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用了那么多年的电容,但是电容的内部结构你知道吗?

发布时间:2018-06-28 责任编辑:wenwei

【导读】在两块距离较近、相互平行的金属平板上(平板之间为电介质)加载一个直流电压;稳定后,与电压正极相连的金属平板将呈现一定量的正电荷,而与电压负极相连的金属平板将呈现相等量的负电荷;这样,两个金属平板之间就会形成一个静电场,所以电容是以电场能的形式储存电能量,储存的电荷量为Q。
 
电容储存的电荷量Q与电压U和自身属性(也就是电容值C)有关,也就是Q=U*C。根据理论推导,平行板电容器的电容公式如下:
 
用了那么多年的电容,但是电容的内部结构你知道吗?
 
理想电容内部是介质(Dielectric),没有自由电荷,不可能产生电荷移动也就是电流,那么理想电容是如何通交流的呢?
 
用了那么多年的电容,但是电容的内部结构你知道吗?
 
1 薄膜电容(Film Capacitor)
Film Capacitor在国内通常翻译为薄膜电容,但和Thin Film工艺是不一样的。为了区分,个人认为直接翻译为膜电容好点。
 
薄膜电容是通过将两片带有金属电极的塑料膜卷绕成一个圆柱形,最后封装成型;由于其介质通常是塑料材料,也称为塑料薄膜电容;其内部结构大致如下图所示:
 
用了那么多年的电容,但是电容的内部结构你知道吗?
 
薄膜电容根据其电极的制作工艺,可以分为两类:
 
金属箔薄膜电容(Film/Foil)
 
金属箔薄膜电容,直接在塑料膜上加一层薄金属箔,通常是铝箔,作为电极;这种工艺较为简单,电极方便引出,可以应用于大电流场合。
 
金属化薄膜电容(Metallized Film)
 
金属化薄膜电容,通过真空沉积(Vacuum Deposited)工艺直接在塑料膜的表面形成一个很薄的金属表面,作为电极;由于电极厚度很薄,可以绕制成更大容量的电容;但由于电极厚度薄,只适用于小电流场合。
 
金属化薄膜电容就是具有自我修复的功能,即假如电容内部有击穿损坏点,会在损坏处产生雪崩效应,气化金属在损坏处将形成一个气化集合面,短路消失,损坏点被修复;因此,金属化薄膜电容可靠性非常高,不存在短路失效;
 
薄膜电容有两种卷绕方法:有感绕法在卷绕前,引线就已经和内部电极连在一起;无感绕法在绕制后,会采用镀金等工艺,将两个端面的内部电极连成一个面,这样可以获得较小的ESL,应该高频性能较高;此外,还有一种叠层型的无感电容,结构与MLCC类似,性能较好,便于做成SMD封装。
 
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2 电解电容(Electrolytic Capacitor)
 
电解电容是用金属作为阳极(Anode),并在表面形成一层金属氧化膜作为介质;然后湿式或固态的电解质和金属作为阴极(Cathode)。电解电容大都是有极性的,如果阴极侧的金属,也有一层氧化膜,就是无极性的电解电容。
 
根据使用的金属的不同,目前只要有三类电解电容:
 
铝电解电容(Aluminum electrolytic capacitors)
 
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铝电解电容应该是使用最广泛的电解电容,最便宜,其基本结构如下图所示:
 
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铝电解电容器主要原材料:
 
阳极箔、阴极箔、电解纸、电解液、导箔、胶带、盖板、铝壳、华司、套管、垫片等
 
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电容中的电解液并非直接灌进电容,呈液态浸泡住铝箔,而是经过吸附了电解液的电解纸与铝箔层层贴合。这当中,选用的电解纸与平凡纸张的配方有些分歧,是呈微孔状的,纸的外观不及有杂质,不然将影响电解液的身分与性能。而这一步,便是将没有吸附电解液的电解纸,和铝箔贴在一块,然后卷进电容外壳,使铝箔和电解纸形成近似“101010”的隔断状态。
 
用了那么多年的电容,但是电容的内部结构你知道吗?
 
铝电解电容也有使用导电高分子聚合物等固态材料做电解质;聚合物铝电解电容的结构大致如下图所示:
 
用了那么多年的电容,但是电容的内部结构你知道吗?
 
而聚合物铝电解电容的封装:
 
用了那么多年的电容,但是电容的内部结构你知道吗?
 
钽电解电容(Tantalum electrolytic capacitors)
 
钽(拼音tǎn)电解电容应用最多的应该是利用二氧化锰做固态电解质,主要长这样:
 
用了那么多年的电容,但是电容的内部结构你知道吗?
 
固态钽电解电容内部结构大致如下图所示:
 
用了那么多年的电容,但是电容的内部结构你知道吗?
 
钽电容与铝电解电容比,在于钽氧化物(五氧化二钽)的介电常数比铝氧化物(三氧化二铝)的高不少,这样相同的体积,钽电容容量要比铝电解电容的要大。钽电容寿命较长,电性能更加稳定。
 
钽电容也有利用导电高分子聚合物(Conductive Polymer)做电解质,结构与上图二氧化锰钽电容类似,就是将二氧化锰换成导电聚合物;导电聚合物的电导率比二氧化锰高,这样ESR就会更低。
 
烧结型固体 电解质片状钽电容器
 
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烧结型固体电解质柱状树脂包封钽电容器
 
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烧结型固体电解质金属壳钽电容器
 
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烧结型液体电解质金属壳钽电容器
 
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烧结型固体电解质端帽式钽电容器
 
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3 陶瓷电容(Ceramic Capacitor)
 
陶瓷电容是以陶瓷材料作为介质材料,陶瓷材料有很多种,介电常数、稳定性都有不同,适用于不同的场合。
 
陶瓷电容,主要有以下几种:
 
瓷片电容(Ceramic Disc Capacitor)
 
瓷片电容的主要优点就是可以耐高压,通常用作安规电容,可以耐250V交流电压。其外观和结构如下图所示:
 
用了那么多年的电容,但是电容的内部结构你知道吗?
 
多层陶瓷电容(Multi-layer Ceramic Capacitor)
 
多层陶瓷电容,也就是MLCC,片状(Chip)的多层陶瓷电容是目前世界上使用量最大的电容类型,其标准化封装,尺寸小,适用于自动化高密度贴片生产。
 
用了那么多年的电容,但是电容的内部结构你知道吗?
 
层陶瓷电容的内部结构如下图所示:
 
用了那么多年的电容,但是电容的内部结构你知道吗?
 
多层陶瓷电容生产流程如下图所示:
 
用了那么多年的电容,但是电容的内部结构你知道吗?
 
由于多层陶瓷需要烧结瓷化,形成一体化结构,所以引线(Lead)封装的多层陶瓷电容,也叫独石(Monolithic)电容。
 
 
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