電容器的基礎知識

2021-01-14 硬體十萬個為什麼

電容器是與電阻、線圈並存的三大被動元器件之一。不僅在電氣或電子電路中會使用電容器,而且如果沒有電容器電路就不會正常工作。這在智慧型手機和IoT設備、伺服器和網絡、以及無線通信系統之類的尖端設備上也是一樣的。此外,電容器的性能會對各種電子設備的性能產生影響,因而已成為非常重要的零部件。

電容器的基本結構

簡而言之,電容器是能夠儲蓄電能,並可在必要的時候放電的零部件。可蓄積起來的電能(電荷)與電池相比較少,因而在放出電荷(放電)時只能在短時間內供給電流,但是可反覆進行充電(電荷的蓄積)和放電。

這裡列出電容器的示意(模式)圖。將絕緣體(電介質)平行地夾在金屬板(電極)之間而構成的就是電容器。如果向該金屬板(電極)間施加直流電壓,就可將電荷蓄積起來。這就是電容器的蓄電原理。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ε、電極的表面積S、絕緣體的厚度d來決定的。

可通過增大絕緣體的介電常數ε,增大電極的表面積S,減薄絕緣體的厚度d來增大靜電電容C。

電容器的電壓和電流

電容器由於其內部是絕緣的,因而不會有直流電流流過,但伴隨著所施加電壓的變動,通過進行充電和放電,看似好像有電流在電容器中流動。電壓隨時間變化率越大,流經電容器的電流就越會增大,如下式所示。


在對此電壓和電流的波形進行觀察時,如果電壓波形為正弦波,則電流波形也為正弦波,此外還可弄清電流波形在電壓波形之前偏移1/4周期(電流的相位先行90°)的情況。
此外,電壓的變化大就會有較大的電流流過這種情況表明,越是電壓變化大,高頻流過的電流就會越大。
此時流過的電流(有效值)如下式所示。



電容器的基本使用方法

如前所述,電容器具有以下特性,即①能夠在瞬時進行充電和放電;②直流不會通過,但交流則會通過;③頻率越高交流就越容易通過,電路中採用藉助於這些特性的使用方法。

這裡列出典型的使用方法的電路。

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。
實際的電容器的等效電路中包含有ESR(等效串聯電阻)、ESL(等效串聯電感)。此外,理想的電容器的電極間是絕緣的,但是實際上會存在若干的漏電流。

這裡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,相當於直流電路中的電阻。符號使用Z,單位與電阻相同,使用Ω。
電容器的阻抗(Z)用下式①來表示,阻抗的絕對值可通過下式②來計算。

電容器的阻抗Z,在諧振頻率之前呈容性下降,而在諧振頻率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),並與頻率一起增加。

在將電容器用於其主要用途即噪聲吸收(去耦)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。

1) 噪聲的頻率與電容器的諧振頻率接近。

2) ESR小。

3) 高頻噪聲時,ESL小。

電容器的種類

電容器根據所使用的材料和結構等有許許多多的種類。此外,特性種類而有所差異,設計時根據這些特點來選擇。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範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,但由於是機械地使其變化的結構,因而難以製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,此外還包括雲母電容器、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,有極性電容器的優點在於形狀小,易於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、雙電層電容器就屬於這種電容器。

陶瓷電容器

陶瓷電容器是電介質採用了高介電常數陶瓷的電容器,具有以下特點。


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了小型大電容化的層疊陶瓷電容器的出現,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)的用於溫度補償的電容器的出現,其使用範圍大幅度擴大,並成了電容器中被最常使用的電容器。另外,用於溫度補償的電容器,其形狀比以往的高介電常數系大,不易大電容化,因而根據用途區分使用。

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/機械性衝擊而易於發生開裂,使用時需要注意。

薄膜電容器

薄膜電容器是電介質採用了塑料薄膜的電容器,具有以下特點。


無極性

優異的高頻特性(低ESR)

優異的溫度特性(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/機械性衝擊引起的開裂問題。因此,薄膜電容器雖然性能比陶瓷電容器高,但是由於其形狀大,價格昂貴的缺點,因而被用在陶瓷電容器無法覆蓋的電壓、電容區和高性能/高精度的用途。


根據要使用的電介質,薄膜電容器還具有下述特點,需根據用途進行區分使用。

PET和PP屬於引線類型的電介質,以前經常使用小型、低價格的PET而優異的高頻特性(低ESR)的PP用於高頻/大電流,但由於PP還具有高安全和高耐溼性的特點,並且隨著PP薄膜電容器的小型化技術的進步進展,現在PP用於眾多的用途。
PPS和PEN具有高耐熱的特點,因而被用於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

鋁電解電容器採用這樣的結構,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於其大電容,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下形成氧化被膜的厚度(d)而實現的。
但是,與陶瓷電容器和薄膜電容器相比,等效串聯電阻(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(電解液乾涸)。
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,電解質採用了二氧化錳(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,因而必須採取安全對策。

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嚮導電性聚合物電容器的替換,但由於其價格昂貴和沒有額定電壓高的產品之故,根據用途與其他電解電容器區分使用。

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。基於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。


因此,電氣雙層電容器被用作為停電時進行IC存儲器的數據保護等備用電源。


本文轉載整理自  松下panasonic官網

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