电容器的基础知识(2)

2019-11-11

基础讲座

技术信息

电容器的基础知识(2)

上次介绍了电容器的原理、基本结构、使用方法、特性、分类等内容。本次继续就电容器的种类和各自特点、用途等进行介绍。

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，根据种类不同特点也有所差异，设计时根据这些特点来进行选择。主要的电容器种类如下图所示。

电容器

固定电容器

可变电容器

非极性

极性
(电解电容器)

陶瓷电容器

薄膜电容器

铝电解电容器

导电性聚合物电容器

钽固体电解电容器

导电性聚合物电容器

电气双层电容器

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。

无极性
优异的高频特性(低ESR)
高耐热
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，并成了电容器中被最常使用的电容器。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。

无极性
优异的高频特性(低ESR)
优异的温度特性(温度引起的静电电容的变化率小)
可高精度地对应静电电容
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聚对苯二甲酸乙二醇酯	ＰＰ聚丙烯	ＰＰＳ聚苯硫醚	ＰＥＮ聚萘二甲酸乙二醇酯
薄膜单价	◎	〇	×	△
小型化	◎	△	〇	◎
耐热性	〇	△	◎	◎
耐湿性	△	◎	〇	△
tanδ(ESR)	〇	◎	◎	〇
区分使用	・引线类型・一般使用	・引线类型・用于高频／大电流	・表面安装类型・低压・流焊／回流焊	・表面安装类型・中压・回流焊

◎:非常好〇:好 △:不太好 ×:差

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，最终成为开路状态(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。

充放电周期数对特性劣化几乎不产生影响 (免维护)
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)
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。

电容器的种类和特点总结

此前我们对各种电容器的特点进行了解说，这里对各电容器进行对比并归纳成下表。

项目	※陶瓷	薄膜	铝电解	钽电解	导电性聚合物	双电层
高电容	△	×	〇	〇	△	◎
对应高电压	〇	◎	〇	△	△	×
长寿命	◎	◎	△	〇	〇	△
温度特性	△	◎	△	〇	◎	△
低ESR	◎	◎	×	△	〇	×
极性	无	无	有	有	有	有
其他	DC偏压引起的电容变化大	高精度价格昂贵	价格便宜无小形状	故障时易起火
主要用途	・用于耦合・用于去耦合・用于平滑	・用于吸收电源噪声・用于放电电路・用于共振・用于改善功率	・用于平滑・用于去耦合	・用于耦合・用于去耦合	・用于平滑・用于去耦合	・用于后备