电容器的基础知识和混合电容器

2017-12-18

电容器的基础知识
导电性聚合物混合铝电解电容器
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电容器的基础知识

电容器是与电阻、线圈齐名的三大无源器件之一。虽然是一个简单的零部件，但是首先我们可以说没有不使用电容器的电气或电子电路。PC和智能手机之类的高端电子设备，如果没有电容器就无法构成电路，而且对于作为其核心的CPU和通信芯片来说，电容器可谓最重要的周边零部件之一。

所谓电容器

电容器是指能在内部电极表面蓄积电荷的电子零部件。由于能够蓄积起来的电荷比电池少，因而只能在短暂的时间内供给电流，但是可多次反复使用，并可在瞬间放出较大的电流。

如果将绝缘体(介质)平行地夹在金属板(电极)上，就会成为电容器。如果向该金属板(电极)间施加直流电压，就可将电荷储存起来。这就是电容器的原理。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。

静电电容Ｃ，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而会增大。但是，如果减薄绝缘体的厚度d，电容器的耐电压(额定电压)就会降低。

电容器的作用

电容器具有以下特性，即①能够在瞬时进行充放电；②直流电流不会通过，但交流电则会通过；③频率越高越容易通过。电路中常利用这些特性衍生出一些使用方法。

这里列出典型的使用方法的电路例。

放电电路

放电电路是通过使蓄积在电容器中的电荷放电来使得被连接的负荷动作的电路。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。

放電回路放电电路img

平滑电路

平滑电路是将交流转换为直流的电路。平滑电路用于抑制波形变动幅度的用途，该波形变动幅度已被电源的桥接电路等进行全波整流。

平滑回路平滑电路img

解耦合电路

解耦合电路如其名称所示，使用该电路的目的在于要将前段发生的变动(噪声)不传播到后段的电路中。去除开关电源中的开关噪声的用途就属于此种目的。

デカップリング回路解耦合电路img

耦合电路

耦合电路恰好相反，它从前段电路的信号中只提取变化部分(交流成分)并使其传播到后段电路。耦合电路被用于音频信号的电路等中。

カップリング回路耦合电路 img

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。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，电容器的电极间最好是绝缘，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。

特性项目	解说
静电电容(C)	・最基本的性能・因制造偏差等原因而产生的若干偏差 ⇒ 静电电容允许差 (±5%、±10% 等)
等效串联电阻 (ESR) 介电损耗 (tanδ)	・电阻值由基于介质种类的电阻成分和电极、端子的电阻成分来决定。 ESR(或者tanδ)如果较大，则会因电流引起的发热从而成为故障的要因 ⇒ 能够流过的电流受到限制(允许电流值)。・此外，ESR(或者tanδ)如果较大，噪声吸收效果就会减弱
绝缘电阻 (IR)	・主要由介质的种类来决定的漏电流的倒数・如果IR较低，则漏电流引起的损失就会增大 (铝电解电容器等限定漏电流)
等效串联电感 (ESL)	・主要是因电容器的构造而产生的电感成分・如果ESL较大，在高频区电容感性成就会成为主要性质，丧失电容容性。

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。记号使用Z，单位与电阻相同，使用Ω。

电容器的阻抗(Z)用下式来表示。: Z = R + j 2πf L+ 1／(j 2πf C)
此外，阻抗的绝对值可通过下式来计算。: |Z| =√R²+(2πf L - 1／(2πf C))²

Z: 阻抗 [Ω]
R: 电阻成分=ESR [Ω]
j: 虚数
π: 圆周率 (3.14)
f: 频率 [Hz]
L: 电感成分=ESL [H]
C: 静电电容 [F]

根据此式，可弄清以下事项。

在频率低的区域，阻抗大致上是由静电电容(C)来决定的。
自共振频率(成为2πf L = 1／(2πf C) 的频率)中，阻抗是由ESR来决定的。
在频率高的区域，阻抗大致上是由ESL来决定的。

如果用图形来表示这种情况，则如右图所示。电容器的阻抗Z，到自共振频率为止容量性(C)下降，而在自共振频率下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。

