電容器的基礎(chǔ)知識

關(guān)于鋁電解電容器

導(dǎo)電性聚合物混合鋁電解電容器，如其名稱所示，屬于鋁電解電容器的行列。為了加深對導(dǎo)電性聚合物混合鋁電解電容器的理解，下面我們先來簡單說明一下鋁電解電容器。

鋁電解電容器采用這樣的構(gòu)造，即在陽極的鋁箔的表面形成作為絕緣體(介質(zhì))的氧化被膜，電解質(zhì)(陰極)使用電解液(溶媒中溶解了電解質(zhì)的液體)。

鋁電解電容器的特點在于其大容量，這是通過對鋁箔的表面進(jìn)行蝕刻來形成凹凸以增大電極表面積(S)，再行成埃級(10-10m)的極薄氧化被膜厚度(d)而實現(xiàn)。

鋁電解電容器的特點在于其大容量，這是通過對鋁箔的表面進(jìn)行蝕刻來形成凹凸以增大電極表面積(S)，再行成埃級(10-10m)的極薄氧化被膜厚度(d)而實現(xiàn)。
鋁電解電容器是壽命有限的產(chǎn)品。這是因為，電解液會在溫度的影響下氣化，漸漸地從封口橡膠透過，伴隨時間的推移容量下降，ＥＳＲ上升，最終成為開路狀態(tài)(電解液干涸)。

鋁電解電容器的壽命預(yù)測中一般可應(yīng)用「10℃2倍的定律」。

所謂導(dǎo)電性聚合物混合鋁電解電容器

導(dǎo)電性聚合物混合鋁電解電容器(下稱混合電容器)采用將導(dǎo)電性聚合物與電解液融合而成的混合電解質(zhì)，具有兼?zhèn)鋵?dǎo)電性聚合物電容器和鋁電解電容器的優(yōu)點的優(yōu)異性能。雖然是小型電容器，但是實現(xiàn)了高耐壓、大容量、低ESR、高脈動電流、長壽命。另外，最終的故障模式是與鋁電解電容器相同的開路模式，壽命推算式也可應(yīng)用10℃2倍定律。

下面列出一般的鋁電解電容器與混合電容器的基本構(gòu)造的比較。兩者在構(gòu)造上基本相同，如前所述，電解質(zhì)則存在差異。

混合電容器的特點

混合電容器的最大特點是，相比以往的鋁電解電容器，實現(xiàn)低ESR的同時能通過高紋波電流。
低ESR，并非只是噪聲吸收效果好，而且基于ESR的能耗損失減少，進(jìn)而基于該能耗損失的自身溫度上升降低。
器件溫升低可以延長電容器的壽命，而且從同一壽命的角度來考量，低ESR也能夠讓較大的電流流過。

利用鋁電解電容器和混合電容器，對ESR的頻率特性進(jìn)行比較的結(jié)果如右邊的圖形所示。
一般來說，鋁電解電容器其容量越大尺寸也就會隨之增大，ESR降低。但是，具備低ESR特點的混合電容器，與鋁電解電容器相比，即使是低容量、小型尺寸的電容器也可獲得同等的ESR值。
如果是混合電容器，即使是47μF，ESR也比鋁電解電容器的330μF更低。
因此，作為鋁電解電容器的330μF的替代品，可使用混合電容器的47μF。

舉個例子來說，對開關(guān)電源的輸出平滑中使用鋁電解電容器330μF的情形和使用混合電容器47μF的情形進(jìn)行比較。如右圖所示，使用混合電容器的47μF，能夠?qū)⑤敵雒}動電壓控制得更低。
此外，還可從中獲知，能夠?qū)崿F(xiàn)形狀的大幅度小型化，即從?10×10.2mm變?yōu)?6.3×5.8mm。

混合電容器的使用事例

如上所述，混合電容器是一款在保留了以往的鋁電解電容器的優(yōu)點(安全性、低LC)的同時，通過從采用導(dǎo)電性聚合物來對曾經(jīng)是弱點的低溫特性和ESR特性、耐高紋波電流能力進(jìn)行了改善的電容器。通過靈活運用這些特點，混合電容器在要求具備安全性和可靠性的車載及工業(yè)設(shè)備為中心，在不斷擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。
最后介紹通過采用混合電容器來減少數(shù)量，實現(xiàn)小型化的事例。

