一文彻底弄懂电容器（转自硬件攻城狮）
电容器的基础知识
电容器是与电阻、线圈齐名的三大无源器件之一。虽然是一个简单的零部件，但是首先我们可以说没有不使用电容器的电气或电子电路。PC和智能手机之类的高端电子设备，如果没有电容器就无法构成电路，而且对于作为其核心的CPU和通信芯片来说，电容器可谓最重要的周边零部件之一。
所谓电容器
电容器是指能在内部电极表面蓄积电荷的电子零部件。由于能够蓄积起来的电荷比电池少，因而只能在短暂的时间内供给电流，但是可多次反复使用，并可在瞬间放出较大的电流。
如果将绝缘体(介质)平行地夹在金属板(电极)上，就会成为电容器。如果向该金属板(电极)间施加直流电压，就可将电荷储存起来。这就是电容器的原理。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。
静电电容Ｃ，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而会增大。但是，如果减薄绝缘体的厚度d，电容器的耐电压(额定电压)就会降低。
电容器的作用
电容器具有以下特性，即①能够在瞬时进行充放电；②直流电流不会通过，但交流电则会通过；③频率越高越容易通过。电路中常利用这些特性衍生出一些使用方法。
这里列出典型的使用方法的电路例。
放电电路
放电电路是通过使蓄积在电容器中的电荷放电来使得被连接的负荷动作的电路。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。
平滑电路
平滑电路是将交流转换为直流的电路。平滑电路用于抑制波形变动幅度的用途，该波形变动幅度已被电源的桥接电路等进行全波整流。
解耦合电路
解耦合电路如其名称所示，使用该电路的目的在于要将前段发生的变动(噪声)不传播到后段的电路中。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
耦合电路恰好相反，它从前段电路的信号中只提取变化部分(交流成分)并使其传播到后段电路。耦合电路被用于音频信号的电路等中。
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。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，电容器的电极间最好是绝缘，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。记号使用Z，单位与电阻相同，使用Ω。
根据此式，可弄清以下事项。
-
在频率低的区域，阻抗大致上是由静电电容(C)来决定的。
-
自共振频率(成为2πf L = 1／(2πf C) 的频率)中，阻抗是由ESR来决定的。
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在频率高的区域，阻抗大致上是由ESL来决定的。
如果用图形来表示这种情况，则如右图所示。电容器的阻抗Z，到自共振频率为止容量性(C)下降，而在自共振频率下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(解耦合)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。
-
噪声的频率与电容器的自共振频率接近。
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ESR小。
-
高频噪声时，ESL小。
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」。
所谓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。
利用铝电解电容器和混合电容器，对ESR的频率特性进行比较的结果如右边的图形所示。
一般来说，铝电解电容器其容量越大尺寸也就会随之增大，ESR降低。但是，具备低ESR特点的混合电容器，与铝电解电容器相比，即使是低容量、小型尺寸的电容器也可获得同等的ESR值。
如果是混合电容器，即使是47μF，ESR也比铝电解电容器的330μF更低。
因此，作为铝电解电容器的330μF的替代品，可使用混合电容器的47μF。
举个例子来说，对开关电源的输出平滑中使用铝电解电容器330μF的情形和使用混合电容器47μF的情形进行比较。如右图所示，使用混合电容器的47μF，能够将输出脉动电压控制得更低。
此外，还可从中获知，能够实现形状的大幅度小型化，即从ø10×10.2mm变为ø6.3×5.8mm。
混合电容器的使用事例
如上所述，混合电容器是一款在保留了以往的铝电解电容器的优点(安全性、低LC)的同时，通过从采用导电性聚合物来对曾经是弱点的低温特性和ESR特性、耐高纹波电流能力进行了改善的电容器。通过灵活运用这些特点，混合电容器在要求具备安全性和可靠性的车载及工业设备为中心，在不断扩大其应用范围。
最后介绍通过采用混合电容器来减少数量，实现小型化的事例。
首先要介绍的是从径向引线2220μF的铝电解电容器×1＋MLCC×5这样的构成，用1个47μF的混合电容器来替换通用电源的输出电容器的例子。混合电容器为表面贴装型电容器。除了零部件数量减少，贴装面积减小，实现完全表面贴装化之外，不使用容易出现短路故障模式的MLCC，可靠性也得到了提高。
然后介绍发动机ECU和EPS马达控制电路电源的事例。发动机ECU的事例中，已将在DC/DC转换器的输入中使用的铝电解电容器替换为混合电容器。能够将数量减少一半，还可大幅度减小贴装面积。EPS马达控制是对平滑用电容做了替换，这个案例将径向引线型铝电解电容器进行表面贴装，并且减小贴装面积和高度，提高了可靠性和额定纹波电流。
这是能够充分体现混合电容优势的例子。
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，根据种类不同特点也有所差异，设计时根据这些特点来进行选择。主要的电容器种类如下图所示。
可变电容器
电容器的主流是固定电容器，但是也包括静电电容在一定范围内可变的可变电容器。
可变电容器，常见的是改变对置电极面积以使静电电容变化的电容器。
此外，有些可变电容器在收音机的选台等中容值频繁地变化 (可变电容器)、而其他电容器(微调电容器)在电路组装过程中只会发生一次变化。
