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电容不可缺少的电子元器件 电子产品中的CPU

2019-09-23 19:32:06  责任编辑:  来源:  点击数:

什么是电容?

电容是最基本的电子元器件

电容就是两块导体中间夹着一块绝缘体构成的电子元件,就像三明治一样。电容是电子设备中最基础也是最重要的元件之一。电容的产量占全球电子元器件产品(其它的还有电阻、电感等)中的40%以上。基本上所有的电子设备,小到闪盘、数码相机,大到航天飞机、火箭中都可以见到它的身影。作为一种最基本的电子元器件,电容对于电子设备来说就象食品对于人一样不可缺少。

小小一颗电容却是一个国家工业技术能力的完全体现,尤其是高档电容所代表的是本国精密加工、化工、、材料、基础研究的水平(美国、日本是世界上电容设计研究能力最高的两个国家)大家千万别小看它,其高档产品的设计制造要求甚至不亚于CPU。同样是这棵不起眼的电容,上到神五,下到U盘,可以说有 电源的地方就有它。

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电容是无处不在的

电容的用途非常多,主要有如下几种:

1.隔直流:作用是阻止直流通过而让交流通过。

2.旁路(去耦):为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。

3.耦合:作为两个电路之间的连接,允许交流信号通过并传输到下一级电路

4.滤波:这个对DIY而言很重要显卡上的电容基本都是这个作用。

5.温度补偿:针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响,而进行补偿,改善电路的稳定性。

6.计时:电容器与电阻器配合使用,确定电路的时间常数。

7.调谐:对与频率相关的电路进行系统调谐,比如手机、收音机、电视机。

8.整流:在预定的时间开或者关半闭导体开关元件。

9.储能:储存电能,用于必须要的时候释放。例如相机闪光灯,加热设备等等。

陶瓷电容常用在超高频器件例如GPU上

无机介质电容器:包括大家熟悉的陶瓷电容以及云母电容,在CPU上我们会经常看到陶瓷电容。陶瓷电容的综合性能很好,可以应用GHz级别的超高频器件上,比如CPU/GPU。当然,它的价格也很贵。

有机介质电容器:例如薄膜电容器,这类电容经常用在音箱上,其特性是比较精密、耐高温高压。

电解电容器:电解电容器的内部有储存电荷的电解质材料,分正、负极性,类似于电池,不可接反。正极为粘有氧化膜的金属基板,负极通过金属极板与电解质(固体和非固体)相连接。

无极性(双极性)电解电容器采用双氧化膜结构,类似于两只有极性电解电容器将两个负极相连接后构成,其两个电极分别为两个金属极板(均粘有氧化膜)相连,两组氧化膜中间为电解质。有极性电解电容器通常在电源电路或中频、低频电路中起电源滤波,退耦(ǒu)、信号耦合及时间常数设定、隔直流等作用。无极性电解电容器通常用于音响分频器电路、电视机S校正电路及单相电动机的起动电路。

由于主板、显卡等产品使用的基本都是电解电容,因此这是我们要讲的重点。大家熟悉的铝电容,钽电容其实都是电解电容。如果说电容是电子元器件中最重要和不可取代的元件的话,那么电解电容器又在整个电容产业中占据了半壁江山。我国电解电容年产量300亿只,且年平均增长率高达30%,占全球电解电容产量的1/3以上。

大家别小看电解电容,它其实是一个国家的工业能力和技术水平的反映。世界上最先进的电解电容的设计和生产国是美国和日本,顶级的电解电容器的生产工艺要求非常高,别看我国电解电容产量这么高,可是各项核心技术都掌握在其它国家手里,我国也就能算来料加工的“世界工厂”而已,自主力量还很薄弱,并且生产的产品也都以低档的为主。

电解电容器特点一:单位体积的电容量非常大,比其它种类的电容大几十到数百倍。

电解电容器特点二:额定的容量可以做到非常大,可以轻易做到几万μf甚至几f(但不能和双电层电容相比)。

电解电容器特点三:价格比其它种类具有压倒性优势,因为电解电容的组成材料都是普通的工业材料,比如铝等等。制造电解电容的设备也都是普通的工业设备,可以大规模生产,成本相对比较低。

目前,新型的电解电容发展的非常快,某些产品的性能已达到无机电容器的水准,电解电容正在替换某些无机和有机介质电容器。电解电容的使用范围相当广泛,基本上,有电源的设备都会使用到电解电容。例如通讯产品,数码产品,汽车上音响、发动机、ABS、GPS、电子喷油系统以及几乎所有的家用电器。由于技术的进步,如今在小型化要求较高的军用电子对抗设备中也开始广泛使用电解电容。

