音响分频网络电路用铝电解电容器的研制

摘《电子元件与材料》2005年第2期

作者：姜正明 厦门市标格电子有限公司常务副总,  福建  厦门 361009;

摘要:根据音响扬声器分频网络电路对双极性铝电解电容器特性的要求,研制开发出具有高稳定性、高导电率和优良高频特性的Z系列工作电解液，通过电容器结构的改进、原材料的筛选，生产的电容器产品经用户厂家设计采纳并经上机负荷试验全部性能优良：I_L为0.03CU+3(µA),tgδ为4*10^-2,ΔC·C^-1为±10%,±20%。

关键词不达意：电子技术；铝电解电容器；音响分频网络电路

中图分类号：TM535⁺.2      文献标识码：A  文章编号：1001-2028（2005）02-0048-003

Development  of  Aluminum  Electrolytic  Capacitor  for  Audio  Frequency

                 Division   Circuits

JIANG Zheng-ming¹,XIONG Zhao-xian²

(1.  Xiamen Bugle Electronic Co.,Ltd ,Xiamen 361009 China;  2.Dept.of Materials Science and Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

Abstract:According to the demand for aluminum electrolytic capacitor in audio frequency division circuit,series Z of electrolytic solutions were developed with good stability,high conductivity and excellent prtformance at high frequency.With improvement of capacitor structure and optimization of raw materials,novel capacitors were produced in batches,which were accepted by customers for design and combination of electronic equipments.Main prtformance of capacitors:I_L=0.03CU+3(µA), tgδ=4*10^-2,ΔC·C^-1=±10%,±20%.

Key words:electronic technology;aluminum electrolytic capacitors;audio frequency division circuit

电解电容器由于价格便宜，电容量大，在分频器的低通和带通网络中广泛使用^【1-3】 。低通和带通网络虽然频率不太高，但工作在纯交流的低压大电流状态。因此使用铝电解电容器时，需要关注其电容量误差、损耗角正切值和漏电流，以及频率特性等电性能指标，在高通网络中使用更需慎重。本文主要介绍具较高专业水准的扬声器分频网络用铝电解电容器产品的研制开发经验。

1        音响分频网络用双极性电解电容器的设计

1.1   耐纹波电流大

电解电容器工作在音响分频网络电路中,所能承受纹波电流的功率极限值,主要取决于当纹波电流通过电容器时介质损耗引起的有功功率损耗,由此导致发热而引起较大温升时,可能造成电容器产品的失效破坏.

一般采用纹波电流I~来表征电容器的耐纹波电流的能力tg为4*10^-2,ΔC·C^-1为±10%,±20%^【4】：

          I~ =（2лfaSC△t/tgδ）^1/2                  (1)

式中:f单位为Hz;C为µF;S为㎝²;△t为℃。从公式可以看出电容器的耐纹波电流与工作频率f、电容量C、散热面积S、散热系数a、允许温升△t成正比，而与损耗角正切tg成反比，即产品的损耗值越大，承受允许纹波电流就越小。

先以公式推算的数值作为设计分频器用双极性铝电解电容器的依据，再从材料选用、工艺改进、散热材料改进等方面来降低损耗值，从而达到耐大纹波电流的效果。笔者研制的CM04电容器在1000Hz的tgδ值已低于0.03(表1)。

对于CM04型15µF，100V双极性电容器产品，在10kHz时损耗值为0.075，代入公式（1）经过计算允许纹波电流可达1624mA之多，比以往同类产品提升了数倍的耐纹波电流，这有利于提高产品的可靠性。CM04型音频网络用铝电解电容器电性能参数如下：使用温度范围：-40～+85℃，电容量允许误差：±10%、±20%，漏电流：I≤0.03C_RU_R+3(µA),损耗角正切值:tgδ≤0.04(20℃,1000Hz),电容量C_R=15µF,D×L=Ø16mm×42mm,f_r=1300Hz,I_p-p=1.6A,U_p-p=12.8V。

表1  CM04产品在不同频率的电容量和损耗角正切

Tab.1  Capacitances and dissipation factors of CM04 at different frequencies

音频电容器应用在音响电路中，所承受的交流信号电压相当复杂，它由不同频率的正弦波叠加而成。频率对电容器的电容量和损耗值影响很大，而电性能指标是以某一固定频率为考核标准。若采用国家标准规定的100Hz频率，与实际应用频率相差较大。为此，CM04型产品标准采用相对严格的1000Hz频率，比国家标准更接近实用分频点的频率。

1．2 频率特性好

随着工作频率的升高，电容器的容量值会降低，而损耗值会增高。虽然选用材料和工艺不尽相同，但是电解电容器的频率特性曲线变化趋势是一样的，只是曲线钭率大小和曲线拐点位置不同而已^【5】。

分频电容器要求谐振频率f_r要高，在谐振频率点附近阻抗要低。超过谐振频率后电解电容器阻抗随频率上升而加大。工作频率对于阻抗的影响曲线如图1所示。U形曲线底部的稍微翘起表明电容器的阻抗已由容抗为主转变成以感抗为主，U形曲线底部谷点所对应的频率f_r是电容器的谐振频率点。由于卷绕式结构的电容器存在一定的电感，当电感量越大时，就越易在较低频率时呈现U形特征：

f_r=1/[2л(LC)^1/2]                       (2)

由公式(2)可见,要使电容器适应宽频率使用,必须提高谐振频率点f_r,,避免电容器由容抗元件变成感抗元件而无法满足电路设计的需要。提高谐振频率最有效的措施就是降低电感量L。

