的纹波电流的平方成正比。当交流迭加电压施加到钽电解电容器上时，交流迭加电压不仅在ESR上产生压降，而且也在容抗或感抗上产生压降，整个交流迭加电压是电容、电感和ESR上电压之和。但是所产生的损耗仅为ESR上电压分量造成的，因此，ESR上的压降为：

2.2  最大容许脉动电流和交变电压负载

应用下表的Pmax，可以计算最大容许脉动电流和交变电压负载。

2.3  钽电解电容器的最大容许功率耗损

钽电解电容器的损耗基本上为纹波电流造成，不同的封装尺寸具有不同的功率耗散能力，表5.16给出了常见的典型钽电解电容器封装所允许的功率耗散。

表 5.16 典型钽电解电容器封装所允许的功率耗散

如果不清楚手中的钽电解电容器能够允许多大的纹波电流，可以在测量出钽电解电容器的ESR后，用表5.16中的功率耗散数据除以钽电解电容器的ESR，然后开平方就是钽电解电容器所允许的纹波电流。

需要注意的是，任何器件的功率耗散能力都是在特定的温度条件下的。表5.16的数据是钽电解电容器在25℃的应用环境下的数据。随着温度的上升，其耗散能力将下降钽电解电容器的功率耗散能力与温度的关系如图2。

如果不清楚手中的钽电解电容器能够允许多大的纹波电流，可以在测量出钽电解电容器的ESR后，用表5.16中的功率耗散数据除以钽电解电容器的ESR，然后开平方就是钽电解电容器所允许的纹波电流。

图2钽电解电容器的纹波电压、电流积与温度的关系

图中的功率耗散能力示意容许的纹波电流Iac和容许交流电压Vac的乘积与温度T的关系表示的。

3. 损耗因数

损耗因数tanδ随频率增加，在谐振频率附近有很高值，在100kHz时的损耗因数大约为120Hz时的130倍！。损耗因数与温度的关系为，以20℃为最低。低于20℃，损耗因数随温度下降而上升，高于20℃，则损耗因数随温度上升而增加。图3表示了损耗因数的典型频率和温度关系。

图3损耗因数与温度、频率的关系

4.  漏电流

当电解电容器有直流电压时，在钽电解电容器上流过一个很低的电流，即漏电流Iik。漏电流Iik随电压和温度上升而增加，如图4。

图4 漏电流与温度的关系

从图中可以看到，在同样的温度时，当端电压下降到额定电压的25%时，漏电流也随之下降到额定电压时的10%；同样，在同样端电压下，当温度上升到125℃时，漏电流随之增加到20℃时漏电流的50倍！

漏电流和时间的关系如图5所示，当第一次有电压（启动电流）时漏电流很高。但是在工作过程和急剧减小最后几乎“稳定-状态”常数值。

图5 漏电流与充电时间的关系

漏电流测量：20C，电容器上加有5分额定电压后，测试漏电流。与稳定电源和1000Ω串联电阻连接，以限制充电电流。

加电压前，电容器在额定温度稳定30分。

对固体电解钽电容器，应用实际标准需要下面的20C时的限定值：

，最小0.5uA。

应用下面温度因数

85℃：10

125℃：12.5

不加电压储存后的漏电流：钽和它的氧化物能抵抗化学影响的能力，它只受有侵略性化学物的损坏。所以，对于通常应用的电解质有高抵抗性，氧化层无变质。

在室温不加电压的储存对漏电流没有影响，只对增加的储存温度有些影响。这意味着钽电解电容器至少能储存10年而不需另外在更新。

5.  环境的对钽电解电容器的影响

因为可靠性和电参数随温度变化的事实，必须限定电容器能承受的气候条件。最重要的气候因素是容许的最低和最高温度和潮湿条件。这三个参数的值是如IEC气候类别（10.5章）的码。对应用在各自类型，IEC分类给出相应的数据表。

5.1  温度范围

电容器的温度范围更低和更高之间的温度环境范围，在其内电容器更根据它的气候类别工作。钽电解电容器的温度范围在-55C和+125C这间。在-55到+85范围间，最大连续电压Vcont可等于额定电压VR，不考虑其他具体限定条件。环境温度高于85C，所允许施加的电压降低。

5.2  最小容许工作温度Tmin（更低环境温度）

由于每个单体电容器类型允许的电容下降，或电解或半导体层的导电率的减小导致的阻抗的增加，导致更低环境温度。温度下降到更低环境温度不会影响使用寿命。

5.3  最大容许工作温度Tmax（更高环境温度）

更高环境温度是最大容许环境温度，在这个温度电容器可连续工作在状态允许的电子负载。如果超过这个限制，电容器可能提早失效。允许短时间超过更高环境温度。但是，因为容许的时间依赖电子负载。

5.4  阻尼热条件

钽电解电容器的容许阻尼热条件由相应得IEC 68-1的气候类别说明，由相应得的IEC68-2-3测试提供。

5.5　储存和运输温度

固体钽质电容器被可以储存在-80℃的温度的环境。最高储存温度不能超额定温度范围。