Paper1 电容器-基础知识

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       电容器是与电阻、线圈并存的三大被动元器件之一。不仅在电气或电子电路中会使用电容器，而且如果没有电容器电路就不会正常工作。这在智能手机和IoT设备、服务器和网络、以及无线通信系统之类的尖端设备上也是一样的。此外，电容器的性能会对各种电子设备的性能产生影响，因而已成为非常重要的零部件。

一、电容器的基本结构

       简而言之，电容器是能够储蓄电能，并可在必要的时候放电的零部件。可蓄积起来的电能(电荷)与电池相比较少，因而在放出电荷(放电)时只能在短时间内供给电流，但是可反复进行充电(电荷的蓄积)和放电。
       这里列出电容器的示意(模式)图。将绝缘体(电介质)平行地夹在金属板(电极)之间而构成的就是电容器。如果向该金属板(电极)间施加直流电压，就可将电荷蓄积起来。这就是电容器的蓄电原理。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。

\[C = ε× \frac{S}{d} \]

• C静电电容
• ε绝缘体的介电常数
• S 电极表面积
• d绝缘体的厚度

&nbsp；&nbsp；&nbsp；&nbsp； 可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来增大静电电容C。

二、电容器的电压和电流

       电容器由于其内部是绝缘的，因而不会有直流电流流过，但伴随着所施加电压的变动，通过进行充电和放电，看似好像有电流在电容器中流动。电压随时间变化率越大，流经电容器的电流就越会增大，如下式所示。

\[Ic =C・dVc/dt \]

• \(Ic\) : 电容器电流 \((A)\)
• \(C\) : 静电电容 \((F)\)
• \(dVc/dt\) : V-t 曲线上的斜率

(例1) 充放电波形时 🍎

       这里就通过电阻从直流电源向尚未被充电的电容器充电后，让其放电时的电容器电压和电流进行说明。

       电路图上，若在充电侧将开关置于ON，V0/R1的峰值电流就会流向电容器，而后电流会随着电容器的电压Vc升高而降低，当Vc = V0时，充电完成，电流成为零。

       然后，若在放电侧将开关置于ON，V0/R2的峰值电流就会流向电容器，而后电流会随着电容器的电压Vc降低而降低，当Vc = 0时，放电完成，电流成为零。

       这里需要理解的是，电容器的电流Ic的大小依赖于电容器电压Vc变化的大小。

       此外，开关ON时，V0/R的电流就会流过，而在这里如果R=0，则理论上会有无限大的电流流过瞬间完成充放电。

       然而，实际上因受到电容器本身具有的电阻成分(ESR)或配线电阻及电抗成分的影响而不会成为无限大，但电阻成分远比电池小，因而可以说是能够在瞬时进行充放电的零部件。

(例2) 交流波形时 🍐

这里就向电容器施加交流电压时的电容器电压和电流进行说明。

       例1中叙述了流向电容器的电流大小依赖于电容器电压变化的大小，这在交流波形时也是一样的。

       ① 首先，当电压从0V上升时，会有大量的电流流过电容器，而电流则会随着电压的上升速度放慢而下降，并在电压成为最大的时点(电压变化为零)电流成为零。

       ② 当电压从最大值开始下降时，负电流开始流过电容器，在电压成为零这一点(电压变化为最大)电流成为最大。
对于③ 、④的区域，与上述原理一致。

       在对此电压和电流的波形进行观察时，如果电压波形为正弦波，则电流波形也为正弦波，此外还可弄清电流波形在电压波形之前偏移1/4周期(电流的相位先行90°)的情况。
       此外，电压的变化大就会有较大的电流流过这种情况表明，越是电压变化大，高频流过的电流就会越大。
       此时流过的电流(有效值)如下式所示。

\[Ic=2πf・C・Vc \]

• \(I_c\) : 电容器电流 (Arms)
• \(π\) : 圆周率 (3.14)
• \(f\) : 频率 (Hz)
• \(C\) : 静电电容 (F)
• \(V_c\) : 电源电压 (Vrms)

三、电容器的基本使用方法

如前所述，电容器具有以下特性，即①能够在瞬时进行充电和放电；②直流不会通过，但交流则会通过；③频率越高交流就越容易通过，电路中采用借助于这些特性的使用方法。

这里列出典型的使用方法的电路。

【放电电路】🐒

放电电路是通过释放蓄积在电容器中的电荷来使得被连接的负荷发生动作的电路。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。电路例中，若将开关连接到电源侧，电容器就会被充电；而当电荷蓄积至电源电压时，充电就会停止。若将开关连接到负荷(灯泡)侧，电容器就会开始放电，灯泡点亮。

【平滑电路】🐷

平滑电路是使得对交流进行整流后的脉动电流变得平滑并将其转换为直流的电路。电源电路就是其典型的例子。通过电容器来使得利用二极管桥对交流的输入电压进行整流(电路例中为全波整流)而得的电压波(脉动、脉动电流)变得平坦。

【去耦电路】🐶

去耦电路如其名称所示，是为了分离信号耦合而利用电容器的电路。此例中，如图所示，通过对基本直流中含有频率高的交流成分(噪声)的信号路径加入电容器，只有频率高的噪声成分通过电容器后被分离，之后令噪声不会被传递。去除开关电源中的开关噪声的用途就属于此种目的。