此外，音响用电解电容器要求在工作的频率范围，其损耗角正切值和电容量变化率越小越好。电容器行业目前基本认可双极性音频电容器在1kHz频率下测量产品的电容量和损耗值。其实最理想是在分频网络的分频点的精密和优良的信号保真度。

1．3 工作电解液满足频率特性要求

电解电容器的工作电解液需要在物理化学和电化学性质方面保持长期稳定，在使用中不断提供修补电极氧化膜的电化学能力，具有很高的氧化效率和极少的气体产生。音频电容器所用工作电解液还应具有极低黏度和电阻率。电容器的等效串联电阻R_es的计算公式（3）：

           R_es  = r_介+r_金+r_解                          （3）

式中：r_介为介质损耗的等效串联电阻；r_金为金属接触等效串联电阻，r_解为电解液等效串联电阻。从电容器生产工艺分析，降低等效电阻的最主要方法是降低电解液的电阻率。

由于音频双极性电解电容器的特殊生产工艺，获得稳定的电容器漏电流值一直是生产中的难题。主要原因在于双极性电解电容器生产老练时充当负极的铝氧化膜，受到析出氧气的挤压，氧化膜会留下泄漏电流的疵点。根据音频双极性电容器特殊要求，笔者在工作电解液的配方中添加了磷化合物，既能抑制析氧作用，又有加强氧化膜层能力，从而使生产出的产品具有极低的漏电流的耐储存性能。开发出高稳定性、高离子迁移率、高导电率，具有优良高频特性的Z系列工作电解液，对提高产品的电性能指标起到了关键作用。参考配方如表2所示。

    表2    Z系列工作电解液的配方

Tab.2  Compositions of series Z as working electrolytic solutions

1．4 原材料的筛选满足频率特性要求

根据双极性电解电容器的工作原理和业内制造经验^[6]，笔者对音频电解电容器原材料进行了以下选择：

（1） 电极箔

 选用耐高压、低比容的优质电极箔。由于降低了电极箔的比容，电极箔表面相对平坦，降低了极板介质损耗的等效串联电阻，即式（2）的r_介，很适合在宽频率下使用；通过对众多电极箔的适应性筛选，选择的电极箔能与工作电解液优势互补，相得益彰。

（2） 电解纸

 电解电容器专用纸对产品电性能有较大影响，研究了多种电解纸的紧度、渗透系数及对电容器阻抗性能的影响，筛选出适合音频电容器的电解纸，以马尼拉麻纸最佳，如日本NKK公司的MER系死和国产M系列的电解纸。

2         电容器结构的改进

电容器的电感量L与引出结构方式有较大关系。笔者开发出一项专利技术可以较好降低电感量^[7]。通过合理选择铆接定位尺寸，使引出片在极板正中，且成对引出片接近重合，这种方式被认为上下极板电流方向相反，避免形成磁场以降低电感量，使产品的频率特性得到进一步改善（图2）。从图2可见：在频率测试范围未出现曲线拐点，产品适合100Hz～100kHz频率段。

3       试验与分析

3．1 产品设计定型试验

        产品设计定型试验，需通过二资助高温负载试验。其高温负载特性试验如下：施加额定工作电压，在85℃高温下，125h极性变换一次，2000h后恢复常温，于24h后且48h内测量电性能需满足：（静电容量度变化率为试验前的±20%以内；（2）损耗角正切值小于规定的1.5倍；（3）漏电流小于0.03CU+3(µF)。

3．2 上机负荷试验

上机验证参考方案如下：按电路设计将电容器组装成分频器，接上音源（如CD、VCD、DVD等），配上满足整机设计功率要求的放大器，连接音箱（按设计功率并可测分频电流）；单曲重放《×××》歌曲，环境温度38℃左右，电源电压220V，电源高电压240V；配接AB207KB功放，主音量置××位置，其它音调旋钮置中，工作电压常压220V工作48h，工作电压高压240V工作2h；工作电压常压220V、高温85℃连续工作48h；监测实验全过程，无失音、断续失音、音响失真；试验结束后检查电容器外观有无漏液、鼓胀等异常，检测电容器电容量、漏电流等性能指标是否在合格范围。

CM04系列电容器产品经使用厂家设计采纳，并经上机负荷试验全部性能优良，验证全部合格（详见表3）。

表3     CM04产品上机验证数据              

 Tab.3 Data of circuit experiment in equipment for CM04

4       结论

研制开发出具有高稳定性、高电导率和优良高频特性的Z系列工作电解液，通过电容器结构的改进、原材料的筛选，生产的CM04型电容器产品经用户厂家设计采纳并经上机负荷试验全部性能优良。

参考方献：

[1]张继虞.实用音箱制作技术[M].福州:福建科学出版社,1997

[2]梁华.Hi-Fi音响技术[M].沈阳:辽宁科学出版社,1995

[3]陈国光,曹婉真.电解电容器(修正本)[M].西安:西安交通大学出版社,1993

[4]林学清.铝电解电容器工程技术[M].厦门:厦门大学出版社,2002

[5]崔志武,韦春才,王绍洲.铝电解电容器[M].北京:学宛出版社,1992

[6]陈卫东.铝电解电容器S矫正电路的研究[J].电子元件与材料.1989,8(5):37-39.

[7]姜正明.一种全封闭式轴向铝电解电容器[P].中国专利:ZL99212615.0.