器件原廠講解電容的特性原理

1、,電解電容器特性比較,電容器簡介,,電 容 器 簡 介,電容器,電容器是最基本的電子元件之一，是無源元件。所謂電容器(capacitor)就是能夠儲存電荷的“容器”。只不過這種“容器”儲存的是一種特殊的物質--電荷(charge)，而且其所存儲的正負電荷等量地分布于兩塊不直接導通的導體板上。我們可以這樣描述電容器的基本結構：兩塊導體板（通常為金屬板）中間隔以電介質(dielectric)，即構成電容器的基本模型。,,電容器（capac

2、itor）：能夠儲存電荷(charge)的“容器”。結構：兩塊導體板中間隔以電介質(dielectric) 。特性：通交流、阻直流。 作用：濾波、旁路、耦合、去耦、儲能、調諧、計時、 轉相、溫度補償。,工作原理,如圖，為一個平板電容器，當在平板兩端加上電壓時，與電源正極相接的極板帶上正電荷，與電源負極相接的極板帶上負電荷，正極板的電勢高于負極板。 我們知道，原子是由原子核與核外電子組成，呈電中性，在電場的作用下會發(fā)生

3、極化。當我們將外接電源斷開后，正極板附近電介質帶負電，負極板附近電介質帶正電。接上負載后，由于正極板電勢高于負極板， 負極板的負電荷就向正極板運動，這就是 放電。極板上電荷放完后，兩個極板的電 勢差為零，電場消失，電介質原子就恢復 了原態(tài)。

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9、放電。極板上電荷放完后，兩個極板的電勢差為零，電場消失，電介質原子就恢復了原態(tài)。,電容器的分類,化學電容器：電解質作為陰極的電容器。 包括：電解液（electr

10、olyte）、二氧化錳（MnO2）、有機半導體TCNQ、導體聚合物等。非化學電容器：以其電介質命名。 如：陶瓷、紙介、塑料薄膜、空氣、云母、半導體電容器等。按結構分為：固定電容，可變電容，微調電容?！?按極性分為：有極性電容和無極性電容。按電 解質 分：有機介質電容器、無機介質電容器、電解電容器和空氣介質電 容器等。按用途分有：濾波、旁路、耦合、去耦、儲能、調諧、計時、轉相、溫度補

11、 償電容器。,陶瓷電容器,用陶瓷做介質，在陶瓷基體兩面涂覆銀漿，然后燒結成單片或多層獨石結構的電容器。它的特點是無極性、體積小、損耗小、絕緣電阻高，但容量小，適宜用于高頻電路。 多層獨石鐵電陶瓷電容雖然 電容量較大，但是損耗和溫 度系數(shù)較大，適宜用于低頻 電路。,薄膜電容器,用滌綸薄膜或聚丙烯薄膜做介質，蒸發(fā)的鋁膜做電極經(jīng)卷繞制成；無極性、電容量小、頻率特性好、溫度穩(wěn)定性好、介質損耗小、絕緣電阻高，適宜做濾波、旁路、

12、耦合、分壓作用。,電解電容器,在鋁、鉭、鈮、鈦等閥金屬的表面采用陽極氧化法生成一極薄且具有單向導電性的氧化膜作為電介質，以能生成和修復介質氧化膜的液狀或固狀電解質作為陰極而構成的電容器。兩個導電極板有正負極之分。,,電容器的主要參數(shù),電 容 量,C=?o??r?S/d?O ：真空介電常數(shù) (?O =1)?r 介質相對介電常數(shù)S 極板相對有效表面積d介質厚度。如介質 Al2O3，d=α Vf ，α =1.4nm/V鋁電解電容

13、器的比容量約為300μF/cm3。陶瓷片式電容器的比容量一般不會超過2μF/cm3。 電容量誤差等級 ：D——005級——±0.5%； F——01級——±1%； G——02級——±2%； J——I級——±5%； K——II級——&

14、#177;10%； M——III級——±20%。,電容容量越大越好的誤區(qū)：,雖然電容越大，為IC提供的電流補償?shù)哪芰υ綇?。且不說電容容量的增大帶來的體積變大，增加成本的同時還影響空氣流動和散熱。關鍵在于電容上存在寄生電感，電容放電回路會在某個頻點上發(fā)生諧振。在諧振點，電容的阻抗小。因此放電回路的阻抗最小，補充能量的效果也最好。但當頻率超過諧振點時，放電回路的阻抗開始增加，電容提供電流能力便開始下降。電容的容值越大，諧

15、振頻率越低，電容能有效補償電流的頻率范圍也越小。從保證電容提供高頻電流的能力的角度來說，電容越大越好的觀點是錯誤的,等效串聯(lián)電阻ESR,ESR等效串聯(lián)電阻是電容的介質損耗（Rsd）和金屬損耗（Rsm）的綜合。 即：ESR＝Rsd+Rsm ESR與損耗角有關聯(lián)，ESR＝tanδ/(ω×Cs)，Cs是電容量， 通常以毫歐姆（mΩ）為單位。,ESR越低效果越好的誤區(qū)：,輸入電容的容量要大一點。相對容量的要求