电解电容的分类,传统的方法都是按阳极材质,比如说铝或者钽。所以,电解电容按阳极分,为以下几种:

1.铝电解电容。不管是SMT贴片工艺的(上图左,就是大家说的“贴片电容”,识别方式是底坐有黑色橡胶),还是直插式的,或者有塑料表皮的(上图右就是直插式有塑料表皮的,这个被很多人认为是“电解电容”),只要它们的阳极材质是铝,那么他们就都叫做铝电解电容。电容的封装方式和电容的品质本身并无直接联系,电容的性能只取决于具体型号,这个我们后面会详细说明。

紫色的是SANYO OSCON TCNQ系列高档电容,采用直插封装

2.钽电解电容。阳极由钽构成,就是那种我们在显卡上一见到就会惊呼“这个显卡做工真不错!”的那种黄色或黑色小颗粒。目前很多钽电解电容都用贴片式安装,其外壳一般由树脂封装(采用同样封装的也可能是铝电解电容)。但是,钽电容的阴极也是电解质,所以很不幸的,它也是大家十分瞧不起的“电解电容”的一种。(有种晴天霹雳的感觉吧?)。

需要提及的是,铝电解电容和钽电解电容不是由封装形式决定的。像上图的黄色与黑色小方块,通常我们认为其是钽电解电容,但实际其阳极也有可能是铝,也就是说它们也有可能是铝电容而不是钽电容。(第二个晴天霹雳!?)

是否有橡胶底坐,是判断SMT贴片与直插封装的主要依据

3。铌电解电容。这种电容如今已经用的比少。

它用金属钽[tǎn]或者铌[ní]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。它的特点是体积小、容量大、性能稳定、寿命长、绝缘电阻大、温度特性好。用在要求较高的设备中。

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。

铌电解电容器性能

铌和钽铝一样其表面可以形成介电氧化膜铌电容器的最大问题是热和电应力对介电氧化膜的破坏,造成漏电流增大,电容器失效。铌电容器的恶化机理与钽电容器类似,是由无定形介电氧化膜的晶化作用和阳极介电质的表面脱氧反应造成,而Nb2O5膜向金属铌扩散氧的速率远高于Ta2O5膜,试验表明,在360℃,30min退火,Nb2O5 ,膜溶解近50%,但Ta2O5 ,膜几乎没有任何影响。另外在铌电容器阳极氧化膜中存在的氧相,低价铌氧化物NbO和NbO2是导体和半导体,造成潜在的漏电流途径。只有通过改善铌粉的电性能和使用特殊的铌电容器加工工艺,介质氧化膜才能稳定,从而制造出具有稳定电性能的电容器。

铌在固体电解电容器中可有效代替钽,因为铌轻、便宜,尽管2种金属在晶体结构和物理化学性质上很相似,但钽、铌电解电容器的电性能是不同的:

(1)铌电容器在寿命测试时其漏电流有增加的倾向,最终导致其参数失效。

(2)钽电容器的漏电流长时间内没有明显的变化,但个别也有急剧增大偶尔发生一些灾难 性的失效。

(3)铌电容器的频率特性和温度特性与钽电容器非常相似都优于铝电解电容器。

铌电容器的一个重要特征是在寿命试验时着火情况少,典型的情况是漏电流变大, 通常不会被击穿,相反钽电容器的失效是击穿和短路,严重时会造成电容器着火和燃烧。

铌电解电容和铝电解电容相比的优点:

1.体积小

由于铌电容采用了颗粒很细的钽粉,而且铌氧化膜的介电常数ε比铌氧化膜的介电常数高17,因此铌电容的单位体积内的电容量大。

2.使用温度范围宽

一般铌电解电容器都能在-50℃~100℃的温度下正常工作,但电性能远远不如钽电解。

3.性能

铌电解电容器中钽氧化膜介质不仅耐腐蚀,寿命长、绝缘电阻高、漏电流小而且长时间工作能保持良好的性能。

4. 阻抗频率特性

阻抗频率特性好对频率特性不好的电容器,当工作频率高时电容量就大幅度下降,损耗(tgδ)也急剧上升。但固体电解电容器可工作在50kHz以上。铌电容随频率上升,也要出现容量下降现象,但下降幅度较小,有资料表明,工作在10kHz时铌电容容量下降不到20%,而铝电解电容容量下降达40%。

