性能優(yōu)越的有機(jī)半導(dǎo)體和高分子有機(jī)半導(dǎo)體電解電容器

 電容器在三個基本無源元件[L(電感)C(電容)R(電阻)]中產(chǎn)量最大，是任何電子線路不可缺少的充電放電、通交隔直的元件。電容器的種類因電介質(zhì)的不同而各有所長，根據(jù)應(yīng)用目的不同而被廣泛用于濾波、定時、旁路、耦合、改善馬達(dá)啟動功率等方面。

    電容器的基本構(gòu)造如圖1所示。

    電容器的容量公式

    C=Kes/d　　

    式中C=容量[F]，K=真空時的介電系數(shù)(8.855×10-12)，e=介電系數(shù)，s=電介質(zhì)的面積[m2]，d=電介質(zhì)的厚度[m]。

    因此，使用的電介質(zhì)厚度越薄、面積越大和介電系數(shù)越大，則電容器的容量越大。

   電容器的分類主要有電解電容器、陶瓷電容器、聚酯電容器等。下面著重介紹電解電容器中的有機(jī)半導(dǎo)體和高分子有機(jī)半導(dǎo)體(導(dǎo)電性高分子)固體電解電容器。

    有機(jī)半導(dǎo)體鋁固體電解電容器

    導(dǎo)電性高分子鋁固體電解電容器

    鋁電解電容器的電解質(zhì)以往采用電解液，有機(jī)半導(dǎo)體和導(dǎo)電性高分子鋁固體電解電容器(OS-CON)采用了比以往的電解液導(dǎo)電性更高的有機(jī)半導(dǎo)體(TCNQ復(fù)合鹽)或?qū)щ娦愿叻肿硬牧?，因而它的電解質(zhì)的導(dǎo)電性高，導(dǎo)電性受溫度的影響小。

    OS-CON通過使用高導(dǎo)電性卷繞芯子，使電解質(zhì)層更薄，大幅度地降低了等效串聯(lián)電阻(ESR)。OS-CON雖然是電解電容器，卻達(dá)到了聚酯電容器那樣的卓越頻率特性。

    OS-CON的構(gòu)造與鋁電解電容器相似，正負(fù)極分別采用鋁箔，中間加隔紙卷繞而成，與鋁電解電容器最大的不同在于用有機(jī)半導(dǎo)體或?qū)щ娦愿叻肿与娊赓|(zhì)取代電解液，封口采用環(huán)氧樹脂或者橡膠墊。

    OS-CON的額定電壓2V-35V，容量1mF -2700mF，ESR最低達(dá)7mW，分插裝型和貼裝型。而且，導(dǎo)電性高分子材料較有機(jī)半導(dǎo)體的耐熱性更好。

    OS-CON具有良好的電氣特性，主要表現(xiàn)為；

    優(yōu)越的頻率特性

    OS-CON、鋁電解電容器、鉭電解電容器的阻抗特性比較，OS-CON的阻抗-頻率曲線近乎理想值。在100kHz處OS-CON 56mF的阻抗與高性能鋁電解電容器1000mF基本上呈相同值，而且頻率越高時OS-CON與鋁電解電容器之間的容量比越大。

    優(yōu)越的溫度特性

    OS-CON的等效串聯(lián)電阻(ESR)基本上不受溫度的影響，ESR對于高頻段的阻抗(振蕩點(diǎn)附近)起著決定性的作用，ESR直接關(guān)系到降噪的能力，ESR受溫度的影響小意味著降噪能力受溫度影響小，可以得到整個保證溫度段的穩(wěn)定的降噪效果，特別適用于會在低溫環(huán)境下使用的設(shè)備。

   優(yōu)越的電壓特性

    與陶瓷電容器比較OS-CON在額定電壓以下的容量基本上沒有變化，因而使用OS-CON不需考慮施加電壓后的容值下降問題。

    更大的允許紋波電流

    允許通過電容器的紋波電流量依電容器的發(fā)熱量而定，發(fā)熱的主要因素取決于ESR。ESR大則發(fā)熱量大，使紋波電流量受到限制。

    更長的壽命

    OS-CON的壽命體現(xiàn)為容量受溫度影響而減小，OS-CON的壽命規(guī)律為溫度每降低20℃時壽命增加10倍，一般鋁電解電容器的壽命規(guī)律為溫度每降低10℃時壽命增加2倍。

    線路設(shè)計時應(yīng)該注意極小的ESR可能引起過大的沖擊電流，OS-CON的沖擊電流最大允許10A。如果允許紋波電流值的10倍超過10A時，應(yīng)將紋波電流控制在允許紋波電流的10倍以內(nèi)。

 

    此外，為節(jié)省空間及改善紋波會將OS-CON與其它鋁電解電容器并聯(lián)使用，此時通過各電容器的紋波電流與各電容器的ESR成反比，從而ESR小的OS-CON會通過更多的紋波，選型時需要給OS-CON留有余量。

