电容器

薄膜电容器的主要特性

额定电压

所谓额定电压就是,可恒常施加使用的最大电压。额定电压分为DC(直流)额定电压和AC(交流)额定电压。一般情况下,薄膜电容器的DC额定电压、AC额定电压都为数10~数100V左右,电力用高压型薄膜电容器的额定电压可达到AC数kV以上。AC额定电压是以仅用于交流电路为前提的电容器的电压。在AC电路上使用时,如果施加某个超过一定量的电压,就会产生电晕放电现象,而持续的电晕放电将导致绝缘破坏。另外,额定电压具有随温度上升而下降的倾向,因此选择时要留有充分余量。

自身发热

由于高频电流和脉动电流的影响,薄膜电容器会产生自身发热现象。一般认为自身发热是在5~10℃之内,因此需要使周围温度+自身发热温度不超过使用温度范围。

静电电容的温度特性和频率特性

薄膜电容器的静电电容容易受温度影响。其变化率因作为电介质的塑料薄膜的种类而异。PPS几乎没有变化,而PET以正的温度系数变化,PP则以负的温度系数变化。也有对相反的温度系数进行组合以稳定静电电容的复合电容器。另外,静电电容还会因使用频率而如下图所示发生变化。PPS的特点是同时具有优良的温度特性与频率特性。


tanδ (介质损耗角正切)的温度特性和频率特性

虽然薄膜电容器具有tanδ(介质损耗角正切)值越小热损失也越小的优良性能,但tanδ值会随着频率的增高而上升。上升最少的是PP,适合用于大电流的情况下。而且,PP的tanδ值也基本不受温度影响。


蒸镀电极的自我修复功能/安全功能

蒸镀电极型薄膜电容器有个很大的特点就是,蒸镀电极具有自我修复功能。指的是,当在薄膜上绝缘弱的地方被施加过电压导致绝缘击穿时,周围的蒸镀膜瞬时氧化,恢复绝缘状态的功能。

另外,为了更加提高可靠性,在蒸镀膜上附加安全功能的类型成为主流。其不是在薄膜的整个面上形成蒸镀膜,而是以分割成瓷砖状的多个领域并用狭窄的熔断部相连接的模式进行蒸镀的类型。当发生超过自我修复功能极限的绝缘击穿时,熔断部会熔断从而避免绝缘击穿。有多种蒸镀模式。


TDK的薄膜电容器(EPCOS品牌)类型和主要应用


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薄膜电容器的种类

薄膜电容器是利用塑料薄膜为电介质的电容器。其技术起源是19世纪后半期所发明的纸介质电容器。这是将浸渍了油、石蜡的纸插在铝箔中卷成卷状的电容器。代替金属箔在纸上直接蒸镀金属并卷成卷的类型被称为MP电容器(MP:敷金属纸的简称)。薄膜电容器是以这些技术为基础在20世纪30年代开发出来的。虽然与积层陶瓷贴片电容器相比,很难小型化,但由于绝缘电阻高,可靠性优异,被用于家电设备、车载电子设备、工业设备、电力电子设备等。

薄膜电容器根据内部电极的形成方法不同而大致分为箔电极型与蒸镀电极型(金属化薄膜型),根据结构的不同分为卷绕型、积层型、有感型与无感型等。


薄膜电容器中所使用的主要电介质及其特点

作为薄膜电容器的电介质,其使用了如下的塑料薄膜。以PET为电介质的电容器被称为Mylar电容器,该命名是源于杜邦公司的一款名为Mylar的PET薄膜。通称为苯乙烯电容器的是以聚苯乙烯(苯乙烯树脂)为电介质的薄膜电容器,但现在已被PP所取代,几乎不再生产。


按电介质分类的薄膜电容器的性能比较(概况)

因电介质的种类不同,薄膜电容器的性能存在差异。需要选择合适使用条件的类型。


薄膜电容器的结构

箔电极型薄膜电容器

在作为内部电极的金属箔(Al、Sn、Cu等)上重叠塑料薄膜并卷成卷状的卷绕型薄膜电容器有有感型与无感型。有感型是在内部电极上附着导线进行缠绕的类型,无感型是在端面安装导线或端子电极的类型。无感型与有感型相比,电感成分小,高频特性优异。


蒸镀电极型(金属化薄膜型)

这是替代箔电极型在塑料薄膜上蒸镀金属(Al、Zn等)形成内部电极的薄膜电容器。蒸镀膜极薄,因此与箔电极型相比,能够实现小型化。
蒸镀金属型是在端面安装电极的无感型,从加工方法上看有卷绕型与积层型。


