超级电容器的结构

超级电容器结构上的具体细节依赖于对超级电容器的应用和使用。由于制造商或特定的应用需求，这些材料可能略有不同。所有超级电容器的共性是，他们都包含一个正极，一个负极，及这两个电极之间的隔膜，电解液填补由这两个电极和隔膜分离出来的两个的孔隙。

超级电容器的结构如图所示．是由高比表面积的多孔电极材料、集流体、多孔性电池隔膜及电解液组成。电极材料与集流体之间要紧密相连，以减小接触电阻；隔膜应满足具有尽可能高的离子电导和尽可能低的电子电导的条件，一般为纤维结构的电子绝缘材料，如聚丙烯膜。电解液的类型根据电极材料的性质进行选择。

上图中各部分为：（1）：聚四氟乙烯载体；（2）（4）：活性物质压在泡沫镍集电极上；（3）：聚丙烯电池隔膜。

超级电容器的部件从产品到产品可以有所不同。这是由超级电容器包装的几何结构决定的。对于棱形或正方形封装产品部件的摆放，内部结构是基于对内部部件的设置，即内部集电极是从每个电极的堆叠中挤出。这些集电极焊盘将被焊接到终端，从而扩展电容器外的电流路径。

对于圆形或圆柱形封装的产品，电极切割成卷轴方式配置。最后将电极箔焊接到终端，使外部的电容电流路径扩展。

超级电容的特性

超级电容器使用过程中是没有任何的化学反应，也没有高速旋转等机械运动；对于环境没有污染，也没有任何的噪声；它的结构简单、体积小，是非常理想的储能设备。

超级电容产品具有如下技术特性：

　　（1）充电速度快。充满其额定容量的95%以上仅需10秒～10分钟；

　　（2）循环寿命长。深度充放电循环可达1～50万次，例如，北京合众汇能公司生产的HCC250F/2.7V的超级电容器和北京集星科技公司生产的系列电容的循环寿命均在50万次以上；

　　（3）能量转换效率高。大电流能量循环效率》90%；

　　（4）功率密度高。可达300W/kg—50000W/kg，为蓄电池的5～10倍；

　　（5）原材料生产、使用、存储及拆解过程均无污染，是理想的绿色环保电源；安全系数高，长期使用免维护；

　　（6）高充放电效率。由于内阻很小，所以充放电损耗也很小，具有很高的充放电效率，可达90%以上。

　　（7）温度范围宽。达-40～+70℃。超级电容器电极材料的反应速率受温度影响不大；

　　（8）检测控制方便。剩余电量可通过公式E=CV2/2直接算出，只需要检测端电压就可以确定所储存的能量，荷电状态（SOC）的计算简单准确，因此易于能量管理与控制。

超级电容器工作原理

超级电容器基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽，是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种。

根据储能机理的不同可以分为以下两类：

1、双电层电容：

是在电极/溶液界面通过电子或离子的定向排列造成电荷的对峙而产生的。对一个电极/溶液体系，会在电子导电的电极和离子导电的电解质溶液界面上形成双电层。当在两个电极上施加电场后，溶液中的阴、阳离子分别向正、负电极迁移，在电极表面形成双电层；撤消电场后，电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定，在正负极间产生相对稳定的电位差。这时对某一电极而言，会在一定距离内（分散层）产生与电极上的电荷等量的异性离子电荷，使其保持电中性；当将两极与外电路连通时，电极上的电荷迁移而在外电路中产生电流，溶液中的离子迁移到溶液中呈电中性，这便是双电层电容的充放电原理。

2、法拉第准电容：

其理论模型是由Conway首先提出，是在电极表面和近表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸脱附和氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。对于法拉第准电容，其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储，而且包括电解液离子与电极活性物质发生的氧化还原反应。当电解液中的离子（如H+、OH-、K+或Li+）在外加电场的作用下由溶液中扩散到电极/溶液界面时，会通过界面上的氧化还原反应而进入到电极表面活性氧化物的体相中，从而使得大量的电荷被存储在电极中。放电时，这些进入氧化物中的离子又会通过以上氧化还原反应的逆反应重新返回到电解液中，同时所存储的电荷通过外电路而释放出来，这就是法拉第准电容的充放电机理。