コンデンサの Z=インピーダンス

在将电容器用于其主要用途即噪声吸收(解耦合)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。

噪声的频率与电容器的自共振频率接近。
ESR小。
高频噪声时，ESL小。

电容器的种类与特点

电容器根据所使用的材料和构造等有许许多多的种类。此外，其特点根据种类而不同。根据这些特点来进行设计时的选择。

除了上述之外，将铝电解电容器与导电性聚合物电容器进行融合，兼备各自特点的导电性聚合物混合铝电解电容器近年来备受人们的关注。

导电性聚合物混合铝电解电容器

导电性聚合物混合铝电解电容器是在电解质中将导电性聚合物与电解液融合而成的电容器，是最适合于要求小型、高可靠性的汽车相关设备和通信基站等的电容器。

关于铝电解电容器

导电性聚合物混合铝电解电容器，如其名称所示，属于铝电解电容器的行列。为了加深对导电性聚合物混合铝电解电容器的理解，下面我们先来简单说明一下铝电解电容器。

铝电解电容器采用这样的构造，即在阳极的铝箔的表面形成作为绝缘体(介质)的氧化被膜，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容量，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)，再行成埃级(10-10m)的极薄氧化被膜厚度(d)而实现。

アルミ電解コンデンサについて

铝电解电容器的特点在于其大容量，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)，再行成埃级(10-10m)的极薄氧化被膜厚度(d)而实现。
铝电解电容器是寿命有限的产品。这是因为，电解液会在温度的影响下气化，渐渐地从封口橡胶透过，伴随时间的推移容量下降，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中一般可应用「10℃2倍的定律」。

所谓导电性聚合物混合铝电解电容器

导电性聚合物混合铝电解电容器(下称混合电容器)采用将导电性聚合物与电解液融合而成的混合电解质，具有兼备导电性聚合物电容器和铝电解电容器的优点的优异性能。虽然是小型电容器，但是实现了高耐压、大容量、低ESR、高脉动电流、长寿命。另外，最终的故障模式是与铝电解电容器相同的开路模式，寿命推算式也可应用10℃2倍定律。

下面列出一般的铝电解电容器与混合电容器的基本构造的比较。两者在构造上基本相同，如前所述，电解质则存在差异。

混合电容器的特点

混合电容器的最大特点是，相比以往的铝电解电容器，实现低ESR的同时能通过高纹波电流。
低ESR，并非只是噪声吸收效果好，而且基于ESR的能耗损失减少，进而基于该能耗损失的自身温度上升降低。
器件温升低可以延长电容器的寿命，而且从同一寿命的角度来考量，低ESR也能够让较大的电流流过。

利用铝电解电容器和混合电容器，对ESR的频率特性进行比较的结果如右边的图形所示。
一般来说，铝电解电容器其容量越大尺寸也就会随之增大，ESR降低。但是，具备低ESR特点的混合电容器，与铝电解电容器相比，即使是低容量、小型尺寸的电容器也可获得同等的ESR值。
如果是混合电容器，即使是47μF，ESR也比铝电解电容器的330μF更低。
因此，作为铝电解电容器的330μF的替代品，可使用混合电容器的47μF。

周波数特性グラフ

举个例子来说，对开关电源的输出平滑中使用铝电解电容器330μF的情形和使用混合电容器47μF的情形进行比较。如右图所示，使用混合电容器的47μF，能够将输出脉动电压控制得更低。
此外，还可从中获知，能够实现形状的大幅度小型化，即从ø10×10.2mm变为ø6.3×5.8mm。

スイッチング電源の出力平滑にアルミ電解コンデンサ330μFを使用した場合とハイブリッドコンデンサ47μFを使用した場合を比較

混合电容器的使用事例

如上所述，混合电容器是一款在保留了以往的铝电解电容器的优点(安全性、低LC)的同时，通过从采用导电性聚合物来对曾经是弱点的低温特性和ESR特性、耐高纹波电流能力进行了改善的电容器。通过灵活运用这些特点，混合电容器在要求具备安全性和可靠性的车载及工业设备为中心，在不断扩大其应用范围。
最后介绍通过采用混合电容器来减少数量，实现小型化的事例。

首先要介绍的是从径向引线2220μF的铝电解电容器×1＋MLCC×5这样的构成，用1个47μF的混合电容器来替换通用电源的输出电容器的例子。混合电容器为表面贴装型电容器。除了零部件数量减少，贴装面积减小，实现完全表面贴装化之外，不使用容易出现短路故障模式的MLCC，可靠性也得到了提高。

然后介绍发动机ECU和EPS马达控制电路电源的事例。发动机ECU的事例中，已将在DC/DC转换器的输入中使用的铝电解电容器替换为混合电容器。能够将数量减少一半，还可大幅度减小贴装面积。EPS马达控制是对平滑用电容做了替换，这个案例将径向引线型铝电解电容器进行表面贴装，并且减小贴装面积和高度，提高了可靠性和额定纹波电流。