16、，對ESR的要求可以適當?shù)慕档?。因為輸入電容主要是耐壓，其次是吸收MOSFET的開關脈沖。對于輸出電容來說，耐壓的要求和容量可以適當?shù)慕档鸵稽c。ESR的要求則高一點，因為這里要保證的是足夠的電流通過量。但這里要注意的是ESR并不是越低越好，低ESR電容會引起開關電路振蕩。而消振電路復雜同時會導致成本的增加。,額 定 電 壓,可以連續(xù)施加在電容器上的最大直流電壓或最大交流電壓的有效值或脈沖電壓的峰值。鋁電解電容器的介質 Al2O3氧化

17、膜承受的電場強度約為600kV/mm，是紙介的30多倍。,損耗角正切值,損耗角：流過電容的實際電流IA和理想電容電流Ic形成一個Φ角，叫做損耗角。損耗角正切值DF ：tg Φ =ERS/XC 通常以100Hz或120Hz下數(shù)字電橋測定的數(shù)值為準，指在規(guī)定頻率的正弦電壓下，通過電容器的有功功率與無功功率的比值。,漏電流（絕緣電阻）,電容器的介質對直流電具有很大的阻礙作用 ,在施加電壓時，會產(chǎn)生一種很小的電流稱之為漏電

18、流. 漏電流的計算公式是I=KCU 其中，C為電容量（μF），U為額定直流電壓值（V），K與電容 器類型有關的常數(shù)，通常取值范圍為0.01～0.1 。,額定紋波電流,電容器發(fā)熱的交流有功功率P＝I^2 × ESR。 其中，I:紋波電流; ESR:等效串聯(lián)電阻 在同等條件下，ESR值越低，電容器的發(fā)熱量越小，耐紋波電流能力就越強。,工作壽命計算,液體電

19、解電容器壽命： L0：最高溫度下的壽命（1000小時）；T0：最高工作溫度 ；T：實際工作溫度 溫度每降低20度，使用壽命增加4倍。 固體電解電容器壽命： L0：最高溫度下的壽命（1000小時）；T0：最高工作溫度 ；T：實際工作溫度 溫度每降低20度，使用壽命增加10倍。,工作壽命圖示,,電解電容器的介紹,液體鋁電解電容器,陽極鋁箔經(jīng)電化學腐蝕擴大表面積后，再經(jīng)過陽極氧化形成一層氧化膜做介質，配合經(jīng)化學或電化學腐

20、蝕的陰極鋁箔，經(jīng)卷繞再浸電解液后封裝而成。特點:容量大、電壓范圍寬，但是損耗大，溫度和頻率穩(wěn)定性差。應用：電源濾波，低頻耦合，儲能，旁路等。,,由于液體受熱會膨脹和揮發(fā),常發(fā)生干涸、鼓脹、爆漿或漏液問題。 液體鋁電解電容 鼓脹、漏液由于采用卷繞式制作工藝，其等效串聯(lián)電感 ESL較大，導致濾波效果大為降低。容量誤差大，泄漏電流大，頻率特性和溫度特性差，不適于在高頻和低溫下應用,不宜用

21、在25kHz以上頻率作低頻旁路、信號耦合、電源濾波。,,固體鉭電解電容器,將金屬鉭粉真空燒結體做正極，進行陽極氧化表面生成的Ta2O5五氧化膜做介質，用MnO2二氧化錳做負極，制成片式電容器。特點：體積小、容量大、性能穩(wěn)定、壽命長、溫度特性好，但存在過流過壓下容易燃燒 、爆炸現(xiàn)象，頻率穩(wěn)定性不理想。應用：在要求高的電路中代替 鋁電解電容,,,,,,對脈動電流的耐受能力差，若損壞易呈短路狀態(tài)。在過流、過壓時易產(chǎn)生爆

22、炸和燃燒，安全性較差。,當極性接反并施加2倍額定電壓和20A電流時，MnO2鉭電容器立即起火燃燒、爆炸。,聚合物固體片式鋁電解電容器（PA-Cap),導電高分子材料—聚合物（Polymer) 2000年諾貝爾化學獎得主：防靜電：電腦、手機、電視和心臟起搏器上；摻雜和脫摻雜特性：電池、電極材料；吸收微波：電磁屏蔽材料，隱身飛機的涂料；防腐蝕：火箭、船舶、石油管道及污水管道中；生命科學：導電聚合 物可以用來制造人造肌

