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第一节 电容器简述
一、电容器的划分
电容器通常简称其为电容，用字母C表示。定义1：电容器，顾名思义，是‘装电的容器’，是一种容纳电荷的器件。英文名称：capacitor。电容是电子设备中大量使用的电子元件之一，广泛应用于电路中的隔直通交，耦合，旁路，滤波，调谐回路， 能量转换，控制等方面。定义2：电容器，任何两个彼此绝缘且相隔很近的导体（包括导线）间都构成一个电容器。
1．按照结构分三大类：固定电容器、可变电容器和微调电容器。
2．按电解质分类：有机介质电容器、无机介质电容器、电解电容器和空气介质电容器等。
3、按用途分有：高频旁路、低频旁路、滤波、调谐、高频耦合、低频耦合、小型电容器。
4．按制造材料的不同可以分为：瓷介电容、涤纶电容、电解电容、钽电容，还有先进的聚丙烯电容等等。
5．高频旁路：陶瓷电容器、云母电容器、玻璃膜电容器、涤纶电容器、玻璃釉电容器。
6．低频旁路：纸介电容器、陶瓷电容器、铝电解电容器、涤纶电容器。
7、滤波：铝电解电容器、纸介电容器、复合纸介电容器、液体钽电容器。
8．调谐：陶瓷电容器、云母电容器、玻璃膜电容器、聚苯乙烯电容器。
9．低耦合：纸介电容器、陶瓷电容器、铝电解电容器、涤纶电容器、固体钽电容器。
10．小型电容：金属化纸介电容器、陶瓷电容器、铝电解电容器、聚苯乙烯电容器、固体钽电容器、玻璃釉电容器、金属化涤纶电容器、聚丙烯电容器、云母电容器。
二、电容器的主要特性参数
电容器主要特性参数
1.标称电容量和允许偏差
标称电容量是标志在电容器上的电容量。
电容器实际电容量与标称电容量的偏差称误差，在允许的偏差范围称精度。
精度等级与允许误差对应关系：00（01）-±1%、0（02）-±2%、Ⅰ-±5%、Ⅱ-±10%、Ⅲ-±20%、 Ⅳ-（+20%-10%）、Ⅴ-（+50%-20%）、Ⅵ-（+50%-30%）
一般电容器常用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级，电解电容器用Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级，根据用途选取。
2.额定电压
在最低环境温度和额定环境温度下可连续加在电容器的最高直流电压有效值，一般直接标注在电容器外壳上，如果工作电压超过电容器的耐压，电容器击穿，造成不可修复的永久损坏。常见的电容额定电压与耐压测试仪测量值的关系（ 600V的耐压测试仪测量电压为760V以上；
550V的耐压测试仪测量电压为715V以上；
500V的耐压测试仪测量电压为650V以上；
450V的耐压测试仪测量电压为585V以上；
400V的耐压测试仪测量电压为520V以上；
250V的耐压测试仪测量电压为325V以上；
200V的耐压测试仪测量电压为260V以上；
160V的耐压测试仪测量电压为208V以上；
100V的耐压测试仪测量电压为125V—132V以上；
80V的耐压测试仪测量电压为100V以上；
63V的耐压测试仪测量电压为79V以上；
50V的耐压测试仪测量电压为62.5V以上；
35V的耐压测试仪测量电压为50V以上
25V的耐压测试仪测量电压为35V以上
16V的耐压测试仪测量电压为19V以上
10V的耐压测试仪测量电压为13V以上
6.3的耐压测试仪测量电压为7.5V以上
以上为85℃产品；以下为105℃产品 ：
600V的耐压测试仪测量电压为780V以上；
550V的耐压测试仪测量电压为745V以上；
500V的耐压测试仪测量电压为660V以上；
450V的耐压测试仪测量电压为595V以上；
400V的耐压测试仪测量电压为540V以上；
250V的耐压测试仪测量电压为343V以上；
200V的耐压测试仪测量电压为270V以上；
160V的耐压测试仪测量电压为222V以上；
100V的耐压测试仪测量电压为132V以上；
80V的耐压测试仪测量电压为102V以上；
63V的耐压测试仪测量电压为84V以上；
50V的耐压测试仪测量电压为66.5V以上；
35V的耐压测试仪测量电压为52.5V以上
25V的耐压测试仪测量电压为38V以上
16V的耐压测试仪测量电压为21.6V以上
10V的耐压测试仪测量电压为13.5V以上
6.3的耐压测试仪测量电压为8.2V以上）
3.绝缘电阻
直流电压加在电容上，并产生漏电电流，两者之比称为绝缘电阻.
