1.5 电解电容器封装形式的变化
在电解电容器改进的过程中,电解电容器的封装形式也发生了变化。小型电解电容器从过去的蜡管封装和负极为铝壳、正极为焊片的封装方式变成现在的轴向引线方式,如图1-6所示。
图1-6 轴向引线式小型电解电容器
这种封装形式的优点是安装牢固,大多在欧美电子电路中应用,缺点是制造过程相对麻烦,成本相对较高。
随着电子电路的商业化,作为商业竞争,要求电子电路中的每一个元器件的成本要尽可能的低,日本则采用了同侧引线方式,如图1-7所示。
图1-7 同侧引线式电解电容器
同侧引线式电解电容器便于机械化大批量生产,生产成本低,同时还可以减小电解电容器占用电路板的面积,有利于减小电子电路的体积。在小型电解电容器封装竞争过程中,同侧引线式电解电容器战胜了轴向引线式电解电容器。国产小型电解电容器多为同侧引线方式。
与此同时,电容器的体积在不断地减小。例如10μF/400V电解电容器,蜡管封装时尺寸大概需要ϕ25mm×60mm(不包括引线),20年前,同规格的同侧引线式电解电容器尺寸约为ϕ12.5mm×20mm,现在则仅仅需要ϕ10mm×16mm,甚至小尺寸的可以达到ϕ8mm×16mm或ϕ10mm×12.5mm。
大电容量电解电容器仅靠两个引线固定显得不可靠,需要更坚固的固定方式。早期的大电容量电解电容器为焊片式,采用卡子固定方式。对于晶体管电子电路和集成电路,这种安装方式不适合,需要更简单的安装方式,最好是直接焊接在电路板上,并且用焊接的引脚将电解电容器固定,这需要比较结实的引脚。最常见的就是“牛角”型电解电容器。这种电解电容器引出线为同侧比较粗的引脚,为了波峰焊条件下能牢固地固定在电路板上,引脚为弯曲形状,以勾在电路板的焊孔里不至于脱落。这种引脚很像牛角,故称为“牛角”型电解电容器,如图1-8所示。
图1-8 “牛角”型电解电容器
电解电容器体积更大时,两只插脚的机械强度显得不够,需要用四只插脚或五只插脚固定,如图1-9a、图1-9b所示。
通常,由于电解电容器仅仅需要两只引脚作为电极,四插脚的“牛角”型电解电容器有两只插脚是内部不连接正极和负极。但是由于电解电容器内部电解液的存在,没有内部连接的插脚可以认为与负极等电位,但是不能作为电极承受电流。
现在“牛角”型电解电容器最大可以做到2200μF/400V。大型“牛角”型电解电容器相对于螺栓式电解电容器便宜得多。
图1-9 多插脚的电解电容器
大型“牛角”型电解电容器除了选用四插脚方式外,近年来还出现了新型的插片式电解电容器,由于插片的机械强度远大于插脚,且两只插片以90°垂直方向安装,可以获得比四插脚的电解电容器更坚固的安装强度。插片式电解电容器如图1-10所示。
电容量继续增大,“牛角”型电解电容器的引脚无法可靠地固定电解电容器时,需要更坚固、可以通过更大电流的封装形式,这就是螺栓式电解电容器,如图1-11所示。
螺栓式电解电容器的固定通常不适用电极的螺栓,而是用卡子,所以比较著名的电解电容器制造商会将卡子与电解电容器一同出售。螺栓式电解电容器甚至可以做到10 mF/450V或3F/16V,尺寸可以做到直径约100mm,高度近250mm。如果需要更大的电解电容器就需要采用多只并联方式,至少现在是这样。
图1-10 插片式电解电容器
电子元件装配进入贴片化后,要求电解电容器也要满足贴片的要求,贴片式封装的电解电容器应运而生,如图1-12所示。
图1-11 螺栓式电解电容器
图1-12 贴片式封装的电解电容器
上述电解电容器均为卷绕而成,存在较大寄生电感,而叠片形式(即MLCC或贴片式钽电解电容器的封装形式)的电容器具有很低的寄生电感,为了减小电解电容器的寄生电感,提高电解电容器的频率性能,要求电容器采用贴片式钽电解电容器的封装形式。叠片式电解电容器如图1-13所示。
图1-13 叠片式电解电容器
电解电容器封装也决定了电解电容器可以承受的电流能力。例如,引线式电解电容器每个电极只有一个导针,而“牛角”型电解电容器每个电极至少有两个导流条,螺栓式电解电容器每个电极根据流过的电流,可以有更多的导流条。
很显然,每个电极仅有一个导针时,对应的载流能力相对最小。“牛角”型电解电容器至少有两个导流条,载流能力肯定比仅有一个导针的大,而更多的导流条会成倍地增加载流能力。
可以相信,如果将来的电解电容器需要更高的载流能力,必然会出现具有更高载流能力的电极导流方式和全新的封装形式。