23、 肉和人造神經(jīng)，這將是導電聚合物研究在應用上最重要的一個趨勢。 由絕緣體變?yōu)榘雽w再變?yōu)閷w：可以使巡航導彈在飛行過程中隱形，然后在接 近目標后絕緣起爆；與納米技術相結合：導電聚合物可以制成分子導線材料，制作分子器件和其它 電子元件。,G. MacDiarmid H.Shirakawa J.Heeger麥克迪爾米德 白川英樹 黑格,,用鋁箔作陽極，Al2O

24、3氧化膜作介質，采用導電高分子聚合物做陰極材料的電容器。其電導率達到100S/CM（是鉭電容器MnO2的1000倍）。當局部過熱會從導電體變?yōu)榻^緣體，使電容器的短路電流受到抑制，安全性好。該電容器損耗角正切值較小，等效串聯(lián)電阻極低，頻率特性優(yōu)越。另外，由于聚合物具有優(yōu)良的環(huán)境穩(wěn)定性，以及自愈時不會釋放氧氣，因此，該電容器具有優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性以及安全使用性。應用：在開關電源、高頻數(shù)字電路中的濾波、去耦、吸收噪聲和抑制 電源波動。,導

25、電聚合物厚度約50μm電導率100S/cm,,PA-Cap 結 構,,G825,,PA-Cap產(chǎn)品規(guī)格表（部分）,外形尺寸(mm): V: 7.3-4.3-1.9 D: 7.3-4.3-2.8 E: 7.3-4.3-4.0,優(yōu)良的頻率特性(PA200V826M0G),穩(wěn)定的溫度特性(PA200V476M0J),容量直流偏置電壓特性(PA200V127M0D),漏電流電壓特性(PA200V476M0J),電流電壓特性

26、曲線(PA200V566M0G),長壽命、高可靠性(PA200V156M1A),+105℃1000h壽命，相當于+55℃ 3.2×105h(36年)；采用聚合物固體電解質，無泄露，不燃燒不爆炸；無須降壓使用；,PA-Cap 特 點,極低的等效串聯(lián)電阻（ESR）值和等效串聯(lián)電感（ESL)；理想的容量頻率曲線、穩(wěn)定的溫度特性；快速的電流轉換和瞬時響應能力；允許通過更大的紋波電流；很強的噪音吸收能力、明顯的濾波效果；寬

27、溫長壽命，不燃燒不爆炸安全性高；無污染，符合SGS標準，通過ROHS指令；片式化、低剖面，適合SMT工藝生產(chǎn)。,PA-Cap聚合物固體片式鋁電解電容器可靠性試驗由中國賽寶（福建）實驗室承擔,這些試驗通稱為環(huán)境與可靠性試驗。分為8個組別、12個項目、102只電容器，其中環(huán)境試驗有5個項目，可靠性試驗有7個項目。,（01）元件耐焊接熱與耐溶劑,（02）端面強度,（03）溫度快速變化與氣候順序,（04）穩(wěn)態(tài)濕熱,（05）耐久性（1000

28、H）,（06）高低溫特性與充放電,（07）高溫儲存與浪涌電壓,（08）反向電壓,,ISO9001:2000質量管理體系認證,PA-Cap符合RoHS指令,,電解電容器的特性比較,聚合物固體片式鋁電解電容器與其它電容器的比較,電容器種類 ： AL-CAP液體鋁電容器 TA-CAP固體鉭電容器 PA-CAP固體聚合物電容器

29、 陰極材料 ： 電解液 二氧化錳MnO2

30、 固體聚合物 導 電 率 ： 0.01S/CM 0.1S/CM 100S/CM 導電方式 ： 離子導電 電子導電

31、 電子導電 工作 頻率 ： 10Hz—10KHz 1KHz—100KHz 1KHz—1GHz  優(yōu) 點： AL-CAP： 價格最便宜，耐壓性優(yōu)良，有自愈特性 TA-CAP： 耐高溫，性能比較好

32、 PA-CAP： 無污染，耐高溫，不會爆炸，優(yōu)良的頻率、溫度特性，極低的ESR值. 缺 點： AL-CAP ： 受溫度影響很大，高ESR值，電解液易干涸、漏液、爆漿，安全性差。 TA-CAP ： 有污染，易燃燒、爆炸，安全性差，價格比較高。 PA-CAP ： 耐壓值低。,,,等效串聯(lián)電阻ESR,,,

33、容量－頻率特性,,,漏電流－溫度特性,,,PA-Cap在開關電源的濾波應用：,,,,,,三種類型電容器在模擬CPU電源的實驗,三種類型電容器在模擬CPU電源的實驗數(shù)據(jù),實驗數(shù)據(jù)表明： 為抑制CPU高速大負荷負載電流變化而引起的電源電壓波動，選擇λ電導率高、ESR值和ESL值低，瞬時響應能力強的電容器是十分重要的 。 新型電容器——PA-Cap具有高λ電導率，極低的等效串聯(lián)電阻（ESR）值和等效串聯(lián)電感（ESL）值，抑制電