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(jiǎn)介,,電 容 器 簡(jiǎn) 介,電容器,電容器是最基本的電子元件之一，是無(wú)源元件。所謂電容器(capacitor)就是能夠儲(chǔ)存電荷的“容器”。只不過(guò)這種“容器”儲(chǔ)存的是一種特殊的物質(zhì)--電荷(charge)，而且其所存儲(chǔ)的正負(fù)電荷等量地分布于兩塊不直接導(dǎo)通的導(dǎo)體板上。我們可以這樣描述電容器的基本結(jié)構(gòu)：兩塊導(dǎo)體板（通常為金屬板）中間隔以電介質(zhì)(dielectric)，即構(gòu)成電容器的基本模型。,,電容器（capac

2、itor）：能夠儲(chǔ)存電荷(charge)的“容器”。結(jié)構(gòu)：兩塊導(dǎo)體板中間隔以電介質(zhì)(dielectric) 。特性：通交流、阻直流。 作用：濾波、旁路、耦合、去耦、儲(chǔ)能、調(diào)諧、計(jì)時(shí)、 轉(zhuǎn)相、溫度補(bǔ)償。,工作原理,如圖，為一個(gè)平板電容器，當(dāng)在平板兩端加上電壓時(shí)，與電源正極相接的極板帶上正電荷，與電源負(fù)極相接的極板帶上負(fù)電荷，正極板的電勢(shì)高于負(fù)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(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生

3、極化。當(dāng)我們將外接電源斷開(kāi)后，正極板附近電介質(zhì)帶負(fù)電，負(fù)極板附近電介質(zhì)帶正電。接上負(fù)載后，由于正極板電勢(shì)高于負(fù)極板， 負(fù)極板的負(fù)電荷就向正極板運(yùn)動(dòng)，這就是 放電。極板上電荷放完后，兩個(gè)極板的電 勢(shì)差為零，電場(chǎng)消失，電介質(zhì)原子就恢復(fù) 了原態(tài)。

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9、放電。極板上電荷放完后，兩個(gè)極板的電勢(shì)差為零，電場(chǎng)消失，電介質(zhì)原子就恢復(fù)了原態(tài)。,電容器的分類,化學(xué)電容器：電解質(zhì)作為陰極的電容器。 包括：電解液（electr

10、olyte）、二氧化錳（MnO2）、有機(jī)半導(dǎo)體TCNQ、導(dǎo)體聚合物等。非化學(xué)電容器：以其電介質(zhì)命名。 如：陶瓷、紙介、塑料薄膜、空氣、云母、半導(dǎo)體電容器等。按結(jié)構(gòu)分為：固定電容，可變電容，微調(diào)電容?！?按極性分為：有極性電容和無(wú)極性電容。按電 解質(zhì) 分：有機(jī)介質(zhì)電容器、無(wú)機(jī)介質(zhì)電容器、電解電容器和空氣介質(zhì)電 容器等。按用途分有：濾波、旁路、耦合、去耦、儲(chǔ)能、調(diào)諧、計(jì)時(shí)、轉(zhuǎn)相、溫度補(bǔ)

11、 償電容器。,陶瓷電容器,用陶瓷做介質(zhì)，在陶瓷基體兩面涂覆銀漿，然后燒結(jié)成單片或多層獨(dú)石結(jié)構(gòu)的電容器。它的特點(diǎn)是無(wú)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(dú)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(zhì)，蒸發(fā)的鋁膜做電極經(jīng)卷繞制成；無(wú)極性、電容量小、頻率特性好、溫度穩(wěn)定性好、介質(zhì)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(yáng)極氧化法生成一極薄且具有單向?qū)щ娦缘难趸ぷ鳛殡娊橘|(zhì)，以能生成和修復(fù)介質(zhì)氧化膜的液狀或固狀電解質(zhì)作為陰極而構(gòu)成的電容器。兩個(gè)導(dǎo)電極板有正負(fù)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(zhì)相對(duì)介電常數(shù)S 極板相對(duì)有效表面積d介質(zhì)厚度。如介質(zhì) 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(huì)超過(guò)2μF/cm3。 電容量誤差等級(jí) ：D——005級(jí)——±0.5%； F——01級(jí)——±1%； G——02級(jí)——±2%； J——I級(jí)——±5%； K——II級(jí)——&

