電容器的基礎知識

來源：JLE電路保護與器件更新時間：2024-07-13 閱讀：

電容器的基礎知識

電容器是與電阻、線圈齊名的三大無源器件之一。雖然是一個簡單的零部件，但是首先我們可以說沒有不使用電容器的電氣或電子電路。PC和智能手機之類的高端電子設備，如果沒有電容器就無法構成電路，而且對于作為其核心的CPU和通信芯片來說，電容器可謂最重要的周邊零部件之一。

所謂電容器

電容器是指能在內部電極表面蓄積電荷的電子零部件。由于能夠蓄積起來的電荷比電池少，因而只能在短暫的時間內供給電流，但是可多次反復使用，并可在瞬間放出較大的電流。

如果將絕緣體(介質)平行地夾在金屬板(電極)上，就會成為電容器。如果向該金屬板(電極)間施加直流電壓，就可將電荷儲存起來。這就是電容器的原理。被蓄積起來的電荷量叫做靜電電容，靜電電容C是由絕緣體的介電常數(shù)ε、電極的表面積S、絕緣體的厚度d來決定的。

靜電電容Ｃ，通過增大絕緣體的介電常數(shù)ε，增大電極的表面積S，減薄絕緣體的厚度d而會增大。但是，如果減薄絕緣體的厚度d，電容器的耐電壓(額定電壓)就會降低。

電容器的作用

電容器具有以下特性，即①能夠在瞬時進行充放電；②直流電流不會通過，但交流電則會通過；③頻率越高越容易通過。電路中常利用這些特性衍生出一些使用方法。

這里列出典型的使用方法的電路例。

放電電路

放電電路是通過使蓄積在電容器中的電荷放電來使得被連接的負荷動作的電路。由于放電電路可在瞬時將大電流釋放出去，因而可將其作為相機的閃光燈或緊急時的后備電源來使用。

平滑電路

平滑電路是將交流轉換為直流的電路。平滑電路用于抑制波形變動幅度的用途，該波形變動幅度已被電源的橋接電路等進行全波整流。

解耦合電路

解耦合電路如其名稱所示，使用該電路的目的在于要將前段發(fā)生的變動(噪聲)不傳播到后段的電路中。去除開關電源中的開關噪聲的用途就屬于此種目的。

耦合電路

耦合電路恰好相反，它從前段電路的信號中只提取變化部分(交流成分)并使其傳播到后段電路。耦合電路被用于音頻信號的電路等中。

電容器的特性

理想的電容器只含有靜電電容成分，但是實際的電容器則含有電阻成分和電感成分。這些寄生成分對電容器的性能產生較大的影響。電容器的簡易等效電路如圖所示。如圖所示，實際的電容器的等效電路中包含有ESR(等效串聯(lián)電阻)、ESL(等效串聯(lián)電感)。此外，電容器的電極間最好是絕緣，但是實際上會存在若干的漏電流。

這里對這些成分進行了歸納。

此外，另外一個重要的特性是具有阻抗。
簡單地說，阻抗即為交流電路中的電壓與電流之比，相當于直流電路中的電阻。記號使用Z，單位與電阻相同，使用Ω。

根據(jù)此式，可弄清以下事項。

在頻率低的區(qū)域，阻抗大致上是由靜電電容(C)來決定的。
自共振頻率(成為2πf L = 1／(2πf C) 的頻率)中，阻抗是由ESR來決定的。
在頻率高的區(qū)域，阻抗大致上是由ESL來決定的。

如果用圖形來表示這種情況，則如右圖所示。電容器的阻抗Z，到自共振頻率為止容量性(C)下降，而在自共振頻率下C和ESL的影響成為零，只受ESR的影響，過了這一點則成為電感性(ESL)，并與頻率一起增加。

在將電容器用于其主要用途即噪聲吸收(解耦合)中時，噪聲吸收效果是由阻抗來決定的，因而需要按照以下的要點來選定零部件。

噪聲的頻率與電容器的自共振頻率接近。
ESR小。
高頻噪聲時，ESL小。

電容器的種類與特點

電容器根據(jù)所使用的材料和構造等有許許多多的種類。此外，其特點根據(jù)種類而不同。根據(jù)這些特點來進行設計時的選擇。

除了上述之外，將鋁電解電容器與導電性聚合物電容器進行融合，兼?zhèn)涓髯蕴攸c的導電性聚合物混合鋁電解電容器近年來備受人們的關注。

導電性聚合物混合鋁電解電容器

導電性聚合物混合鋁電解電容器是在電解質中將導電性聚合物與電解液融合而成的電容器，是最適合于要求小型、高可靠性的汽車相關設備和通信基站等的電容器。

關于鋁電解電容器

導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造，即在陽極的鋁箔的表面形成作為絕緣體(介質)的氧化被膜，電解質(陰極)使用電解液(溶媒中溶解了電解質的液體)。

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測中一般可應用「10℃2倍的定律」。

所謂導電性聚合物混合鋁電解電容器

導電性聚合物混合鋁電解電容器(下稱混合電容器)采用將導電性聚合物與電解液融合而成的混合電解質，具有兼?zhèn)鋵щ娦跃酆衔镫娙萜骱弯X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造的比較。兩者在構造上基本相同，如前所述，電解質則存在差異。

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的頻率特性進行比較的結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的情形進行比較。如右圖所示，使用混合電容器的47μF，能夠將輸出脈動電壓控制得更低。
此外，還可從中獲知，能夠實現(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，通過從采用導電性聚合物來對曾經是弱點的低溫特性和ESR特性、耐高紋波電流能力進行了改善的電容器。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)設備為中心，在不斷擴大其應用范圍。
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?；旌想娙萜鳛楸砻尜N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ECU和EPS馬達控制電路電源的事例。發(fā)動機ECU的事例中，已將在DC/DC轉換器的輸入中使用的鋁電解電容器替換為混合電容器。能夠將數(shù)量減少一半，還可大幅度減小貼裝面積。EPS馬達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)所使用的材料和結構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，設計時根據(jù)這些特點來進行選擇。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行，但由于是機械地使其變化的結構，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

陶瓷電容器是電介質采用了高介電常數(shù)陶瓷的電容器，具有以下特點。

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構而實現(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?，其形狀比以往的高介電常?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(因高頻導致的振動而產生異音)、因溫度/機械性沖擊而易于發(fā)生開裂，使用時需要注意。

薄膜電容器

薄膜電容器是電介質采用了塑料薄膜的電容器，具有以下特點。

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靜電電容的特性，此外也不存在DC偏壓特性和嘯叫、溫度/機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，薄膜電容器還具有下述特點，需根據(jù)用途進行區(qū)分使用。

PET和PP屬于引線類型的電介質，以前經常使用小型、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的進步進展，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構，即在陽極的鋁箔表面形成作為電介質的鋁氧化被膜，電解質(陰極)使用電解液(溶媒中溶解了電解質的液體)。

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測一般可應用“10℃2倍的定律”。

鉭電解電容器

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

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(電解質為固體)。
但是，故障模式為短路，有導致起火的危險，因而必須采取安全對策。

導電性聚合物電容器

導電性聚合物電容器，是將電解電容器的電解質作為導電性聚合物(固體)的電容器。
導電性聚合物的電導率非常高，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，目前正在推進從其他電解電容器向導電性聚合物電容器的替換，但由于其價格昂貴和沒有額定電壓高的產品之故，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。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、負極中使用的活性炭的電極表面離子的吸附或解吸?；诖顺浞烹姷碾p層的變化如下圖所示。