薄膜电容器的制作方法


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积层陶瓷电容器的主要特性

要正确使用电容器,就需要了解电容器的特性。在这里我们就来简要介绍一下积层陶瓷电容器的主要特性。

额定电压

可施加给电容器的电压存在上限。能够稳定地施加给电容器的、可使用的最大电压称为额定电压。额定电压一般以直流电压表示,也有使用交流电压的产品。

漏电流/绝缘电阻/绝缘击穿

虽说电容器截断了直流电,但也会出现微小的漏电流。用流过电容器的电流除以施加在电容器上的电压所得的值称为绝缘电阻值。积层陶瓷电容器的绝缘电阻值高,在一般用途中,漏电流不会成为问题。但如果超过额定电压,再进一步提高所施加的电压,最终电容器就会发生绝缘击穿。

tanδ・Q

理想状况下,电路上不存在电容器内部的能量消耗,但实际上,电容器的介电损耗、电极、导线、电极的电阻成分(ESR:等效串联电阻)都会引发能量损耗。这以流过电容器的电流的相移进行表示。施加于电容器的电压与电流的相位差在理想状况下为90℃,但是因上述损耗会滞后于90℃。以三角函数tan(正数)表示该滞后的角度(损耗角)δ,称为tanδ或介质损耗角正切。tanδ的倒数叫做Q(质量系数),用作表示高频领域电容器性能的指标。



静电容量的温度特性

多用于电子设备的积层陶瓷电容器根据电介质的种类大致分为低电容率类(种类1)与高电容率类(种类2),并根据温度特性进一步细分。温度特性由JIS(日本工业标准)与EIA(美国电子工业协会)标准规定。



直流偏压特性(直流电压特性)

陶瓷电容器的静电容量还会因所施加的电压而发生变化,在直流电压下被称为直流偏压特性。静电容量的变化在低电容率类(种类1)中几乎看不到,但在高电容率类(种类2)的B特性、特别是F特性的陶瓷电容器中表现明显。这是因为高电容率类使用自发极化的强电介质(BaTiO3等)。

陶瓷是由众多晶粒(grain)构成的多晶体。在强电介质中,晶畴(domain)的自发极化是朝着向不同的方向,相互抵消,整体不表现出自发极化。但是,如果所施加的直流电场的强度增高,则最初自发极化的朝向会定向为电场的朝向,电容率增大。如果进一步提高电场,则会终止定向,达到饱和状态,电容率降低。因此,在施加直流偏压的情况下,需要考虑到电介质的特性、使用电压与耐圧从而进行选择。此外,存在这样的趋势,即越是小型尺寸的电容器,因直流偏压所引发的静电容量的减少越大。


阻抗-频率特性

电容器具有频率交流越高越易通过的性质。理想的电容器随着频率增高,阻抗会无限接近于零,但是在现实的电容器中,阻抗会以某个频率为临界升高。因此,阻抗-频率特性呈V字型(或U字型)曲线。这是因为电容器所具有的ESL (等效串联电感)与电容器之间形成了LC 谐振电路。与V字曲线的底部相对应的频率叫做自谐振频率(SRF),在该频率以下都作为电容器发挥作用,在此以上的频率范围内则作为电感器发挥作用。另外,Q 值在自谐振频率上为零。因此,为了使电容器在自谐振频率以下发挥作用,则必需要进行选择。


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电感器(线圈)是与电阻、电容器并称为三大被动元件的电子元件。利用线圈对电流所表现出的特性,在电源电路、一般信号电路、高频电路等中发挥着重要作用。

电流的磁效应与线圈

电流产生磁场,并对周围产生磁效应。这就是在1820年由奥斯特发现的"电流的磁效应"。由此可知,电流同向流动的平行导线相互吸引,电流逆向流动的平行导线相互排斥。为了检测该力的大小,安培制作了将导线设成方形并吊起来的装置。而且,安培还制作了将导线卷成圆柱形的线圈,将其称为螺线管。这是用于天线线圈等的螺线管线圈的鼻祖。当时还发现了流动电流的螺线管线圈表现出了与磁铁相同的性质。

产生电流的磁场与右手螺旋定则


磁力线的方向由"右手螺旋定则"决定。即,右螺钉的旋进方向与旋转方向分别为电流方向与磁力线的方向。

施加在平行导线上的力


流过平行导线的电流为同向的情况下,导线间吸引力发挥作用,为反向的情况下,排斥力发挥作用。

线圈与磁力线

电流流过线圈,则合成磁力线,贯通线圈内部。


右手定则

利用右手即可简单掌握电流与磁力线方向的方法。


电磁感应与线圈电感

与电流产生磁力线的电流的磁效应相反,磁通变化产生电动势的"电磁感应(electromagnetic induction)"现象是在1831年由法拉第发现的。例如,在环形铁芯上卷绕两个线圈,在一次侧线圈上连接电池,打开/关闭开关,则在二次侧的线圈产生电动势(感应电动势),电流(感应电流)流动。该电磁感应现象称为互感。

