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干货 | 电容器的基础知识
发布时间:2020-06-19   点击次数:635次

    电容器是与电阻、线圈并存的三大被动元器件之一。不仅在电气或电子电路中会使用电容器,而且如果没有电容器电路就不会正常工作。这在智能手机和IoT设备、服务器和网络、以及无线通信系统之类的设备上也是一样的。此外,电容器的性能会对各种电子设备的性能产生影响,因而已成为非常重要的零部件。

 

电容器的基本结构

    简而言之,电容器是能够储蓄电能,并可在必要的时候放电的零部件。可蓄积起来的电能(电荷)与电池相比较少,因而在放出电荷(放电)时只能在短时间内供给电流,但是可反复进行充电(电荷的蓄积)和放电。

    这里列出电容器的示意(模式)图。将绝缘体(电介质)平行地夹在金属板(电极)之间而构成的就是电容器。如果向该金属板(电极)间施加直流电压,就可将电荷蓄积起来。这就是电容器的蓄电原理。被蓄积起来的电荷量叫做静电电容,静电电容C是由绝缘体的介电常数ε、电极的表面积S、绝缘体的厚度d来决定的。

    可通过增大绝缘体的介电常数ε,增大电极的表面积S,减薄绝缘体的厚度d来增大静电电容C。

 

电容器的电压和电流

    电容器由于其内部是绝缘的,因而不会有直流电流流过,但伴随着所施加电压的变动,通过进行充电和放电,看似好像有电流在电容器中流动。电压随时间变化率越大,流经电容器的电流就越会增大,如下式所示。

 

    在对此电压和电流的波形进行观察时,如果电压波形为正弦波,则电流波形也为正弦波,此外还可弄清电流波形在电压波形之前偏移1/4周期(电流的相位先行90°)的情况。

    此外,电压的变化大就会有较大的电流流过这种情况表明,越是电压变化大,高频流过的电流就会越大。

    此时流过的电流(有效值)如下式所示。

 

电容器的基本使用方法

    如前所述,电容器具有以下特性,即①能够在瞬时进行充电和放电;②直流不会通过,但交流则会通过;③频率越高交流就越容易通过,电路中采用借助于这些特性的使用方法。

    这里列出典型的使用方法的电路。

【放电电路】

    放电电路是通过释放蓄积在电容器中的电荷来使得被连接的负荷发生动作的电路。由于放电电路可在瞬时将大电流释放出去,因而可将其作为相机的闪光灯或紧急时的后备电源来使用。电路例中,若将开关连接到电源侧,电容器就会被充电;而当电荷蓄积至电源电压时,充电就会停止。若将开关连接到负荷(灯泡)侧,电容器就会开始放电,灯泡点亮。

【平滑电路】

    平滑电路是使得对交流进行整流后的脉动电流变得平滑并将其转换为直流的电路。电源电路就是其典型的例子。通过电容器来使得利用二极管桥对交流的输入电压进行整流(电路例中为全波整流)而得的电压波(脉动、脉动电流)变得平坦。

【去耦电路】

    去耦电路如其名称所示,是为了分离信号耦合而利用电容器的电路。此例中,如图所示,通过对基本直流中含有频率高的交流成分(噪声)的信号路径加入电容器,只有频率高的噪声成分通过电容器后被分离,之后令噪声不会被传递。去除开关电源中的开关噪声的用途就属于此种目的。

 

【耦合电路】

    耦合电路是不让直流成分通过而只让交流成分通过的电路。希望在音频信号的放大电路等中排除直流成分造成的影响(也称之为DC截除等)时使用耦合电路。

    除此之外,还有例如谐振电路、滤波器电路、备用电路、时间常数电路和功率因数改善等各种使用方法。

 

 