首先要介紹的是從徑向引線2220μF的鋁電解電容器×1＋MLCC×5這樣的構(gòu)成，用1個47μF的混合電容器來替換通用電源的輸出電容器的例子。混合電容器為表面貼裝型電容器。除了零部件數(shù)量減少，貼裝面積減小，實現(xiàn)完全表面貼裝化之外，不使用容易出現(xiàn)短路故障模式的MLCC，可靠性也得到了提高。

然后介紹發(fā)動機(jī)ECU和EPS馬達(dá)控制電路電源的事例。發(fā)動機(jī)ECU的事例中，已將在DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入中使用的鋁電解電容器替換為混合電容器。能夠?qū)?shù)量減少一半，還可大幅度減小貼裝面積。EPS馬達(dá)控制是對平滑用電容做了替換，這個案例將徑向引線型鋁電解電容器進(jìn)行表面貼裝，并且減小貼裝面積和高度，提高了可靠性和額定紋波電流。

這是能夠充分體現(xiàn)混合電容優(yōu)勢的例子。

電容器的種類

電容器根據(jù)所使用的材料和結(jié)構(gòu)等有許許多多的種類。此外，根據(jù)種類不同特點也有所差異，設(shè)計時根據(jù)這些特點來進(jìn)行選擇。主要的電容器種類如下圖所示。

可變電容器

電容器的主流是固定電容器，但是也包括靜電電容在一定范圍內(nèi)可變的可變電容器。
可變電容器，常見的是改變對置電極面積以使靜電電容變化的電容器。
此外，有些可變電容器在收音機(jī)的選臺等中容值頻繁地變化 (可變電容器)、而其他電容器(微調(diào)電容器)在電路組裝過程中只會發(fā)生一次變化。
靜電電容的變化可通過旋鈕或螺絲刀來進(jìn)行，但由于是機(jī)械地使其變化的結(jié)構(gòu)，因而難以制作靜電電容大且具有pF (皮法微微法拉)級小電容器。

無極性電容器和有極性電容器

固定電容器大致區(qū)分為無極性電容器和有極性電容器。
無極性電容器，其施加到電容器端子上的電壓極性沒有限制，也就是說這種電容器是哪一個端子為正也都無妨的電容器。只要是無極性電容器，就可施加從零電位升降的電壓，因而即使在交流電路中也可直接使用。
無極性電容器的主流是陶瓷電容器和薄膜電容器，此外還包括云母電容器、紙電容器、空氣電容器。

而有極性電容器則是決定2個端子的其中一個作為正的電容器，如果弄錯極性而使用，電容器就會發(fā)生故障。因此，有極性電容器受到制約，即必須在直流電壓或者只在正極側(cè)變動的電壓下使用。但是，有極性電容器的優(yōu)點在于形狀小，易于獲得大電容的電容器，因而被廣泛使用。鋁電解電容器、鉭電解電容器、導(dǎo)電性聚合物(電解)電容器、雙電層電容器就屬于這種電容器。

陶瓷電容器

• 無極性
• 優(yōu)異的高頻特性(低ESR)
• 高耐熱
• 長壽命

陶瓷電容器原本是高耐壓/低電容的單板電容器，但隨著因薄膜層疊結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)了小型大電容化的層疊陶瓷電容器的出現(xiàn)，及克服了曾是缺點的溫度特性(溫度造成的靜電電容變化率大)的用于溫度補償?shù)碾娙萜鞯某霈F(xiàn)，其使用范圍大幅度擴(kuò)大，并成了電容器中被最常使用的電容器。另外，用于溫度補償?shù)碾娙萜鳎湫螤畋纫酝母呓殡姵?shù)系大，不易大電容化，因而根據(jù)用途區(qū)分使用。

但是，陶瓷電容器具有以下缺點，如DC偏壓特性(因施加電壓而靜電電容大幅度變化)和嘯叫(因高頻導(dǎo)致的振動而產(chǎn)生異音)、因溫度/機(jī)械性沖擊而易于發(fā)生開裂，使用時需要注意。

薄膜電容器

• 無極性

• 優(yōu)異的高頻特性(低ESR)

• 優(yōu)異的溫度特性(溫度引起的靜電電容的變化率小)

• 可高精度地對應(yīng)靜電電容

• 長壽命

與陶瓷電容器相比，雖然耐熱性低，但是追加了優(yōu)異的溫度特性和可高精度地對應(yīng)靜電電容的特性，此外也不存在DC偏壓特性和嘯叫、溫度/機(jī)械性沖擊引起的開裂問題。因此，薄膜電容器雖然性能比陶瓷電容器高，但是由于其形狀大，價格昂貴的缺點，因而被用在陶瓷電容器無法覆蓋的電壓、電容區(qū)和高性能/高精度的用途。