5.可靠性高

可靠性高 铌氧化膜的化学性能稳定,又因铌阳极基体Ta2O5能耐强酸、强碱,所以它能使用固体或含酸的电阻率很低的液体电解质,这就使得铌电解的损耗要比铝电解电容小,而且温度稳定性良好。

以往传统的看法是钽电容性能比铝电容好,因为钽电容的介质为阳极氧化后生成的五氧化二钽,它的介电能力(通常用ε表示)比铝电容的三氧化二铝介质要高。因此在同样容量的情况下,钽电容的体积能比铝电容做得更小。(电解电容的电容量取决于介质的介电能力和体积,在容量一定的情况下,介电能力越高,体积就可以做得越小,反之,体积就需要做得越大)再加上钽的性质比较稳定,所以通常认为钽电容性能比铝电容好。

但这种凭阳极判断电容性能的方法已经过时了,目前决定电解电容性能的关键并不在于阳极,而在于电解质,也就是阴极。因为不同的阴极和不同的阳极可以组合成不同种类的电解电容,其性能也大不相同。采用同一种阳极的电容由于电解质的不同,性能可以差距很大,总之阳极对于电容性能的影响远远小于阴极。

1.电解液。电解液是最传统的电解质,电解液是由GAMMA丁内酯有机溶剂加弱酸盐电容质经过加热得到的。我们所见到的普通意义上的铝电解电容的阴极,都是这种电解液。使用电解液做阴极有不少好处。首先在于液体与介质的接触面积较大,这样对提升电容量有帮助。其次是使用电解液制造的电解电容,最高能耐260度的高温,这样就可以通过波峰焊(波峰焊是SMT贴片安装的一道重要工序),同时耐压性也比较强。此外,使用电解液做阴极的电解电容,当介质被击穿的后,只要击穿电流不持续,那么电容能够自愈。但电解液也有其不足之处。首先是在高温环境下容易挥发、渗漏,对寿命和稳定性影响很大,在高温高压下电解液还有可能瞬间汽化,体积增大引起爆炸(就是我们常说的爆浆);其次是电解液所采用的离子导电法其导电率很低,只有0.01S(电导率,欧姆的倒数)/CM,这造成电容的ESR值(等效串联电阻)特别高。

铝电解液电容爆浆

传统铝电解液电容都有防爆槽,这是为了让压力容易被释放,不会发生更大的爆炸。但某些产品为了节约成本省去了防爆槽的工序。

2. 二氧化锰。二氧化锰是钽电容所使用的阴极材料。二氧化锰是固体,传导方式为电子导电,导电率是电解液离子导电的十倍(0.1S/CM),所以ESR比电解液低。所以,传统上大家觉得钽电容比铝电容好得多,同时固体电解质也没有泄露的危险。此外二氧化锰的耐高温特性也比较好,能耐的瞬间温度在500度左右。二氧化锰的缺点在于在极性接反的情况下容易产生高温,在高温环境下释放出氧气,同时五氧化二钽介质层发生晶质变化,变脆产生裂缝,氧气沿着裂缝和钽粉混合发生爆炸。另外这种阴极材料的价格也比较贵。(和铝电解液电容相比,虽然都是爆炸,可原理却不一样,有多少人能注意到这点呢?)

传统上认为钽电容比铝电容性能好 主要是由于钽加上二氧化锰阴极助威后才有明显好于铝电解液电容的表现。如果把铝电解液电容的阴极更换为二氧化锰, 那么它的性能其实也能提升不少。

3.接下来我们就要引出一种革命性的阴极——TCNQ。TCNQ是一种有机半导体,是一种络合盐。TCNQ在电容方面的应用,是在90年代中后期才出现的,它的出现代表着电解电容技术革命的开始。TCNQ是一种有机半导体,因此使用TCNQ的电容也叫做有机半导体电容,例如早期的三洋OSCON产品。TCNQ的出现,使电解电容的性能可以直接挑战传统陶瓷电容霸占的很多领域,使电解电容的工作频率由以前的20KHZ直接上升到了1MHZ。TCNQ的出现,使过去按照阳极划分电解电容性能的方法也过时了。因为即使是阳极为铝的铝电解电容,如果使用了TCNQ作为阴极材质的话,其性能照样比传统钽电容(钽+二氧化锰)好得多。TCNQ的导电方式也是电子导电,其导电率为1S/CM,是电解液的100倍,二氧化锰的10倍。