电容器的特性

    理想的电容器只含有静电电容成分,但是实际的电容器则含有电阻成分和电感成分。这些寄生成分对电容器的性能产生较大的影响。电容器的简易等效电路如图所示。

    实际的电容器的等效电路中包含有ESR(等效串联电阻)、ESL(等效串联电感)。此外,理想的电容器的电极间是绝缘的,但是实际上会存在若干的漏电流。

    这里对这些成分进行了归纳。

    此外,另外一个重要的特性是具有阻抗。简单地说,阻抗即为交流电路中的电压与电流之比,相当于直流电路中的电阻。符号使用Z,单位与电阻相同,使用Ω。

    电容器的阻抗(Z)用下式①来表示,阻抗的值可通过下式②来计算。

    电容器的阻抗Z,在谐振频率之前呈容性下降,而在谐振频率C和ESL的影响成为零,只受ESR的影响,过了这一点则成为电感性(ESL),并与频率一起增加。

    在将电容器用于其主要用途即噪声吸收(去耦)中时,噪声吸收效果是由阻抗来决定的,因而需要按照以下的要点来选定零部件。

1.噪声的频率与电容器的谐振频率接近。

2.ESR小。

3.高频噪声时,ESL小。

 

电容器的种类

    电容器根据所使用的材料和结构等有许许多多的种类。此外,特性种类而有所差异,设计时根据这些特点来选择。主要的电容器种类如下图所示。

可变电容器

    电容器的主流是固定电容器,但是也包括静电电容在一定范围内可变的可变电容器。
可变电容器,常见的是改变对置电极面积以使静电电容变化的电容器。

    此外,有些可变电容器在收音机的选台等中容值频繁地变化 (可变电容器)、而其他电容器(微调电容器)在电路组装过程中只会发生一次变化。

    静电电容的变化可通过旋钮或螺丝刀来进行,但由于是机械地使其变化的结构,因而难以制作静电电容大且具有pF (皮法微微法拉)级小电容器。

无极性电容器和有极性电容器

    固定电容器大致区分为无极性电容器和有极性电容器。

    无极性电容器,其施加到电容器端子上的电压极性没有限制,也就是说这种电容器是哪一个端子为正也都无妨的电容器。只要是无极性电容器,就可施加从零电位升降的电压,因而即使在交流电路中也可直接使用。

    无极性电容器的主流是陶瓷电容器和薄膜电容器,此外还包括云母电容器、纸电容器、空气电容器。

    而有极性电容器则是决定2个端子的其中一个作为正的电容器,如果弄错极性而使用,电容器就会发生故障。因此,有极性电容器受到制约,即必须在直流电压或者只在正极侧变动的电压下使用。但是,有极性电容器的优点在于形状小,易于获得大电容的电容器,因而被广泛使用。铝电解电容器、钽电解电容器、导电性聚合物(电解)电容器、双电层电容器就属于这种电容器。

陶瓷电容器

陶瓷电容器是电介质采用了高介电常数陶瓷的电容器,具有以下特点:

1.无极性

2.优异的高频特性(低ESR)

3.高耐热

4.长寿命

    陶瓷电容器原本是高耐压/低电容的单板电容器,但随着因薄膜层叠结构而实现了小型大电容化的层叠陶瓷电容器的出现,及克服了曾是缺点的温度特性(温度造成的静电电容变化率大)的用于温度补偿的电容器的出现,其使用范围大幅度扩大,并成了电容器中被长使用的电容器。另外,用于温度补偿的电容器,其形状比以往的高介电常数系大,不易大电容化,因而根据用途区分使用。

    但是,陶瓷电容器具有以下缺点,如DC偏压特性(因施加电压而静电电容大幅度变化)和啸叫(因高频导致的振动而产生异音)、因温度/机械性冲击而易于发生开裂,使用时需要注意。

薄膜电容器

薄膜电容器是电介质采用了塑料薄膜的电容器,具有以下特点:

1.无极性

2.优异的高频特性(低ESR)

3.优异的温度特性(温度引起的静电电容的变化率小)