【耦合电路】🐯

耦合电路是不让直流成分通过而只让交流成分通过的电路。希望在音频信号的放大电路等中排除直流成分造成的影响(也称之为DC截除等)时使用耦合电路。
除此之外，还有例如谐振电路、滤波器电路、备用电路、时间常数电路和功率因数改善等各种使用方法。

四、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。
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，理想的电容器的电极间是绝缘的，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。

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。符号使用Z，单位与电阻相同，使用Ω。
电容器的阻抗(Z)用下式①来表示，阻抗的绝对值可通过下式②来计算。

① \(Z = R + j 2πf L+ \frac{1}{(j 2πf C)}\)
② \(|Z| = \sqrt{R^2+(2πf L - \frac{1}{2πfC})^2}\)

• \(Z\) : 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，可了解以下事项。

1. 在频率低的区域，阻抗几乎是由静电电容(C)来决定的。
2. 谐振频率(2πf L = 1／(2πf C))下，阻抗是由ESR来决定的。
3. 在频率高的区域，阻抗几乎是由ESL来决定的。

电容器的阻抗Z，在谐振频率之前呈容性下降，而在谐振频率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。
在将电容器用于其主要用途即噪声吸收(去耦)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。

1. 噪声的频率与电容器的谐振频率接近。
2. ESR小。
3. 高频噪声时，ESL小。

五、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，特性种类而有所差异，设计时根据这些特点来选择。主要的电容器种类如下图所示。

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。

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」。

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。

六、实际应用

这是一篇关于电容器直流电压降额相关知识的技术文档，包含相关原理、图示和图表，具体内容如下：

一、直流电压降额原理

1. “自发极化”现象
   • 电容器具有动态特性，以非线性方式存储和耗散电荷。在不施加外部电场的情况下，也可能出现极化现象，这被称为“自发极化”。
   • 自发极化是由材料的不活跃电场引起的，不活跃电场为电容器提供初始电容。
   • 对电容器施加外部直流电压会生成电场，生成的电场会反转初始极化，然后将剩余的有源偶极子“锁定”或极化到位。极化与电介质内电场的方向有关。
2. 有效电容的变化
   • 如图1所示，锁定的偶极子不会对交流电压瞬变作出反应，因此，有效电容低于施加直流电压前的值。

二、图2相关内容

1. 图示解释
   • 图2展示了对电容器施加电压所产生的影响以及产生的电容。
   • 文中提到，外壳尺寸较大时损失的电容较小，因为外壳尺寸越大，导体之间存在的电介质越多，这会降低电场强度并减少锁定的偶极子数。

三、图表内容

1. 电容与直流偏置电压和电容器尺寸的关系
   • 该图表以村田（Murata）公司的电容器为例，其规格为10μF、10V、X5R、0.95mm、±20%。
   • 图表展示了不同外壳尺寸（1206、0805、0603）下，电容随直流偏置电压的变化关系。
   • 从图表中可以看出，随着直流偏置电压的增加，电容值逐渐降低，并且外壳尺寸越大，在相同直流偏置电压下电容值的降低幅度相对越小。

这些内容主要是在阐述电容器在直流电压下的极化现象及其对电容值的影响，并通过图示和图表进行了详细说明。

1. 温度降额

• 文中指出电容器的额定温度高于其额定性能对应的温度，这种温度降额会使电容器的电容低于标注数值。

2. 陶瓷电容器编码表（表2）

• 表2列出了陶瓷电容器编码相关信息，包括低温、高温以及最大温度变化对应的字符和数值。
  

3. 电容与温度和额定温度的关系（图3）

• LDO结温范围通常为 - 40°C到125°C，在此温度范围内，X5R或X7R电容器是理想选择。
• 图3展示了村田（Murata）公司生产的10μF、10V、X5R、0805、±20%规格的电容器的电容与温度和额定温度的关系曲线。
  • 图中显示了不同温度下（从 - 50°C到125°C）X5R、X6S、X7R三种电容器的电容值变化情况。
  • 可以看出，温度对电容的影响远小于直流偏置降额所产生的影响，直流偏置降额可使电容值降低90%。

这些内容主要是在阐述电容器在不同温度条件下的性能变化，以及相关的编码标准和特性曲线。

电容器制造商容差

1. 制造商容差
   • 由于实际电容器的特性并非理想状态，电容值会因材料和尺寸不同而变化。生产电容器和其他无源电子元件的公司会制定通用标准，规定电容值容差范围，一般以±20%作为制造商容差。
2. 实际应用
   • 以常见的LDO（低压差线性稳压器）应用为例，输入电压可能来自3.6V电池，输出电压会降低，为微控制器（1.8V）供电。
   • 文中以10μF X7R陶瓷电容器（0603封装）为例进行分析。0603封装尺寸为0.06in×0.03in。
   • 直流偏置降额：从制造商提供的电容器直流偏置特性图表（图2未给出）可知，直流偏置电压为1.8V时，电容值为7μF。
   • 温度降额：基于X7R编码，在125°C环境温度下应用该电容器，电容值会下降15%，此时新电容值为5.5μF。
   • 制造商容差：考虑到±20%的制造商容差，最终电容值为3.5μF。
   • 总结得出，在上述条件下应用电容器时，10μF电容器的实际电容值为3.5μF，电容值降低至标称值的65%左右。并且指出这些条件并非适用于任何应用，但了解电容器用于实际应用时电容值的范围很重要。最后强调尽管LDO和电容器看起来简单，但还有其他因素决定着LDO正常工作所需的有效电容。