互感


自感与线圈电感

单独的线圈也会产生电磁感应现象。当流过线圈的电流发生变化,则产生的磁通也发生变化,在线圈产生电动势。这被称为自感。其电动势(V) 以下式表示,并将比例定数L 称为自感。通常电感器(线圈)的电感就是该自感。


因开关的打开/关闭,流过线圈的电流发生变化,则磁通也发生变化,产生电动势(自感)。


楞次法则

"楞次法则"是可简单掌握由电磁感应产生的感应电流的方向的方法。是感应电流阻止磁通变化或电流变化并向维持原状态的方向流动的法则。这是所谓的"推亦被推,拉以被拉"的关系,与力学的反作用相似,因此也被称为反作用法则。


磁铁靠近线圈,则产生阻止磁通增加的方向上的反作用磁通的感应电流流动。


磁铁远离线圈,则产生阻止磁通减少的方向上的反作用磁通的感应电流流动。

线圈设计与电感

线圈的电感因线圈形状而异。例如,螺线管线圈(单层)的电感可通过以下公式求得。长冈系数(k)是由物理学者长冈半太郎博士引进的,是对线圈形状的修正系数。在截面积的半径为r、长度为l的线圈中,长冈系数为如下图表所示。2r/l=0为无限长的线圈,其长冈系数为1,有限长度的线圈不足1。意思是如果截面积相同,则长度越短电感越低。

螺线管线圈的电感


增大电感的基本手法

从上式可知,如果线圈长度相同,则截面积越大,匝数越多,线圈电感越大。此外,如果电感値相同,通过将磁导率高的磁性体作为铁芯(磁芯),由此能够令电感比空心线圈大幅增大。磁导率是表示磁通聚集的容易程度的指标,越是容易磁化的(磁化率高)的物质,磁导率越高 。


各类物质的相对磁导率

以物质的磁导率与真空的磁导率之比予以表示就是相对磁导率(无单位)。真空的相对磁导率为1,空气、水、铜、铝等弱磁性体(非磁性体)的相对磁导率也为1左右。与此相对,镍、铁、铁氧体、电磁钢等软磁性的强磁性体的相对磁导率达数百~10万以上。软磁性是指容易被外部磁场磁化且去除外部磁场则磁化消失恢复到原状态的磁性体的性质。


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电感器对直流的作用

线圈的过渡响应

线圈(电感器)通过自感应作用,在阻碍电流变化的方向上产生电动势(感应电动势)。因此,即使在线圈上施加电压,电流也不会马上流动,而且即便去掉电压,电流也不会马上消失。在开关处于开或关等时,非常态的电流和电压变化被称为线圈的过渡响应(过渡现象) 。

例如,在将线圈和霓虹灯(放电起始电压为数10V以上)并联的如下电路中,即使将干电池(数V左右)的开关导通,霓虹灯也不会被点亮。但是,在线圈中有电流流动的状态下切断开关时,霓虹灯会被点亮。通过自感应作用在线圈中产生的电动势(V)与电流的变化率(ΔI/Δt)呈比例关系。当开关导通时,电流会慢慢増大,电动势不会超过电源电压。但是,当开关断开时,由于正在流动的电流瞬间被切断,电流的变化率增大,因此产生了能够点亮霓虹灯的高电动势。


线圈蓄能

在上述电路中霓虹灯能被点亮是由于线圈蓄能的缘故。这个能量与流过线圈和电感的电流的平方呈比例关系。当开关断开时存蓄的能量瞬间被释放,由此产生高电动势。


线圈对交流的作用

感应性电抗 ( XL)

线圈(电感器)具有能使直流顺利通过,但对交流则起着如同电阻般的阻碍作用,而且具有频率越高越不容易通过的性质。这种性质叫做线圈的感应性电抗( XL ),其与交流频率 ( f ) 、电感 ( L ) 之间存在着如下的关系。


具有线圈的交流电路的电压波形和电流波形

商用交流电是带有正弦波(sin波)波形的交流电。当把线圈连接到交流电源时,通过自感应作用,在线圈中阻碍电流变化的方向上产生电动势。因此,随着电压的变化电流将变化为如下滞后90°(1/4周期)的波形。