紫色为TCNQ电容(SANYO)

使用TCNQ作为阴极的有机半导体电容,其性能非常稳定,也比较廉价。不过它的热阻性能不好,其熔解温度只有230 -240摄氏度 ,所以有机半导体电容一般很少用SMT贴片工艺制造,因为无法通过波峰焊工艺,所以我们看到的有机半导体电容基本都是插件式安装的。TCNQ还有一个不足之处就是对环境的污染。由于TCNQ是一种氰化物,在高温时容易挥发出剧毒的氰气,因此在生产和使用中会有限制。

4.如果说TCNQ是电解电容革命的开始的话,那么真正的革命的主角当属PPY(聚吡咯)以及PEDT这类固体聚合物导体。

著名的SANYO OSCON SVP系列铝固体聚合物导体电容

70年代末人们发现,使用搀杂法可以获得优良的导电聚合物材料,从而引发了一场聚合物导体的技术革命。1985年,小日本首次开发了聚吡咯膜,如果使用复合法的话,可以使其导电率达到铜和银的水平,但它又不是金属而相当于工程塑料,附着性比金属好,同时价格也比铜和银低很多,此外,在受力情况下,其导电率还会产生变化(其特性很像人的神经系统)。这无疑是电容研发者梦寐以求的阴极材质。2000年,美国人因为发明了大规模制造PPY聚吡咯膜的方法,而获得了当年的诺贝尔化学奖,其重要性可见一斑。聚吡咯的用途非常广泛,从隐形战斗机到人工手,以及显示器和电池、电容等等。聚吡咯的研发实力,可以反映出一个国家的化学水平,而我国的西安交通大学和成都电子科技大学在这方面比较突出。

三洋CVEX 固体聚合物导体+电解液混合电容 注意防爆槽

使用PPY聚吡咯和PEDT做为阴极材料的电容,叫做固体聚合物导体电容。其电导率可以达到100S/CM,这是TCNQ盐的100倍,是电解液的10000倍,同时也没有污染。固体聚合物导体电容的温度特性也比较好,可以忍耐300度以上的高温,因此可以使用SMT贴片工艺安装,也适合大规模生产。固体聚合物导体电容的安全性较好,当遇到高温的时候,电解质只是熔化而不会产生爆炸,因此它不像普通铝电解液电容那样开有防爆槽(三洋有一种CVEX电容,阴极为固体聚合物导体加电解液的混合型,因此也有防爆槽)。固体聚合物导体电容的缺陷在于其价格相对偏高,同时耐电压性能不强。

GF 6800U使用的CHEMICON PS/16V电容 无防爆槽

最新锐的GF 6800 Ultra显卡,在NVIDIA公版上就使用了CHEMICON PS/16V固体聚合物导体电容。我看到有些“高手”对此不屑一顾,说16V算什么?确实,和使用电解液为阴极的电容相比,16V确实不算什么。但是在16伏特电压下,它的ESR性能不是一般的电解液电容所能达到的,因此才被应用到GF 6800 Ultra这样的顶级显卡上。

小地:使用不同的阳极和阴极材料可以组合成多种规格的电解电容,是吗?

华巨:是这样的。基本上所有组合都可以。例如钽电解电容也可以使用固体聚合物导体做为阴极,而铝电解电容既可以使用电解液,也可以使用TCNQ、PPY和PEDT等等。现在新型的钽电容也采用了PPY和PEDT这类固体聚合物导体做阴极,因此性能进步很多,也没有以往二氧化锰阴极易爆炸的危险。如今最好的钽聚合物电容的ESR可以达到5毫欧姆。这类性能高、体积小的钽聚合物电容一般使用手机、数码相机等一些对体积要求较高的设备上。

无论是插件还是贴片式的安装工艺,电容本身都是直立于PCB的,根本的区别方式是SMT贴片工艺安装的电容,有黑色的橡胶底座。SMT的好处主要在于生产方面,其自动化程度高,精度也高,在运输途中不像插件式那样容易受损。但是SMT贴片工艺安装,需要波峰焊工艺处理,电容经过高温之后可能会影响性能,尤其是阴极采用电解液的电容,经过高温后电解液可能会干枯。插件工艺的安装成本低,因此在同样成本下,电容本身的性能可以更好一些。由于欧美工厂的机械成本低而人工比较贵,所以大部分倾向于SMT贴片制造。而国内工厂的人工较便宜,所以厂商更愿意使用插件式安装。