来源：硬件十万个为什么

滤波电容器、共模电感、磁珠在EMC设计电路中是常见的身影，也是消灭电磁干扰的三大利器。

对于这三者在电路中的作用，相信还有很多工程师搞不清楚，文章从设计中详细分析了消灭EMC三大利器的原理。

01 滤波电容

尽管从滤除高频噪声的角度看，电容的谐振是不希望的，但是电容的谐振并不是总是有害的。

当要滤除的噪声频率确定时，可以通过调整电容的容量，使谐振点刚好落在骚扰频率上。

在实际工程中，要滤除的电磁噪声频率往往高达数百MHz，甚至超过1GHz。对这样高频的电磁噪声必须使用穿心电容才能有效地滤除。

普通电容之所以不能有效地滤除高频噪声，是因为两个原因：

(1)一个原因是电容引线电感造成电容谐振，对高频信号呈现较大的阻抗，削弱了对高频信号的旁路作用;
(2)另一个原因是导线之间的寄生电容使高频信号发生耦合，降低了滤波效果。
穿心电容之所以能有效地滤除高频噪声，是因为穿心电容不仅没有引线电感造成电容谐振频率过低的问题。

而且穿心电容可以直接安装在金属面板上，利用金属面板起到高频隔离的作用。但是在使用穿心电容时，要注意的问题是安装问题。

穿心电容最大的弱点是怕高温和温度冲击，这在将穿心电容往金属面板上焊接时造成很大困难。

许多电容在焊接过程中发生损坏。特别是当需要将大量的穿心电容安装在面板上时，只要有一个损坏，就很难修复，因为在将损坏的电容拆下时，会造成邻近其它电容的损坏。

02 共模电感

由于EMC所面临解决问题大多是共模干扰，因此共模电感也是我们常用的有力元件之一。

共模电感是一个以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件，它由两个尺寸相同，匝数相同的线圈对称地绕制在同一个铁氧体环形磁芯上，形成一个四端器件，要对于共模信号呈现出大电感具有抑制作用，而对于差模信号呈现出很小的漏电感几乎不起作用。

原理是流过共模电流时磁环中的磁通相互叠加，从而具有相当大的电感量，对共模电流起到抑制作用，而当两线圈流过差模电流时，磁环中的磁通相互抵消，几乎没有电感量，所以差模电流可以无衰减地通过。

因此共模电感在平衡线路中能有效地抑制共模干扰信号，而对线路正常传输的差模信号无影响。

共模电感在制作时应满足以下要求：

(1)绕制在线圈磁芯上的导线要相互绝缘，以保证在瞬时过电压作用下线圈的匝间不发生击穿短路;
(2)当线圈流过瞬时大电流时，磁芯不要出现饱和;
(3)线圈中的磁芯应与线圈绝缘，以防止在瞬时过电压作用下两者之间发生击穿;
(4)线圈应尽可能绕制单层，这样做可减小线圈的寄生电容，增强线圈对瞬时过电压的而授能力。
通常情况下，同时注意选择所需滤波的频段，共模阻抗越大越好，因此我们在选择共模电感时需要看器件资料，主要根据阻抗频率曲线选择。
另外选择时注意考虑差模阻抗对信号的影响，主要关注差模阻抗，特别注意高速端口。

03 磁珠

在产品数字电路EMC设计过程中，我们常常会使用到磁珠，铁氧体材料是铁镁合金或铁镍合金，这种材料具有很高的导磁率，他可以是电感的线圈绕组之间在高频高阻的情况下产生的电容最小。

铁氧体材料通常在高频情况下应用，因为在低频时他们主要程电感特性，使得线上的损耗很小。在高频情况下，他们主要呈电抗特性比并且随频率改变。实际应用中，铁氧体材料是作为射频电路的高频衰减器使用的。