磁芯的磁化和磁导率

磁化曲线和磁饱和

线圈产生的磁通 ( Φ )与电感 ( L )和流动的电流 ( I )呈比例关系。而且,由于电感与磁导率呈比例关系,因此如果磁芯使用高磁导率的磁性体,且通过的电流越大,产生的磁通越多。但是,磁性体汇集磁通的能力有限,如加大电流,则不久磁芯就会处于磁饱和状态。此时的磁通密度 ( B )称为最大磁通密度 ( Bm ) 。

磁芯的磁化过程和磁导率的变化

随着磁芯的磁化,磁芯的磁导率也跟着变化。磁导率 ( μ )如下述曲线所示,用磁芯的磁化曲线斜率 ( θ )表示,原点附近的初磁化曲线的斜率特称为起始磁导率 (μ0 )。一般所说的磁导率就是指这个起始磁导率,铁氧体材料的产品目录中记载的也是这个数值。

当加大通过线圈的电流、提高磁化强度时,磁导率也跟着上升,不久就会达到极大値。这时称其为最大磁导率 ( μm ),之后磁导率转变为下降变小。


磁芯的渦流损耗

当交流电流通过线圈时,为了防止产生的磁通发生变化而产生了电动势,磁芯中将流过同心圆状的电流。此电流叫做渦流,RI2 (R :电阻、I :电流)的功率将变成焦耳热而被损耗掉。将此种情况就叫做渦流损耗。金属磁芯由于其电阻低所以其渦流损耗也大。电源变压器的磁芯之所以采用叠片铁心就是为了减小渦流损耗。但是,在高频情况下,渦流损耗将会增大并且发热增加。由于铁氧体的固有电阻值较高,因此渦流损耗较小,所以多用作高频线圈和高频变压器等的磁芯。


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电容器与电阻、电感并称为三大被动元件,其年产量在世界范围内已达约2万亿个 。电容器中使用最广泛的是陶瓷电容器,同时,绝缘性和稳定性俱佳的薄膜电容器、以大容量著称的电解电容器等各类电容器,也凭借各自的优势与特点为人们所用。

电容器的原理与基本结构

电容器的基本结构是间隔对置的2个电极(金属板)。施加直流电压(V)到2个电极上,电子瞬间聚集到其中一个电极上,该电极带负电,另一个电极则处于电子不足的状态,带正电。该状态在撤去直流电压后依旧存在。即,在2个电极之间蓄积了电荷(Q)。在电极间插入电介质(陶瓷、塑料薄膜等),通过电介质的极化,蓄积的电荷增加。表示电容器蓄积多少电荷的指标叫做电容量(C)(简称容量)。




电容器的基本性质① "积蓄电荷"

电容器也被称为蓄电器,顾名思义,就是通过采用大面积的电极构造以及高电容率的电介质,从而能够蓄积大量电荷。 接通电源施加直流电压,则电流瞬间流向导线,对电容器进行充电;当电极间的电位差与电源电压相等,则电流不再流动,充电结束。充放电过程如下图所示。




电容器的基本性质②"阻直流,通交流"

电容器的电极被电介质阻隔,施加直流电压后,在充电过程中电流瞬间流过导线,但不会流到电介质的内部。即,电容器具有阻断直流的性质。连接交流电源,则电极板周期性地反复进行充电与放电,电场方向也会相应地发生改变。虽然不是在绝缘体内部出现电子移动,但实际上与流过交流电流相同,因此可视为电容器使交流电流通过。相对于通常的电流(传导电流),我们将该电流称为位移电流。




电容器的基本性质③"频率越高,电容量越大,交流电越容易通过"

"阻直流,通交流"是电容器的基本性质。但并非所有交流电都一样通过,通过的阻碍由交流电的频率与电容器的电容量决定。该交流电通过阻碍叫做容抗(XC)。是电容器对交流电的阻抗,单位是欧姆[Ω]。电容器的容抗(XC)以如下公式表示。




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电容器是电子设备中常用的电子元件,下面对几种常用电容器的结构和特点作以简要介绍,以供大家参考。

1. 铝电解电容器

它是由铝圆筒做负极、里面装有液体电解质,插人一片弯曲的铝带做正极制成。还需经直流电压处理,做正极的片上形成一层氧化膜做介质。其特点是容量大、但是漏电大、稳定性差、有正负极性,适于电源滤波或低频电路中,使用时,正、负极不要接反。

2. 钽铌电解电容器

它用金属钽或者铌做正极,用稀硫酸等配液做负极,用钽或铌表面生成的氧化膜做介质制成。其特点是:体积小、容量大、性能稳定、寿命长。绝缘电阻大。温度性能好,用在要求较高的设备中。