在性能方面,插件式电容对频率的适应性差一些,不过不到500MHz以上的频率是很难体现出差异的。使用插件式安装的电容中也有很好的产品,例如CHEMICON的PS系列有一部分就是使用插件式的。

主板上的电容大多有“皮”

新款主板开始使用铝聚合物高档电容

所有的直立式电容都是铝壳电容。只不过有一部分电容外面包了PVC薄膜,这样对温度的适应性会好一点,但是这样做会污染环境,所以现在的电容都很少使用了。从成本上将,有塑料外皮的电容对铝壳要求低,成本会低一些。主板产品因为面积大,可以用稳压电源,这样开关频率相对较低,所以没必要太好的电容,而显卡因为面积小,对电容要求就高。不过现在很多新款主板也开始用比较高档的电容了。

电解电容阴极材质性能特性对比阴极材质电解液二氧化锰TCNQ固体聚合物导体(PPY/PEDT)固体聚合物导体+电解液(CVEX混合型)导电率0.01S/CM0.1S/CM1S/CM100S/CM100S+0.01S/CM导电方式离子导电电子导电电子导电电子导电电子+离子导电热阻性能260度500度230度(不适合SMT贴片)300度260度优点价格最便宜,耐压性优良,有自愈特性性能稳定价格相对便宜,导电率高,综合性能较好无污染,不会爆炸,良好的温度特性,LOW ESR值具备固体聚合物导体电容和电解液电容的一切优点与缺点缺点受温度影响巨大,ESR高,安全性不高容易污染,安全性不高,价格也比较贵不耐高温,有污染,耐电压值低价格昂贵 没有自愈特性,耐电压值低

在以上表格当中,红线代表铝聚合物导体电容,绿色虚线表示普通铝电解液电容,蓝色虚线表示钽二氧化锰电容,黄色虚线表示超大容量(1000μF)、超大体积(后面的“Φ”符号代表了各自的体积)的铝电解液电容。表格的X轴线表示频率,Y轴线表示阻抗,Y轴的阻抗数值越低,ESR值就越低,性能就越好。 这个表格体现的是在频率逐步提升的情况下,不同种类电容的性能变化。可以看出,当频率达到10KHz以上的时候铝聚合物导体电容的ESR值继续保持在较低的水平,当达到100KHz的时候,其ESR值低于其它所有类型的电容,包括钽电容和容量为1000μF的铝电解液电容(注意:两者的体积比例为300:5000),而该电容的容量仅为47μF。到了1MHZ,铝聚合物导体电容优势更明显。

以上这4个表格代表的是陶瓷电容(左边两个表格)和TCNQ有机半导体电容(右边两个表格),在施加电压为0V(上表)和20V(下表)的两种情况下,其ESR值的波动。可以看出,陶瓷电容在20V电压,频率接近100KHz的时候ESR出现了剧烈的波动。而TCNQ电容的ESR值则保持平滑的曲线。新电解材料的使用使电解电容在某些方面比电容的王者陶瓷电容更有优势。

当极性接反并施加2倍额定电压和20A电流时不同阴极钽电容的反映:如上图,使用二氧化锰为阴极的钽二氧化锰电容全部爆炸,而使用PPY为阴极的钽固体聚合物电容虽然全部报废,但表面无损。这反映了二氧化锰阴极电容和聚合物电容在安全性上的差异。

钽电解电容简介

固体钽电容器是1956年由美国贝乐试验室首先研制成功的,它的性能优异,是所有电容器中体积小而又能达到较大电容量的产品。钽电容器外形多种多样,并容易制成适于表面贴装的小型和片型元件。适应了目前电子技术自动化和小型化发展的需要。虽然钽原料稀缺,钽电容价格较昂贵,但由于大量采用高比容钽粉(30KuF.g-100KuF.V/g),加上对电容器制造工艺的改进和完善,钽电解电容器还是得到了迅速的发展,使用范围日益广泛。钽电容器不仅在军事通讯,航天等领域广泛使用,而且使用范围还在向工业控制,影视设备、通讯仪表等产品中大量使用。

目前生产的钽电解电容器主要有烧结型固体、箔形卷绕固体、烧结型液体等三种,其中烧结型固体约占目前生产总量的95%以上,而又以非金属密封型的树脂封装式为主体。小型化、片式化配合SMT技术下方兴未艾,片式烧结钽电容器已逐渐成主流。