4.可高精度地对应静电电容

5.长寿命

    与陶瓷电容器相比,虽然耐热性低,但是追加了优异的温度特性和可高精度地对应静电电容的特性,此外也不存在DC偏压特性和啸叫、温度/机械性冲击引起的开裂问题。因此,薄膜电容器虽然性能比陶瓷电容器高,但是由于其形状大,价格昂贵的缺点,因而被用在陶瓷电容器无法覆盖的电压、电容区和高性能/高精度的用途。

    根据要使用的电介质,薄膜电容器还具有下述特点,需根据用途进行区分使用。

    PET和PP属于引线类型的电介质,以前经常使用小型、低价格的PET而优异的高频特性(低ESR)的PP用于高频/大电流,但由于PP还具有高安全和高耐湿性的特点,并且随着PP薄膜电容器的小型化技术的进步进展,现在PP用于众多的用途。
PPS和PEN具有高耐热的特点,因而被用于表面安装用薄膜电容器。它们的电气特性,具有PEN接近PET,PPS接近PP的特性。

铝电解电容器

    铝电解电容器采用这样的结构,即在阳极的铝箔表面形成作为电介质的铝氧化被膜,电解质(阴极)使用电解液(溶媒中溶解了电解质的液体)。

    铝电解电容器的特点在于其大电容,这是通过对铝箔的表面进行蚀刻来形成凹凸以增大电极表面积(S),再在埃级的极薄状态下形成氧化被膜的厚度(d)而实现的。

    但是,与陶瓷电容器和薄膜电容器相比,等效串联电阻(ESR)升高。

    铝电解电容器是使用寿命有限的产品。这是因为,电解液会在温度的影响下气化,渐渐地渗透到封口橡胶中,伴随时间的推移电容下降,ESR上升,终成为开路状态(电解液干涸)。
铝电解电容器的寿命预测一般可应用“10℃2倍的定律”。
 

钽电解电容器

    钽电解电容器的基本结构与铝电解电容器大致相同,其作为阳极的钽金属粉的烧结体表面形成作为电介质的五氧化钽,电解质采用了二氧化锰(固体)的结构。

    钽电解电容器具有以下特点,即形状比铝电解电容器小,频率特性优异,寿命长(电解质为固体)。

    但是,故障模式为短路,有导致起火的危险,因而必须采取安全对策。

导电性聚合物电容器

    导电性聚合物电容器,是将电解电容器的电解质作为导电性聚合物(固体)的电容器。

    导电性聚合物的电导率非常高,是铝电解电容器的电解液的10000倍,钽电解电容器的二氧化锰的1000倍,等效串联电阻(ESR)低,因而在吸收纹波的用途中比其他电解电容器更为有利。

    因此,目前正在推进从其他电解电容器向导电性聚合物电容器的替换,但由于其价格昂贵和没有额定电压高的产品之故,根据用途与其他电解电容器区分使用。

电气双层电容器

    电气双层电容器,是具有铝电解电容器和二次电池(电池)的中间电容的特殊电容器,其电容密度为铝电解电容器的大约1000倍以上,是二次电池的1/10左右。

    电气双层电容器中没有像电解电容器那样的电介质。取而代之,其将在电极和电解液的界面形成的双电层作为电介质的功能来利用。这就是电气双层电容器这个名称的由来。

    电气双层电容器的充放电,利用在正、负极中使用的活性炭的电极表面离子的吸附或解吸。基于此充放电的双层的变化如下图所示。

与二次电池相比,电气双层电容器具有以下特点。

1.充放电周期数对特性劣化几乎不产生影响 (免维护)

2.充放电简单(可放电至0V,可通过端子电压确定能耗量,可进行微小电流或大电流充电)

3.不受类似电池的限制(回收、废弃、关税)

因此,电气双层电容器被用作为停电时进行IC存储器的数据保护等备用电源。

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