電容器在三個(gè)基本無(wú)源元件[L(電感)C(電容)R(電阻)]中產(chǎn)量最大,是任何電子線路不可缺少的充電放電、通交隔直的元件。電容器的種類因電介質(zhì)的不同而各有所長(zhǎng),根據(jù)應(yīng)用目的不同而被廣泛用于濾波、定時(shí)、旁路、耦合、改善馬達(dá)啟動(dòng)功率等方面。
電容器的基本構(gòu)造如圖1所示。
電容器的容量公式
C=Kes/d
式中C=容量[F],K=真空時(shí)的介電系數(shù)(8.855×10-12),e=介電系數(shù),s=電介質(zhì)的面積[m2],d=電介質(zhì)的厚度[m]。
因此,使用的電介質(zhì)厚度越薄、面積越大和介電系數(shù)越大,則電容器的容量越大。
電容器的分類主要有電解電容器、陶瓷電容器、聚酯電容器等。下面著重介紹電解電容器中的有機(jī)半導(dǎo)體和高分子有機(jī)半導(dǎo)體(導(dǎo)電性高分子)固體電解電容器。
有機(jī)半導(dǎo)體鋁固體電解電容器
導(dǎo)電性高分子鋁固體電解電容器
鋁電解電容器的電解質(zhì)以往采用電解液,有機(jī)半導(dǎo)體和導(dǎo)電性高分子鋁固體電解電容器(OS-CON)采用了比以往的電解液導(dǎo)電性更高的有機(jī)半導(dǎo)體(TCNQ復(fù)合鹽)或?qū)щ娦愿叻肿硬牧?,因而它的電解質(zhì)的導(dǎo)電性高,導(dǎo)電性受溫度的影響小。
OS-CON通過(guò)使用高導(dǎo)電性卷繞芯子,使電解質(zhì)層更薄,大幅度地降低了等效串聯(lián)電阻(ESR)。OS-CON雖然是電解電容器,卻達(dá)到了聚酯電容器那樣的卓越頻率特性。
OS-CON的構(gòu)造與鋁電解電容器相似,正負(fù)極分別采用鋁箔,中間加隔紙卷繞而成,與鋁電解電容器最大的不同在于用有機(jī)半導(dǎo)體或?qū)щ娦愿叻肿与娊赓|(zhì)取代電解液,封口采用環(huán)氧樹(shù)脂或者橡膠墊。
OS-CON的額定電壓2V-35V,容量1mF -2700mF,ESR最低達(dá)7mW,分插裝型和貼裝型。而且,導(dǎo)電性高分子材料較有機(jī)半導(dǎo)體的耐熱性更好。
OS-CON具有良好的電氣特性,主要表現(xiàn)為;
優(yōu)越的頻率特性
OS-CON、鋁電解電容器、鉭電解電容器的阻抗特性比較,OS-CON的阻抗-頻率曲線近乎理想值。在100kHz處OS-CON 56mF的阻抗與高性能鋁電解電容器1000mF基本上呈相同值,而且頻率越高時(shí)OS-CON與鋁電解電容器之間的容量比越大。
優(yōu)越的溫度特性
OS-CON的等效串聯(lián)電阻(ESR)基本上不受溫度的影響,ESR對(duì)于高頻段的阻抗(振蕩點(diǎn)附近)起著決定性的作用,ESR直接關(guān)系到降噪的能力,ESR受溫度的影響小意味著降噪能力受溫度影響小,可以得到整個(gè)保證溫度段的穩(wěn)定的降噪效果,特別適用于會(huì)在低溫環(huán)境下使用的設(shè)備。
優(yōu)越的電壓特性
與陶瓷電容器比較OS-CON在額定電壓以下的容量基本上沒(méi)有變化,因而使用OS-CON不需考慮施加電壓后的容值下降問(wèn)題。
更大的允許紋波電流
允許通過(guò)電容器的紋波電流量依電容器的發(fā)熱量而定,發(fā)熱的主要因素取決于ESR。ESR大則發(fā)熱量大,使紋波電流量受到限制。
更長(zhǎng)的壽命
OS-CON的壽命體現(xiàn)為容量受溫度影響而減小,OS-CON的壽命規(guī)律為溫度每降低20℃時(shí)壽命增加10倍,一般鋁電解電容器的壽命規(guī)律為溫度每降低10℃時(shí)壽命增加2倍。
線路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意極小的ESR可能引起過(guò)大的沖擊電流,OS-CON的沖擊電流最大允許10A。如果允許紋波電流值的10倍超過(guò)10A時(shí),應(yīng)將紋波電流控制在允許紋波電流的10倍以內(nèi)。
此外,為節(jié)省空間及改善紋波會(huì)將OS-CON與其它鋁電解電容器并聯(lián)使用,此時(shí)通過(guò)各電容器的紋波電流與各電容器的ESR成反比,從而ESR小的OS-CON會(huì)通過(guò)更多的紋波,選型時(shí)需要給OS-CON留有余量。
高分子有機(jī)半導(dǎo)體固體電容器
高分子有機(jī)半導(dǎo)體固體電容器(POSCAP)是一種正極采用鉭燒結(jié)體或鋁箔,負(fù)極采用具有高導(dǎo)電性的高分子材料的電容器,其卓越的高頻特性及低ESR深受好評(píng),被廣泛用于筆記本電腦,電源模塊等的開(kāi)關(guān)電源的輸入輸出端。