    高分子有機(jī)半導(dǎo)體固體電容器

    高分子有機(jī)半導(dǎo)體固體電容器(POSCAP)是一種正極采用鉭燒結(jié)體或鋁箔，負(fù)極采用具有高導(dǎo)電性的高分子材料的電容器，其卓越的高頻特性及低ESR深受好評，被廣泛用于筆記本電腦，電源模塊等的開關(guān)電源的輸入輸出端。

    POSCAP的構(gòu)造基本上與普通鉭電解電容器相同，最大的不同是電解質(zhì)采用了導(dǎo)電性高分子材料。正極采用鉭燒結(jié)體充分發(fā)揮鉭的高介電系數(shù)特性。不但實(shí)現(xiàn)了小型電容器的大容量化，同時負(fù)極采用導(dǎo)電性高分子材料實(shí)現(xiàn)了更低的ESR及可靠性方面的改善。POSCAP的額定電壓2.5V-25V，容量2.2μF -1000mF，ESR最低達(dá)5mΩ。推薦使用電壓為額定電壓10V以下的產(chǎn)品，電壓降低10%、額定電壓10V以上的產(chǎn)品，電壓降低20%，而普通鉭電解電容器的電壓降低高達(dá)50%。

    POSCAP具有優(yōu)越的電氣性能，主要表現(xiàn)為；

    高安全性

    由于電解質(zhì)不含氧原子，發(fā)生短路時與使用二氧化錳電解質(zhì)的電容器相比POSCAP不易燃燒，具有更高的安全性。

    低ESR 和低阻抗

    POSCAP的高導(dǎo)電性實(shí)現(xiàn)了低ESR和低阻抗,與同等容量的其它電容器相比阻抗為1/3~1/10。

    卓越的溫度特性

    POSCAP所用導(dǎo)電性高分子電解質(zhì)的電導(dǎo)受溫度影響小，因而，ESR基本上不受溫度影響。

    更長的壽命

    由于電解質(zhì)被高分子固化，因而，具有長的壽命。較好的熱穩(wěn)定性不會出現(xiàn)采用電解液的鋁電解電容器那樣的電解液干涸現(xiàn)象。

    POSCAP在環(huán)境溫度105℃和額定電壓下，10000小時的高溫負(fù)荷試驗(yàn)表明它的ESR及容量的特性變化很小。

    卓越的自愈能力

    導(dǎo)電性高分子材料的有機(jī)物與二氧化錳無機(jī)物相比，在較低的300℃高溫下就會出現(xiàn)熱分解及絕緣化。因此，在短路的前兆階段，即電流流過正極表面氧化絕緣層產(chǎn)生的焦耳熱，會在氧化層微小的絕緣不充分部位形成導(dǎo)電性高分子絕緣層，阻礙電流通過達(dá)到自愈修復(fù)效果。卓越的自愈能力降低了短路因素，實(shí)現(xiàn)了在過沖擊電流下的高可靠性，耐沖擊電流保證至20A。

 

    高耐熱性

    導(dǎo)電性高分子材料的耐熱性高，可以達(dá)到無鉛化回流焊的溫度要求。

    線路設(shè)計時應(yīng)該注意，POSCAP是有極性的電容器，反向電壓會造成漏電流加大或短路。另外，POSCAP即使在規(guī)范、規(guī)定的條件內(nèi)進(jìn)行回流焊，焊接后的漏電流也有可能變大。不施加電壓的高溫?zé)o負(fù)荷周期試驗(yàn)等也會引起漏電流加大，因此規(guī)定禁止在保持高阻抗線路、耦合線路、定時線路、漏電流會帶來大的影響的線路、超出額定電壓的串聯(lián)線路使用。

    POSCAP雖然安全性較高，但是由于其故障模式為短路，因而萬一發(fā)生短路后會出現(xiàn)發(fā)熱和冒煙，發(fā)生冒煙的時間因短路條件的不同而為數(shù)秒或數(shù)分鐘，設(shè)計上要使短路保護(hù)線路在此時間內(nèi)工作。

    結(jié)語

    在電子線路中電容器是必不可少的，而且，隨著電子設(shè)備的小型化，越來越要求電容器具有更好的頻率特性、更低ESR、更低阻抗、 更低ESL，更高耐壓性能、無鉛化，這也是電容器今后的發(fā)展方向。

    小型化、大容量化的電容器可以通過使用鈮、鈦等新型介電材料及結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)來達(dá)到。而低ESR、低ESL化可以通過新型電解質(zhì)的開發(fā)優(yōu)化工藝及構(gòu)造來實(shí)現(xiàn)，同時產(chǎn)品將向更高的電壓方向發(fā)展。

    在發(fā)展日新月異的信息技術(shù)領(lǐng)域，電容器將始終是關(guān)鍵元件之一，我們將應(yīng)用新技術(shù)、新材料不斷地開發(fā)出順應(yīng)信息時代需求的高性能電容器。