根據(jù)要使用的電介質(zhì)，薄膜電容器還具有下述特點，需根據(jù)用途進(jìn)行區(qū)分使用。

PET和PP屬于引線類型的電介質(zhì)，以前經(jīng)常使用小型、低價格的PET而優(yōu)異的高頻特性(低ESR)的PP用于高頻/大電流，但由于PP還具有高安全和高耐濕性的特點，并且隨著PP薄膜電容器的小型化技術(shù)的進(jìn)步進(jìn)展，現(xiàn)在PP用于眾多的用途。
PPS和PEN具有高耐熱的特點，因而被用于表面安裝用薄膜電容器。它們的電氣特性，具有PEN接近PET，PPS接近PP的特性。

鋁電解電容器

鋁電解電容器采用這樣的結(jié)構(gòu)，即在陽極的鋁箔表面形成作為電介質(zhì)的鋁氧化被膜，電解質(zhì)(陰極)使用電解液(溶媒中溶解了電解質(zhì)的液體)。

鋁電解電容器的特點在于其大電容，這是通過對鋁箔的表面進(jìn)行蝕刻來形成凹凸以增大電極表面積(S)，再在埃級的極薄狀態(tài)下形成氧化被膜的厚度(d)而實現(xiàn)的。
但是，與陶瓷電容器和薄膜電容器相比，等效串聯(lián)電阻(ESR)升高。

鋁電解電容器是使用壽命有限的產(chǎn)品。這是因為，電解液會在溫度的影響下氣化，漸漸地滲透到封口橡膠中，伴隨時間的推移電容下降，ESR上升，最終成為開路狀態(tài)(電解液干涸)。

鋁電解電容器的壽命預(yù)測一般可應(yīng)用“10℃2倍的定律”。

鉭電解電容器

鉭電解電容器的基本結(jié)構(gòu)與鋁電解電容器大致相同，其作為陽極的鉭金屬粉的燒結(jié)體表面形成作為電介質(zhì)的五氧化鉭，電解質(zhì)采用了二氧化錳(固體)的結(jié)構(gòu)。

鉭電解電容器具有以下特點，即形狀比鋁電解電容器小，頻率特性優(yōu)異，壽命長(電解質(zhì)為固體)。
但是，故障模式為短路，有導(dǎo)致起火的危險，因而必須采取安全對策。

導(dǎo)電性聚合物電容器

導(dǎo)電性聚合物電容器，是將電解電容器的電解質(zhì)作為導(dǎo)電性聚合物(固體)的電容器。
導(dǎo)電性聚合物的電導(dǎo)率非常高，是鋁電解電容器的電解液的10000倍，鉭電解電容器的二氧化錳的1000倍，等效串聯(lián)電阻(ESR)低，因而在吸收紋波的用途中比其他電解電容器更為有利。
因此，目前正在推進(jìn)從其他電解電容器向?qū)щ娦跃酆衔镫娙萜鞯奶鎿Q，但由于其價格昂貴和沒有額定電壓高的產(chǎn)品之故，根據(jù)用途與其他電解電容器區(qū)分使用。

電氣雙層電容器

電氣雙層電容器，是具有鋁電解電容器和二次電池(電池)的中間電容的特殊電容器，其電容密度為鋁電解電容器的大約1000倍以上，是二次電池的1/10左右。

電氣雙層電容器中沒有像電解電容器那樣的電介質(zhì)。取而代之，其將在電極和電解液的界面形成的雙電層作為電介質(zhì)的功能來利用。這就是電氣雙層電容器這個名稱的由來。
電氣雙層電容器的充放電，利用在正、負(fù)極中使用的活性炭的電極表面離子的吸附或解吸。基于此充放電的雙層的變化如下圖所示。

與二次電池相比，電氣雙層電容器具有以下特點。

• 充放電周期數(shù)對特性劣化幾乎不產(chǎn)生影響 (免維護(hù))

• 充放電簡單(可放電至0V，可通過端子電壓確定能耗量，可進(jìn)行微小電流或大電流充電)

• 不受類似電池的限制(回收、廢棄、關(guān)稅)

因此，電氣雙層電容器被用作為停電時進(jìn)行IC存儲器的數(shù)據(jù)保護(hù)等備用電源。

電容器的種類和特點總結(jié)

此前我們對各種電容器的特點進(jìn)行了解說，這里對各電容器進(jìn)行對比并歸納成下表。