3. 陶瓷电容器

用陶瓷做介质。在陶瓷基体两面喷涂银层,然后烧成银质薄膜作极板制成。其特点是:体积小、耐热性好、损耗小、绝缘电阻高,但容量小,适用于高频电路。铁电陶瓷电容容量较大,但损耗和温度系数较大,适用于低频电路。

4. 云母电容器

用金属箔或在云母片上喷涂银层做电极板,极板和云母一层一层叠合后,再压铸在胶木粉或封固在环氧树脂中制成。其特点是:介质损耗小、绝缘电阻大。温度系数小,适用于高频电路。

5. 薄膜电容器

结构相同于纸介电容器,介质是涤纶或聚苯乙烯。涤纶薄膜电容,介质常数较高,体积小、容量大、稳定性较好,适宜做旁路电容。聚苯乙烯薄膜电容器,介质损耗小、绝缘电阻高,但温度系数大,可用于高频电路。

6. 纸介电容器

用两片金属箔做电极,夹在极薄的电容纸中,卷成圆柱形或者扁柱形芯子,然后密封在金属壳或者绝缘材料壳中制成。它的特点是体积较小,容量可以做得较大。但是固有电感和损耗比较大,适用于低频电路。

7. 金属化纸介电容器

结构基本相同于纸介电容器,它是在电容器纸上覆上一层金属膜来代金属箔,体积小、容里较大,一般用于低频电路。

8. 油浸纸介电容器

它是把纸介电容浸在经过特别处理的油里,能增强其耐压。其特点是电容量大、耐压高,但体积较大。此外,在实际应用中,第一要根据不同的用途选择不同类型的电容器;第二要考虑到电容器的标称容量,允许误差、耐压值、漏电电阻等技术参数;第三对于有正、负极性的电解电容器来说,正、负极在焊接时不要接反。

来源:EDN电子技术设计

围观 95

汽车级器件在温度85 °C,相对湿度85 %,额定电压条件下经过500小时耐久性THB测试证明恶劣条件下具有极长使用寿命

日前,Vishay Intertechnology, Inc.(NYSE 股市代号:VSH)宣布,推出新型F339X2 305VAC系列汽车级X2电磁干扰(EMI)抑制薄膜电容器,该器件符合跨接电路应用(50 Hz / 60 Hz)标准,通过AEC-Q200(D版)和IEC 60384-14: 2013 / AMD1: 2016 IIB级认证。

按照IEC 60384-14: 2013 / AMD1: 2016 IIB级定义的新的湿度等级标准,Vishay BCcomponents F339X2 305VAC系列电容器在温度85 °C,相对湿度85 %,额定电压条件下进行了500小时加速式温湿度及偏压测试(THB),电容值量和损耗系数极为稳定,从而证明恶劣应用条件下具有极高可靠性和更长的使用寿命。

今天发布的器件可用作汽车和工业电源逆变器的EMC滤波器。电容器引脚间距为15 mm、 22.5 mm和27.5 mm;电容值为0.1μF至4.7μF,公差低至± 10 %;直流电压允许范围630 V。

F339X2 305VAC系列电容器采用环氧树脂密封的阻燃剂UL-class 94 V-0塑胶外壳封装。无铅(Pb)电容器符合RoHS标准。

新型X2电容器现可提供样品并已实现量产,供货周期为17周。

围观 60

该器件在 +85°C和3 V最大额定电压下能够提供2000小时的使用寿命

日前,Vishay Intertechnology, Inc.(NYSE 股市代号:VSH)宣布,推出一系列新型高压ENYCAP™电解双层储能电容器---230 EDLC-HV ENYCAP,用于恶劣环境下的能量收集和电源备份应用。Vishay BCcomponents 230 EDLC-HV ENYCAP电容器是业界首款在+85°C和最大额定电压3.0 V条件下使用寿命达到2000小时的电容器。

今天发布的器件的长使用寿命是标准电解双层电容器的两倍,支持免维护运行和更大的设计灵活性。凭借其高额定电压,该电容器可用于各种工业、可再生能源和汽车应用,包括智能电表、手持电子设备、机器人、太阳能电池板、电子门锁系统以及应急照明。

230 EDLC-HV ENYCAP电容器有8种小尺寸,范围从16mmx20mm到18mmx40mm不等,能够提供高达4.1Wh/kg的高功率密度以及20F到60F的电容值。这些符合RoHS标准的器件具有快速充电和放电性能,并可提供通孔(through-hole)版本。

目前,230 EDLC-HV ENYCAP电容器的现可提供样品并已量产,供货周期为六周。

资源:

Vishay公司的储能电容器

在Vishay网站上查看经销商库存

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