14、#177;10%； M——III級(jí)——±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(bǔ)償?shù)哪芰υ綇?qiáng)。且不說(shuō)電容容量的增大帶來(lái)的體積變大，增加成本的同時(shí)還影響空氣流動(dòng)和散熱。關(guān)鍵在于電容上存在寄生電感，電容放電回路會(huì)在某個(gè)頻點(diǎn)上發(fā)生諧振。在諧振點(diǎn)，電容的阻抗小。因此放電回路的阻抗最小，補(bǔ)充能量的效果也最好。但當(dāng)頻率超過(guò)諧振點(diǎn)時(shí)，放電回路的阻抗開(kāi)始增加，電容提供電流能力便開(kāi)始下降。電容的容值越大，諧

15、振頻率越低，電容能有效補(bǔ)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(lái)說(shuō)，電容越大越好的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的,等效串聯(lián)電阻ESR,ESR等效串聯(lián)電阻是電容的介質(zhì)損耗（Rsd）和金屬損耗（Rsm）的綜合。 即：ESR＝Rsd+Rsm ESR與損耗角有關(guān)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(diǎn)。相對(duì)容量的要求

16、，對(duì)ESR的要求可以適當(dāng)?shù)慕档汀Ｒ驗(yàn)檩斎腚娙葜饕悄蛪?，其次是吸收MOSFET的開(kāi)關(guān)脈沖。對(duì)于輸出電容來(lái)說(shuō)，耐壓的要求和容量可以適當(dāng)?shù)慕档鸵稽c(diǎn)。ESR的要求則高一點(diǎn)，因?yàn)檫@里要保證的是足夠的電流通過(guò)量。但這里要注意的是ESR并不是越低越好，低ESR電容會(huì)引起開(kāi)關(guān)電路振蕩。而消振電路復(fù)雜同時(shí)會(huì)導(dǎo)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(zhì) Al2O3氧化

17、膜承受的電場(chǎng)強(qiáng)度約為600kV/mm，是紙介的30多倍。,損耗角正切值,損耗角：流過(guò)電容的實(shí)際電流IA和理想電容電流Ic形成一個(gè)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(cè)定的數(shù)值為準(zhǔn)，指在規(guī)定頻率的正弦電壓下，通過(guò)電容器的有功功率與無(wú)功功率的比值。,漏電流（絕緣電阻）,電容器的介質(zhì)對(duì)直流電具有很大的阻礙作用 ,在施加電壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種很小的電流稱之為漏電

18、流. 漏電流的計(jì)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(guān)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(qiáng)。,工作壽命計(jì)算,液體電

19、解電容器壽命： L0：最高溫度下的壽命（1000小時(shí)）；T0：最高工作溫度 ；T：實(shí)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(shí)）；T0：最高工作溫度 ；T：實(shí)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(yáng)極鋁箔經(jīng)電化學(xué)腐蝕擴(kuò)大表面積后，再經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化形成一層氧化膜做介質(zhì)，配合經(jīng)化學(xué)或電化學(xué)腐

20、蝕的陰極鋁箔，經(jīng)卷繞再浸電解液后封裝而成。特點(diǎn):容量大、電壓范圍寬，但是損耗大，溫度和頻率穩(wěn)定性差。應(yīng)用：電源濾波，低頻耦合，儲(chǔ)能，旁路等。,,由于液體受熱會(huì)膨脹和揮發(fā),常發(fā)生干涸、鼓脹、爆漿或漏液?jiǎn)栴}。 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(dǎo)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(yīng)用,不宜用