静电电容的变化可通过旋钮或螺丝刀来进行，但由于是机械地使其变化的结构，因而难以制作静电电容大且具有pF (皮法微微法拉)级小电容器。
无极性电容器和有极性电容器
固定电容器大致区分为无极性电容器和有极性电容器。
无极性电容器，其施加到电容器端子上的电压极性没有限制，也就是说这种电容器是哪一个端子为正也都无妨的电容器。只要是无极性电容器，就可施加从零电位升降的电压，因而即使在交流电路中也可直接使用。
无极性电容器的主流是陶瓷电容器和薄膜电容器，此外还包括云母电容器、纸电容器、空气电容器。
而有极性电容器则是决定2个端子的其中一个作为正的电容器，如果弄错极性而使用，电容器就会发生故障。因此，有极性电容器受到制约，即必须在直流电压或者只在正极侧变动的电压下使用。但是，有极性电容器的优点在于形状小，易于获得大电容的电容器，因而被广泛使用。铝电解电容器、钽电解电容器、导电性聚合物(电解)电容器、双电层电容器就属于这种电容器。
陶瓷电容器
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无极性 -
优异的高频特性(低ESR) -
高耐热 -
长寿命
陶瓷电容器原本是高耐压/低电容的单板电容器，但随着因薄膜层叠结构而实现了小型大电容化的层叠陶瓷电容器的出现，及克服了曾是缺点的温度特性(温度造成的静电电容变化率大)的用于温度补偿的电容器的出现，其使用范围大幅度扩大，并成了电容器中被最常使用的电容器。另外，用于温度补偿的电容器，其形状比以往的高介电常数系大，不易大电容化，因而根据用途区分使用。
但是，陶瓷电容器具有以下缺点，如DC偏压特性(因施加电压而静电电容大幅度变化)和啸叫(因高频导致的振动而产生异音)、因温度/机械性冲击而易于发生开裂，使用时需要注意。
薄膜电容器
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无极性 -
优异的高频特性(低ESR)
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优异的温度特性(温度引起的静电电容的变化率小)
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可高精度地对应静电电容
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长寿命
与陶瓷电容器相比，虽然耐热性低，但是追加了优异的温度特性和可高精度地对应静电电容的特性，此外也不存在DC偏压特性和啸叫、温度/机械性冲击引起的开裂问题。因此，薄膜电容器虽然性能比陶瓷电容器高，但是由于其形状大，价格昂贵的缺点，因而被用在陶瓷电容器无法覆盖的电压、电容区和高性能/高精度的用途。
根据要使用的电介质，薄膜电容器还具有下述特点，需根据用途进行区分使用。
PET和PP属于引线类型的电介质，以前经常使用小型、低价格的PET而优异的高频特性(低ESR)的PP用于高频/大电流，但由于PP还具有高安全和高耐湿性的特点，并且随着PP薄膜电容器的小型化技术的进步进展，现在PP用于众多的用途。
PPS和PEN具有高耐热的特点，因而被用于表面安装用薄膜电容器。它们的电气特性，具有PEN接近PET，PPS接近PP的特性。
铝电解电容器
铝电解电容器采用这样的结构，即在阳极的铝箔表面形成作为电介质的铝氧化被膜，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电容，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)，再在埃级的极薄状态下形成氧化被膜的厚度(d)而实现的。
但是，与陶瓷电容器和薄膜电容器相比，等效串联电阻(ESR)升高。
铝电解电容器是使用寿命有限的产品。这是因为，电解液会在温度的影响下气化，渐渐地渗透到封口橡胶中，伴随时间的推移电容下降，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一般可应用“10℃2倍的定律”。
钽电解电容器
钽电解电容器的基本结构与铝电解电容器大致相同，其作为阳极的钽金属粉的烧结体表面形成作为电介质的五氧化钽，电解质采用了二氧化锰(固体)的结构。
钽电解电容器具有以下特点，即形状比铝电解电容器小，频率特性优异，寿命长(电解质为固体)。
但是，故障模式为短路，有导致起火的危险，因而必须采取安全对策。
导电性聚合物电容器
导电性聚合物电容器，是将电解电容器的电解质作为导电性聚合物(固体)的电容器。
导电性聚合物的电导率非常高，是铝电解电容器的电解液的10000倍，钽电解电容器的二氧化锰的1000倍，等效串联电阻(ESR)低，因而在吸收纹波的用途中比其他电解电容器更为有利。
因此，目前正在推进从其他电解电容器向导电性聚合物电容器的替换，但由于其价格昂贵和没有额定电压高的产品之故，根据用途与其他电解电容器区分使用。
电气双层电容器
电气双层电容器，是具有铝电解电容器和二次电池(电池)的中间电容的特殊电容器，其电容密度为铝电解电容器的大约1000倍以上，是二次电池的1/10左右。
电气双层电容器中没有像电解电容器那样的电介质。取而代之，其将在电极和电解液的界面形成的双电层作为电介质的功能来利用。这就是电气双层电容器这个名称的由来。
电气双层电容器的充放电，利用在正、负极中使用的活性炭的电极表面离子的吸附或解吸。基于此充放电的双层的变化如下图所示。
与二次电池相比，电气双层电容器具有以下特点。
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充放电周期数对特性劣化几乎不产生影响 (免维护)
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充放电简单(可放电至0V，可通过端子电压确定能耗量，可进行微小电流或大电流充电)
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不受类似电池的限制(回收、废弃、关税)
因此，电气双层电容器被用作为停电时进行IC存储器的数据保护等备用电源。
电容器的种类和特点总结
此前我们对各种电容器的特点进行了解说，这里对各电容器进行对比并归纳成下表。