固体钽电容器电性能优良,工作温度范围宽,而且形式多样,体积效率优异,具有其独特的特征:

钽电解电容器的工作介质是在钽金属表面生成的一层极薄的五氧化二钽膜。

此层氧化膜介质完全与组成电容器的一端极结合成一个整体,不能单独存在。因此单位体积内所具有的电容量特别大。即比容量非常高,因此特别适宜于小型化。

在钽电解电容器工作过程中,具有自动修补或隔绝氧化膜中的疵点所在的性能,使氧化膜介质随时得到加固和恢复其应有的绝缘能力,而不致遭到连续的累积性破坏。这种独特自愈性能,保证了其长寿命和可靠性的优势。

钽电解电容器具有非常高的工作电场强度,并较任何类型电容器都大,以此保证它的小型化。

钽电解电容器可以非常方便地获得较大的电容量,在电源滤波、交流旁路等用途上少有竞争对手。

具有单向导电性,即所谓有“极性”,应用时应按电源的正、负方向接入电流,电容器的阳极(正极)接电源“+”极,阴极(负极)接电源的“-”极;如果接错不仅电容器发挥不了作用,而且漏电流很大,短时间内芯子就会发热,破坏氧化膜随即失效。

工作电压有一定的上限平值,但这方面的缺点对配合晶体管或集成电路电源,是不重要的。

电解电容器一般认为是一种性能优良,使用寿命长的电子元件,它的失效率正常时可达七级。但它总还是符合电子元器件的失效普遍规律,即澡盆形失效曲线,前期失效可在老炼过程中剔除。因此只有随机失效的可能性。而这种无效即有制造工艺控制问题,还常常伴随产品在使用过程的不当或超载所致,综合说来大约有三种模式即电流型、电压型和发热型。

钽电解电容器具有储藏电量、进行充放电等性能,主要应用于滤波、能量贮存与转换,记号旁路,耦合与退耦以及作时间常数元件等。在应用中要注意其性能特点,正确使用会有助于充分发挥其功能,其中诸如考虑产品工作环境及其发热温度,以及采取降额使用等措施,如果使用不当会影响产品的工作寿命。

烧结型固体 电解质片状钽电容器

烧结型固体电解质柱状树脂包封钽电容器

烧结型固体电解质金属壳钽电容器

烧结型液体电解质金属壳钽电容器

烧结型固体电解质端帽式钽电容器

说句题外话,如果把地球算做一个孤立导体的话,那么它的容量只有700μf,还不如主板上用的一个铝电容。

超级电容器的类型比较多,按不同方式可以分为多种产品,以下作简单介绍。

按原理分为双电层型超级电容器和赝电容型超级电容器:

双电层型超级电容器,包括

1.活性碳电极材料,采用了高比表面积的活性炭材料经过成型制备电极。

2.碳纤维电极材料,采用活性炭纤维成形材料,如布、毡等经过增强,喷涂或熔融金属增强其导电性制备电极。

3.碳气凝胶电极材料,采用前驱材料制备凝胶,经过炭化活化得到电极材料。

4.碳纳米管电极材料,碳纳米管具有极好的中孔性能和导电性,采用高比表面积的碳纳米管材料,可以制得非常优良的超级电容器电极。

双电层电容器:这种电容的电容量特别大,可以达到几百f(f=法,电容量单位,1f=1000000μf)。因此这种电容可以做UPS的电池用,作用是储存电能。

以上电极材料可以制成:

1.平板型超级电容器,在扣式体系中多采用平板状和圆片状的电极,另外也有Econd公司产品为典型代表的多层叠片串联组合而成的高压超级电容器,可以达到300V以上的工作电压。

2.绕卷型溶剂电容器,采用电极材料涂覆在集流体上,经过绕制得到,这类电容器通常具有更大的电容量和更高的功率密度。

赝电容型超级电容器:包括金属氧化物电极材料与聚合物电极材料,金属氧化物包括NiOx、MnO2、V2O5等作为正极材料,活性炭作为负极材料制备的超级电容器,导电聚合物材料包括PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT等经P型或N型或P/N型掺杂制取电极,以此制备超级电容器。这一类型超级电容器具有非常高的能量密度,除NiOx型外,其它类型多处于研究阶段,还没有实现产业化生产。

按电解质类型可以分为水性电解质和有机电解质类型:

