電容器的基礎知識

關于鋁電解電容器

導電性聚合物混合鋁電解電容器，如其名稱所示，屬于鋁電解電容器的行列。為了加深對導電性聚合物混合鋁電解電容器的理解，下面我們先來簡單說明一下鋁電解電容器。

鋁電解電容器采用這樣的構造，即在陽極的鋁箔的表面形成作為絕緣體(介質)的氧化被膜，電解質(陰極)使用電解液(溶媒中溶解了電解質的液體)。

鋁電解電容器的特點在于其大容量，這是通過對鋁箔的表面進行蝕刻來形成凹凸以增大電極表面積(S)，再行成埃級(10-10m)的極薄氧化被膜厚度(d)而實現。

鋁電解電容器的特點在于其大容量，這是通過對鋁箔的表面進行蝕刻來形成凹凸以增大電極表面積(S)，再行成埃級(10-10m)的極薄氧化被膜厚度(d)而實現。
鋁電解電容器是壽命有限的產品。這是因為，電解液會在溫度的影響下氣化，漸漸地從封口橡膠透過，伴隨時間的推移容量下降，ＥＳＲ上升，最終成為開路狀態(電解液干涸)。

鋁電解電容器的壽命預測中一般可應用「10℃2倍的定律」。

所謂導電性聚合物混合鋁電解電容器

導電性聚合物混合鋁電解電容器(下稱混合電容器)采用將導電性聚合物與電解液融合而成的混合電解質，具有兼備導電性聚合物電容器和鋁電解電容器的優點的優異性能。雖然是小型電容器，但是實現了高耐壓、大容量、低ESR、高脈動電流、長壽命。另外，最終的故障模式是與鋁電解電容器相同的開路模式，壽命推算式也可應用10℃2倍定律。

下面列出一般的鋁電解電容器與混合電容器的基本構造的比較。兩者在構造上基本相同，如前所述，電解質則存在差異。

混合電容器的特點

混合電容器的最大特點是，相比以往的鋁電解電容器，實現低ESR的同時能通過高紋波電流。
低ESR，并非只是噪聲吸收效果好，而且基于ESR的能耗損失減少，進而基于該能耗損失的自身溫度上升降低。
器件溫升低可以延長電容器的壽命，而且從同一壽命的角度來考量，低ESR也能夠讓較大的電流流過。

利用鋁電解電容器和混合電容器，對ESR的頻率特性進行比較的結果如右邊的圖形所示。
一般來說，鋁電解電容器其容量越大尺寸也就會隨之增大，ESR降低。但是，具備低ESR特點的混合電容器，與鋁電解電容器相比，即使是低容量、小型尺寸的電容器也可獲得同等的ESR值。
如果是混合電容器，即使是47μF，ESR也比鋁電解電容器的330μF更低。
因此，作為鋁電解電容器的330μF的替代品，可使用混合電容器的47μF。

舉個例子來說，對開關電源的輸出平滑中使用鋁電解電容器330μF的情形和使用混合電容器47μF的情形進行比較。如右圖所示，使用混合電容器的47μF，能夠將輸出脈動電壓控制得更低。
此外，還可從中獲知，能夠實現形狀的大幅度小型化，即從?10×10.2mm變為?6.3×5.8mm。

混合電容器的使用事例

如上所述，混合電容器是一款在保留了以往的鋁電解電容器的優點(安全性、低LC)的同時，通過從采用導電性聚合物來對曾經是弱點的低溫特性和ESR特性、耐高紋波電流能力進行了改善的電容器。通過靈活運用這些特點，混合電容器在要求具備安全性和可靠性的車載及工業設備為中心，在不斷擴大其應用范圍。
最后介紹通過采用混合電容器來減少數量，實現小型化的事例。

首先要介紹的是從徑向引線2220μF的鋁電解電容器×1＋MLCC×5這樣的構成，用1個47μF的混合電容器來替換通用電源的輸出電容器的例子。混合電容器為表面貼裝型電容器。除了零部件數量減少，貼裝面積減小，實現完全表面貼裝化之外，不使用容易出現短路故障模式的MLCC，可靠性也得到了提高。

然后介紹發動機ECU和EPS馬達控制電路電源的事例。發動機ECU的事例中，已將在DC/DC轉換器的輸入中使用的鋁電解電容器替換為混合電容器。能夠將數量減少一半，還可大幅度減小貼裝面積。EPS馬達控制是對平滑用電容做了替換，這個案例將徑向引線型鋁電解電容器進行表面貼裝，并且減小貼裝面積和高度，提高了可靠性和額定紋波電流。

這是能夠充分體現混合電容優勢的例子。

電容器的種類

電容器根據所使用的材料和結構等有許許多多的種類。此外，根據種類不同特點也有所差異，設計時根據這些特點來進行選擇。主要的電容器種類如下圖所示。

可變電容器

電容器的主流是固定電容器，但是也包括靜電電容在一定范圍內可變的可變電容器。
可變電容器，常見的是改變對置電極面積以使靜電電容變化的電容器。
此外，有些可變電容器在收音機的選臺等中容值頻繁地變化 (可變電容器)、而其他電容器(微調電容器)在電路組裝過程中只會發生一次變化。
靜電電容的變化可通過旋鈕或螺絲刀來進行，但由于是機械地使其變化的結構，因而難以制作靜電電容大且具有pF (皮法微微法拉)級小電容器。

無極性電容器和有極性電容器

固定電容器大致區分為無極性電容器和有極性電容器。
無極性電容器，其施加到電容器端子上的電壓極性沒有限制，也就是說這種電容器是哪一個端子為正也都無妨的電容器。只要是無極性電容器，就可施加從零電位升降的電壓，因而即使在交流電路中也可直接使用。
無極性電容器的主流是陶瓷電容器和薄膜電容器，此外還包括云母電容器、紙電容器、空氣電容器。