实际上，铁氧体较好的等效于电阻以及电感的并联，低频下电阻被电感短路，高频下电感阻抗变得相当高，以至于电流全部通过电阻。

铁氧体是一个消耗装置，高频能量在上面转化为热能，这是由他的电阻特性决定的。铁氧体磁珠与普通的电感相比具有更好的高频滤波特性。

铁氧体在高频时呈现电阻性，相当于品质因数很低的电感器，所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗，从而提高高频滤波效能。

在低频段，阻抗由电感的感抗构成，低频时R很小，磁芯的磁导率较高，因此电感量较大，L起主要作用，电磁干扰被反射而受到抑制;并且这时磁芯的损耗较小，整个器件是一个低损耗、高Q特性的电感，这种电感容易造成谐振因此在低频段，有时可能出现使用铁氧体磁珠后干扰增强的现象。

在高频段，阻抗由电阻成分构成，随着频率升高，磁芯的磁导率降低，导致电感的电感量减小，感抗成分减小。

但是，这时磁芯的损耗增加，电阻成分增加，导致总的阻抗增加，当高频信号通过铁氧体时，电磁干扰被吸收并转换成热能的形式耗散掉。

铁氧体抑制元件广泛应用于印制电路板、电源线和数据线上。如在印制板的电源线入口端加上铁氧体抑制元件，就可以滤除高频干扰。

铁氧体磁环或磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频干扰和尖峰干扰，它也具有吸收静电放电脉冲干扰的能力。使用片式磁珠还是片式电感主要还在于实际应用场合。
在谐振电路中需要使用片式电感。而需要消除不需要的EMI噪声时，使用片式磁珠是最佳的选择。

片式磁珠和片式电感的应用场合

片式电感：射频(RF)和无线通讯，信息技术设备，雷达检波器，汽车电子，蜂窝电话，寻呼机，音频设备，个人数字助理(PDAs)，无线遥控系统以及低压供电模块等。

片式磁珠： 时钟发生电路，模拟电路和数字电路之间的滤波，I/O输入/输出内部连接器(比如串口，并口，键盘，鼠标，长途电信，本地局域网)，射频电路和易受干扰的逻辑设备之间，供电电路中滤除高频传导干扰，计算机，打印机，录像机(VCRS)，电视系统和手提电话中的EMI噪声抑止。

磁珠的单位是欧姆，因为磁珠的单位是按照它在某一频率产生的阻抗来标称的，阻抗的单位也是欧姆。

磁珠的DATASHEET上一般会提供频率和阻抗的特性曲线图，一般以100MHz为标准，比如是在100MHz频率的时候磁珠的阻抗相当于1000欧姆。

针对我们所要滤波的频段需要选取磁珠阻抗越大越好，通常情况下选取600欧姆阻抗以上的。

另外选择磁珠时需要注意磁珠的通流量，一般需要降额80%处理，用在电源电路时要考虑直流阻抗对压降影响。

来源：网络转载

电容器的动态分析

1、电容器的两种情况

电容器始终与电源相连时，电容器两极板电势差U保持不变；

电容器充电后与电源断开时，电容器所带电荷量Q保持不变．

2、平行板电容器动态问题的分析思路

3、关于平行板电容器的一个常用结论

电容器充电后断开电源，在电容器所带电荷量保持不变的情况下，电场强度与极板间的距离无关。

4、分析电容器问题时常用到平行板电容器的三个公式

典例

1、将平行板电容器两极板之间的距离、电压、电场强度大小和极板所带的电荷量分别用d、U、E和Q表示．下列说法正确的是(　　)

A．保持U不变，将d变为原来的两倍，则E变为原来的一半
B．保持E不变，将d变为原来的一半，则U变为原来的两倍
C．保持d不变，将Q变为原来的两倍，则U变为原来的一半
D．保持d不变，将Q变为原来的一半，则E变为原来的一半

2、如图所示是某示波管的示意图，如果在水平放置的偏转电极上加一个电压，则电子束将被偏转。每单位电压引起的偏转距离叫示波管的灵敏度，下面这些措施中对提高示波管的灵敏度有用的是（ ）

A. 尽可能把偏转极板L做得长一点
B. 尽可能把偏转极板L做得短一点
C. 尽可能把偏转极板间的距离d做得小一点
D. 将电子枪的加速电压提高

答案：AC

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