水性电解质,包括以下几类

1.酸性电解质,多采用36%的H2SO4水溶液作为电解质。

2.碱性电解质,通常采用KOH、NaOH等强碱作为电解质,水作为溶剂。

3.中性电解质,通常采用KCl、NaCl等盐作为电解质,水作为溶剂,多用于氧化锰电极材料的电解液。

有机电解质

通常采用LiClO4为典型代表的锂盐、TEABF4作为典型代表的季胺盐等作为电解质,有机溶剂如PC、ACN、GBL、THL等有机溶剂作为溶剂,电解质在溶剂中接近饱和溶解度。

另外还可以分为:

1.液体电解质超级电容器,多数超级电容器电解质均为液态。

2.固体电解质超级电容器,随着锂离子电池固态电解液的发展,应用于超级电容器的电解质也对凝胶电解质和PEO等固体电解质进行研究。

贴片电容的种类和特点

单片陶瓷电容器(通称贴片电容)是目前用量比较大的常用元件,就AVX公司生产的贴片电容来讲有NPO、X7R、Z5U、Y5V等不同的规格,不同的规格有不同的用途。下面我们仅就常用的NPO、X7R、Z5U和Y5V来介绍一下它们的性能和应用以及采购中应注意的订货事项以引起大家的注意。不同的公司对于上述不同性能的电容器可能有不同的命名方法,这里我们引用的是AVX公司的命名方法,其他公司的产品请参照该公司的产品手册。

NPO、X7R、Z5U和Y5V的主要区别是它们的填充介质不同。在相同的体积下由于填充介质不同所组成的电容器的容量就不同,随之带来的电容器的介质损耗、容量稳定性等也就不同。所以在使用电容器时应根据电容器在电路中作用不同来选用不同的电容器。

一 NPO电容器

NPO是一种最常用的具有温度补偿特性的单片陶瓷电容器。它的填充介质是由铷、钐和一些其它稀有氧化物组成的。

NPO电容器是电容量和介质损耗最稳定的电容器之一。在温度从-55℃到+125℃时容量变化为0±30ppm/℃,电容量随频率的变化小于±0.3ΔC。NPO电容的漂移或滞后小于±0.05%,相对大于±2%的薄膜电容来说是可以忽略不计的。其典型的容量相对使用寿命的变化小于±0.1%。NPO电容器随封装形式不同其电容量和介质损耗随频率变化的特性也不同,大封装尺寸的要比小封装尺寸的频率特性好。下表给出了NPO电容器可选取的容量范围。

封 装 DC=50V DC=100V

0805 0.5---1000pF 0.5---820pF

1206 0.5---1200pF 0.5---1800pF

1210 560---5600pF 560---2700pF

2225 1000pF---0.033μF 1000pF---0.018μF

NPO电容器适合用于振荡器、谐振器的槽路电容,以及高频电路中的耦合电容。

二 X7R电容器

X7R电容器被称为温度稳定型的陶瓷电容器。当温度在-55℃到+125℃时其容量变化为15%,需要注意的是此时电容器容量变化是非线性的。

X7R电容器的容量在不同的电压和频率条件下是不同的,它也随时间的变化而变化,大约每10年变化1%ΔC,表现为10年变化了约5%。

X7R电容器主要应用于要求不高的工业应用,而且当电压变化时其容量变化是可以接受的条件下。它的主要特点是在相同的体积下电容量可以做的比较大。下表给出了X7R电容器可选取的容量范围。

封 装 DC=50V DC=100V

0805 330pF---0.056μF 330pF---0.012μF

1206 1000pF---0.15μF 1000pF---0.047μF

1210 1000pF---0.22μF 1000pF---0.1μF

2225 0.01μF---1μF 0.01μF---0.56μF

三 Z5U电容器

Z5U电容器称为”通用”陶瓷单片电容器。这里首先需要考虑的是使用温度范围,对于Z5U电容器主要的是它的小尺寸和低成本。对于上述三种陶瓷单片电容起来说在相同的体积下Z5U电容器有最大的电容量。但它的电容量受环境和工作条件影响较大,它的老化率最大可达每10年下降5%。

尽管它的容量不稳定,由于它具有小体积、等效串联电感(ESL)和等效串联电阻(ESR)低、良好的频率响应,使其具有广泛的应用范围。尤其是在退耦电路的应用中。下表给出了Z5U电容器的取值范围。