而有極性電容器則是決定2個端子的其中一個作為正的電容器，如果弄錯極性而使用，電容器就會發生故障。因此，有極性電容器受到制約，即必須在直流電壓或者只在正極側變動的電壓下使用。但是，有極性電容器的優點在于形狀小，易于獲得大電容的電容器，因而被廣泛使用。鋁電解電容器、鉭電解電容器、導電性聚合物(電解)電容器、雙電層電容器就屬于這種電容器。

陶瓷電容器

• 無極性
• 優異的高頻特性(低ESR)
• 高耐熱
• 長壽命

陶瓷電容器原本是高耐壓/低電容的單板電容器，但隨著因薄膜層疊結構而實現了小型大電容化的層疊陶瓷電容器的出現，及克服了曾是缺點的溫度特性(溫度造成的靜電電容變化率大)的用于溫度補償的電容器的出現，其使用范圍大幅度擴大，并成了電容器中被最常使用的電容器。另外，用于溫度補償的電容器，其形狀比以往的高介電常數系大，不易大電容化，因而根據用途區分使用。

但是，陶瓷電容器具有以下缺點，如DC偏壓特性(因施加電壓而靜電電容大幅度變化)和嘯叫(因高頻導致的振動而產生異音)、因溫度/機械性沖擊而易于發生開裂，使用時需要注意。

薄膜電容器

• 無極性

• 優異的高頻特性(低ESR)

• 優異的溫度特性(溫度引起的靜電電容的變化率小)

• 可高精度地對應靜電電容

• 長壽命

與陶瓷電容器相比，雖然耐熱性低，但是追加了優異的溫度特性和可高精度地對應靜電電容的特性，此外也不存在DC偏壓特性和嘯叫、溫度/機械性沖擊引起的開裂問題。因此，薄膜電容器雖然性能比陶瓷電容器高，但是由于其形狀大，價格昂貴的缺點，因而被用在陶瓷電容器無法覆蓋的電壓、電容區和高性能/高精度的用途。

根據要使用的電介質，薄膜電容器還具有下述特點，需根據用途進行區分使用。

PET和PP屬于引線類型的電介質，以前經常使用小型、低價格的PET而優異的高頻特性(低ESR)的PP用于高頻/大電流，但由于PP還具有高安全和高耐濕性的特點，并且隨著PP薄膜電容器的小型化技術的進步進展，現在PP用于眾多的用途。
PPS和PEN具有高耐熱的特點，因而被用于表面安裝用薄膜電容器。它們的電氣特性，具有PEN接近PET，PPS接近PP的特性。

鋁電解電容器

鋁電解電容器采用這樣的結構，即在陽極的鋁箔表面形成作為電介質的鋁氧化被膜，電解質(陰極)使用電解液(溶媒中溶解了電解質的液體)。

鋁電解電容器的特點在于其大電容，這是通過對鋁箔的表面進行蝕刻來形成凹凸以增大電極表面積(S)，再在埃級的極薄狀態下形成氧化被膜的厚度(d)而實現的。
但是，與陶瓷電容器和薄膜電容器相比，等效串聯電阻(ESR)升高。

鋁電解電容器是使用壽命有限的產品。這是因為，電解液會在溫度的影響下氣化，漸漸地滲透到封口橡膠中，伴隨時間的推移電容下降，ESR上升，最終成為開路狀態(電解液干涸)。

鋁電解電容器的壽命預測一般可應用“10℃2倍的定律”。

鉭電解電容器

鉭電解電容器的基本結構與鋁電解電容器大致相同，其作為陽極的鉭金屬粉的燒結體表面形成作為電介質的五氧化鉭，電解質采用了二氧化錳(固體)的結構。

鉭電解電容器具有以下特點，即形狀比鋁電解電容器小，頻率特性優異，壽命長(電解質為固體)。
但是，故障模式為短路，有導致起火的危險，因而必須采取安全對策。

導電性聚合物電容器

導電性聚合物電容器，是將電解電容器的電解質作為導電性聚合物(固體)的電容器。
導電性聚合物的電導率非常高，是鋁電解電容器的電解液的10000倍，鉭電解電容器的二氧化錳的1000倍，等效串聯電阻(ESR)低，因而在吸收紋波的用途中比其他電解電容器更為有利。
因此，目前正在推進從其他電解電容器向導電性聚合物電容器的替換，但由于其價格昂貴和沒有額定電壓高的產品之故，根據用途與其他電解電容器區分使用。

電氣雙層電容器

電氣雙層電容器，是具有鋁電解電容器和二次電池(電池)的中間電容的特殊電容器，其電容密度為鋁電解電容器的大約1000倍以上，是二次電池的1/10左右。

電氣雙層電容器中沒有像電解電容器那樣的電介質。取而代之，其將在電極和電解液的界面形成的雙電層作為電介質的功能來利用。這就是電氣雙層電容器這個名稱的由來。
電氣雙層電容器的充放電，利用在正、負極中使用的活性炭的電極表面離子的吸附或解吸。基于此充放電的雙層的變化如下圖所示。

與二次電池相比，電氣雙層電容器具有以下特點。

• 充放電周期數對特性劣化幾乎不產生影響 (免維護)

• 充放電簡單(可放電至0V，可通過端子電壓確定能耗量，可進行微小電流或大電流充電)

• 不受類似電池的限制(回收、廢棄、關稅)

因此，電氣雙層電容器被用作為停電時進行IC存儲器的數據保護等備用電源。

電容器的種類和特點總結

此前我們對各種電容器的特點進行了解說，這里對各電容器進行對比并歸納成下表。