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

22、炸和燃燒，安全性較差。,當(dāng)極性接反并施加2倍額定電壓和20A電流時(shí)，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(dǎo)電高分子材料—聚合物（Polymer) 2000年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主：防靜電：電腦、手機(jī)、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(jī)的涂料；防腐蝕：火箭、船舶、石油管道及污水管道中；生命科學(xué)：導(dǎo)電聚合 物可以用來(lái)制造人造肌

23、 肉和人造神經(jīng)，這將是導(dǎo)電聚合物研究在應(yīng)用上最重要的一個(gè)趨勢(shì)。 由絕緣體變?yōu)榘雽?dǎo)體再變?yōu)閷?dǎo)體：可以使巡航導(dǎo)彈在飛行過(guò)程中隱形，然后在接 近目標(biāo)后絕緣起爆；與納米技術(shù)相結(jié)合：導(dǎo)電聚合物可以制成分子導(dǎo)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(shù) 黑格,,用鋁箔作陽(yáng)極，Al2O

24、3氧化膜作介質(zhì)，采用導(dǎo)電高分子聚合物做陰極材料的電容器。其電導(dǎo)率達(dá)到100S/CM（是鉭電容器MnO2的1000倍）。當(dāng)局部過(guò)熱會(huì)從導(dǎo)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(shí)不會(huì)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(yīng)用：在開(kāi)關(guān)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(dòng)。,導(dǎo)

25、電聚合物厚度約50μm電導(dǎo)率100S/cm,,PA-Cap 結(jié) 構(gòu),,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(zhǎng)壽命、高可靠性(PA200V156M1A),+105℃1000h壽命，相當(dāng)于+55℃ 3.2×105h(36年)；采用聚合物固體電解質(zhì)，無(wú)泄露，不燃燒不爆炸；無(wú)須降壓使用；,PA-Cap 特 點(diǎn),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(zhuǎn)換和瞬時(shí)響應(yīng)能力；允許通過(guò)更大的紋波電流；很強(qiáng)的噪音吸收能力、明顯的濾波效果；寬

27、溫長(zhǎng)壽命，不燃燒不爆炸安全性高；無(wú)污染，符合SGS標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)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(yàn)由中國(guó)賽寶（福建）實(shí)驗(yàn)室承擔(dān),這些試驗(yàn)通稱為環(huán)境與可靠性試驗(yàn)。分為8個(gè)組別、12個(gè)項(xiàng)目、102只電容器，其中環(huán)境試驗(yàn)有5個(gè)項(xiàng)目，可靠性試驗(yàn)有7個(gè)項(xiàng)目。,（01）元件耐焊接熱與耐溶劑,（02）端面強(qiáng)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(chǔ)存與浪涌電壓,（08）反向電壓,,ISO9001:2000質(zhì)量管理體系認(rèn)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(dǎo) 電 率 ： 0.01S/CM 0.1S/CM 100S/CM 導(dǎo)電方式 ： 離子導(dǎo)電 電子導(dǎo)電

31、 電子導(dǎo)電 工作 頻率 ： 10Hz—10KHz 1KHz—100KHz 1KHz—1GHz  優(yōu) 點(diǎn)： AL-CAP： 價(jià)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(wú)污染，耐高溫，不會(huì)爆炸，優(yōu)良的頻率、溫度特性，極低的ESR值. 缺 點(diǎn)： 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(jià)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(kāi)關(guān)電源的濾波應(yīng)用：,,,,,,三種類型電容器在模擬CPU電源的實(shí)驗(yàn),三種類型電容器在模擬CPU電源的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明： 為抑制CPU高速大負(fù)荷負(fù)載電流變化而引起的電源電壓波動(dòng)，選擇λ電導(dǎo)率高、ESR值和ESL值低，瞬時(shí)響應(yīng)能力強(qiáng)的電容器是十分重要的 。 新型電容器——PA-Cap具有高λ電導(dǎo)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