封 装 DC=25V DC=50V

0805 0.01μF---0.12μF 0.01μF---0.1μF

1206 0.01μF---0.33μF 0.01μF---0.27μF

1210 0.01μF---0.68μF 0.01μF---0.47μF

2225 0.01μF---1μF 0.01μF---1μF

Z5U电容器的其他技术指标如下:

工作温度范围 +10℃ --- +85℃

温度特性 +22% ---- -56%

介质损耗 最大 4%

四 Y5V电容器

Y5V电容器是一种有一定温度限制的通用电容器,在-30℃到85℃范围内其容量变化可达+22%到-82%。

Y5V的高介电常数允许在较小的物理尺寸下制造出高达4.7μF电容器。

Y5V电容器的取值范围如下表所示

封 装 DC=25V DC=50V

0805 0.01μF---0.39μF 0.01μF---0.1μF

1206 0.01μF---1μF 0.01μF---0.33μF

1210 0.1μF---1.5μF 0.01μF---0.47μF

2225 0.68μF---2.2μF 0.68μF---1.5μF

Y5V电容器的其他技术指标如下:

工作温度范围 -30℃ --- +85℃

温度特性 +22% ---- -82%

介质损耗 最大 5%

电容容值的标称方法:

1、 直标法

用数字和单位符号直接标出。如01uF 表示0.01 微法,有些电容用“R”表

示小数点,如R56 表示0.56 微法。

2、 文字符号法

用数字和文字符号有规律的组合来表示容量。如p10 表示0.1pF,1p0 表示

1pF,6P8 表示6.8pF, 2u2 表示2.2uF

3、 色标法

用色环或色点表示电容器的主要参数。电容器的色标法与电阻相同。

电容器偏差标志符号:+100%-0--H、+100%-10%--R、+50%-10%--T、+30%-10%--Q、+50%-20%--S、+80%-20%--Z。

电解电容的生产过程

1,电解电容器的构造

材料材質(成分)比例1.胶管(套管)Sleeve聚氯乙稀(PVC)聚乙烯(PET)<3%2.铝壳Aluminum Case铝(Aluminum)10-20%3.素子胶带TapePE、PP<2%4.电解纸Electrolytic Paper牛皮纸马尼拉麻<5%5.负铝箔Cathode Foil铝(Aluminum)>40%6.正铝箔Anode Foil7.电解液Electrolyte乙二醇(Ethylen Glycol)己二酸铵添加济(Additive)>28%8.橡胶密封件Sealing Rubber橡胶(Rubber)<10%9.导线Lead铝(Aluminum)CP线2-3%

(1)腐蚀 Etching

阳极和阴极金属箔是由高纯度的,很薄的只有0.02—0.1mm铝箔做成的,为了增加盘面积和电容量,与电解液接触的表面积的增加是通过蚀刻金属箔去溶解铝,使整个铝箔的表面形成一个高密度的网状的有几十亿个精细微管道的结构.

(2)化成 Forming

阳极箔上有电容器的电介质.电介质是一层很薄的铝氧化物,AL2O3,那是一个在阳极箔上的化学生长过程,这个过程叫“化成”。这个电压是最后电容器额定电压的135%-200%。 阴极箔不用化成,它保持着很高的表面积和高密度的蚀刻模式。 氧化膜的耐电压不足和电解液自身的闪火放电都会造成短路。

(3)卷绕 Winding

电容元件的卷绕是一层隔离纸,一层阳极箔,另一层隔离纸和阴极箔.这些隔离纸防止箔之间接触形成短路,这些隔离物后来保留住电液。 在卷绕铝箔芯子或卷绕过程中为后来连接电容器端子附上箔.最好的方法是通过冷焊,把箔焊上带子,冷焊可以减少短路失效,有更好的高纹波电流性能和放电性能。 内引出端面切口、与引出端铆接的箔条和电极箔剖面的切口都会有毛刺,从而造成相对电极间短路. 电容器发热芯包膨胀和安全阀打开时的压力冲击,芯包发生变形,导致电极间短路.

(4)含浸/电解液

真空、高压条件下,使电解液充分渗透到素子中。

(5)封口 Sealing

电容元件被密封在一个罐子里. 为了释放氢,密封圈不是密闭的,它经常是压力封闭的即将罐子的边沿滚进一个橡胶垫圈,一个橡胶末端插销或滚进压成石碳酸薄板的橡胶. 太则紧密封会导致压力增加,太松则密封会因为电解液的可允许的流失而导致缩短寿命.

(6)清洗

(7)套胶

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