POSCAP的構(gòu)造基本上與普通鉭電解電容器相同,最大的不同是電解質(zhì)采用了導(dǎo)電性高分子材料。正極采用鉭燒結(jié)體充分發(fā)揮鉭的高介電系數(shù)特性。不但實(shí)現(xiàn)了小型電容器的大容量化,同時(shí)負(fù)極采用導(dǎo)電性高分子材料實(shí)現(xiàn)了更低的ESR及可靠性方面的改善。POSCAP的額定電壓2.5V-25V,容量2.2μF -1000mF,ESR最低達(dá)5mΩ。推薦使用電壓為額定電壓10V以下的產(chǎn)品,電壓降低10%、額定電壓10V以上的產(chǎn)品,電壓降低20%,而普通鉭電解電容器的電壓降低高達(dá)50%。
POSCAP具有優(yōu)越的電氣性能,主要表現(xiàn)為;
高安全性
由于電解質(zhì)不含氧原子,發(fā)生短路時(shí)與使用二氧化錳電解質(zhì)的電容器相比POSCAP不易燃燒,具有更高的安全性。
低ESR 和低阻抗
POSCAP的高導(dǎo)電性實(shí)現(xiàn)了低ESR和低阻抗,與同等容量的其它電容器相比阻抗為1/3~1/10。
卓越的溫度特性
POSCAP所用導(dǎo)電性高分子電解質(zhì)的電導(dǎo)受溫度影響小,因而,ESR基本上不受溫度影響。
更長(zhǎng)的壽命
由于電解質(zhì)被高分子固化,因而,具有長(zhǎng)的壽命。較好的熱穩(wěn)定性不會(huì)出現(xiàn)采用電解液的鋁電解電容器那樣的電解液干涸現(xiàn)象。
POSCAP在環(huán)境溫度105℃和額定電壓下,10000小時(shí)的高溫負(fù)荷試驗(yàn)表明它的ESR及容量的特性變化很小。
卓越的自愈能力
導(dǎo)電性高分子材料的有機(jī)物與二氧化錳無(wú)機(jī)物相比,在較低的300℃高溫下就會(huì)出現(xiàn)熱分解及絕緣化。因此,在短路的前兆階段,即電流流過(guò)正極表面氧化絕緣層產(chǎn)生的焦耳熱,會(huì)在氧化層微小的絕緣不充分部位形成導(dǎo)電性高分子絕緣層,阻礙電流通過(guò)達(dá)到自愈修復(fù)效果。卓越的自愈能力降低了短路因素,實(shí)現(xiàn)了在過(guò)沖擊電流下的高可靠性,耐沖擊電流保證至20A。
高耐熱性
導(dǎo)電性高分子材料的耐熱性高,可以達(dá)到無(wú)鉛化回流焊的溫度要求。
線路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意,POSCAP是有極性的電容器,反向電壓會(huì)造成漏電流加大或短路。另外,POSCAP即使在規(guī)范、規(guī)定的條件內(nèi)進(jìn)行回流焊,焊接后的漏電流也有可能變大。不施加電壓的高溫?zé)o負(fù)荷周期試驗(yàn)等也會(huì)引起漏電流加大,因此規(guī)定禁止在保持高阻抗線路、耦合線路、定時(shí)線路、漏電流會(huì)帶來(lái)大的影響的線路、超出額定電壓的串聯(lián)線路使用。
POSCAP雖然安全性較高,但是由于其故障模式為短路,因而萬(wàn)一發(fā)生短路后會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱和冒煙,發(fā)生冒煙的時(shí)間因短路條件的不同而為數(shù)秒或數(shù)分鐘,設(shè)計(jì)上要使短路保護(hù)線路在此時(shí)間內(nèi)工作。
結(jié)語(yǔ)
在電子線路中電容器是必不可少的,而且,隨著電子設(shè)備的小型化,越來(lái)越要求電容器具有更好的頻率特性、更低ESR、更低阻抗、 更低ESL,更高耐壓性能、無(wú)鉛化,這也是電容器今后的發(fā)展方向。
小型化、大容量化的電容器可以通過(guò)使用鈮、鈦等新型介電材料及結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)來(lái)達(dá)到。而低ESR、低ESL化可以通過(guò)新型電解質(zhì)的開(kāi)發(fā)優(yōu)化工藝及構(gòu)造來(lái)實(shí)現(xiàn),同時(shí)產(chǎn)品將向更高的電壓方向發(fā)展。
在發(fā)展日新月異的信息技術(shù)領(lǐng)域,電容器將始終是關(guān)鍵元件之一,我們將應(yīng)用新技術(shù)、新材料不斷地開(kāi)發(fā)出順應(yīng)信息時(shí)代需求的高性能電容器。