当电容较小时，主要取决于电容的表面状态，容量〉0.1uf时，主要取决于介质的性能，绝缘电阻越大越好。
电容的时间常数：为恰当的评价大容量电容的绝缘情况而引入了时间常数，他等于电容的绝缘电阻与容量的乘积。
4.损耗
电容在电场作用下，在单位时间内因发热所消耗的能量叫做损耗。各类电容都规定了其在某频率范围内的损耗允许值，电容的损耗主要由介质损耗，电导损耗和电容所有金属部分的电阻所引起的。
在直流电场的作用下，电容器的损耗以漏导损耗的形式存在，一般较小，在交变电场的作用下，电容的损耗不仅与漏导有关，而且与周期性的极化建立过程有关。
5.频率特性
随着频率的上升，一般电容器的电容量呈现下降的规律。
大电容工作在低频电路中的阻抗较小，小电容而比较适合工作在高频环境下。
三、电容器的型号命名
国产电容器的型号一般由四部分组成（不适用于压敏、可变、真空电容器）。依次分别代表名称、材料、分类和序号。
第一部分：名称，用字母表示，电容器用C。
第二部分：材料，用字母表示。
第三部分：分类，一般用数字表示，个别用字母表示。
第四部分：序号，用数字表示。
用字母表示产品的材料：A-钽电解、B-聚苯乙烯等非极性薄膜、C-高频陶瓷、D-铝电解、E-其它材料电解、G-合金电解、H-复合介质、I-玻璃釉、J-金属化纸、L-涤纶等极性有机薄膜、N-铌电解、O-玻璃膜、Q-漆膜、T-低频陶瓷、V-云母纸、Y-云母、Z-纸介。
四、电容器的容量标示
1．直标法
用数字和单位符号直接标出。如1uF表示1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
4．数学计数法：如上图瓷介电容，标值272，容量就是：27X100pf=2700pf.如果标值473，即为47X1000pf=后面的2、3，都表示10的多少次方）。
第二节 超级电容器产业基础
一、超级电容器特性
1. 额定容量：
单位：法拉（F），测试条件：规定的恒定电流（如1000F以上的超级电容器规定的充电电流为100A，200F以下的为3A）充电到额定电压后保持2～3分钟，在规定的恒定电流放电条件下放电到端电压为零所需的时间与电流的乘积再除以额定电压值，即：
由于等效串联电阻（ESR）比普通电容器大，因而充放电时ESR产生的电压降不可忽略，如2.7V/5 000F超级电容器的ESR为：0.4mΩ，在100A电流放电时的ESR电压降为40mV占额定电压的1.5%，在950A电流放电时的ESR电压降为380mV占额定电压的14%，表明在额定电流下放电容量将为额定容量减小88.5%。
2. 额定电压：
可以使用的最高安全端电压（如2.3V、2.5V、2.7V以及不久将来的3V），除此之外还有承受浪涌电压电压（可以短时承受的端电压，通常为额定电压的105%），实际上超级电容器的击穿电压远高于额定电压（约为额定电压的1.5~3倍左右，与普通电容器的额定电压/击穿电压比值差不多。
3. 额定电流：
5秒内放电到额定电压一半的电流，除此之外还有最大电流（脉冲峰值电流）
4. 最大存储能量：
在额定电压是放电到零所释放的能量，以焦耳（J）或瓦时（Wh）为单位
5. 能量密度：
最大存储能量除以超级电容器的重量或体积（Wh/kg或Wh/l）
6. 功率密度：
在匹配的负载下，超级电容器产生电/热效应各半时的放电功率，用kW/kg或kW/l表示。
7. 等效串联电阻：
测试条件：规定的恒定电流（如1 000F以上的超级电容器规定的充电电流为100A，200F以下的为3A）和规定的频率（DC和大容量的100Hz或小容量的KHz）下的等效串联电阻。通常交流ESR比直流ESR小，随温度上升而减小。
超级电容器等效串联电阻较大的原因是：为充分增加电极面积，电极为多孔化活性炭，由于多孔化活性炭电阻率明显大于金属，从而使超级电容器的ESR较其它电容器的大。
8. 阻抗频率特性：
超级电容器的阻抗频率特性，相对较大的是ESR造成平坦底部的原因，超级电容器的频率特性是电容器中频率特性最差的。其原因是：一般电容器的电荷是导体中的以电子导电方式建立或泄放，而超级电容器的电荷的建立或泄放是以介质中的离子或介质电离极化实现，响应速度相对慢；大容量电容器在制造时均采用卷绕工艺，寄生电感相对无感电容器大。
9. 工作与存储温度：
通常为-40℃??+60℃或70℃，存储温度还可以高一些。
10. 漏电流：
一般为10μA/F
11. 寿命：
在25℃环境温度下的寿命通常在90 000小时，在60℃的环境温度下为4 000小时，与铝电解电容器的温度寿命关系相似。寿命随环境温度缩短的原因是电解液的蒸发损失随温度上升。寿命终了的标准为：电容量低于额定容量20%，ESR增大到额定值的1.5倍。
12. 循环寿命：
20秒充电到额定电压，恒压充电10秒，10秒放电到额定电压的一半，间歇时间：10秒为一个循环。一般可达500000次。寿命终了的标准为：电容量低于额定容量20%，ESR增大到额定值的1.5倍。
13. 发热：
超级电容器通过纹波电流（充、放电）时，回发热，其发热量将随着纹波电流的增加而。超级电容器发热的原因是纹波电流流过超级电容器的等效串联电阻（ESR）产生的功率（能量）损耗转变为热能。由于超级电容器的（ESR）较大，因此在同样纹波电流条件下发热量比一般电容器大。使用时应注意。
注意事项
超级电容器在串联应用时特别是较大电容量是应采用均压技术以保证每一个超级电容器单体端电压再额定电压内，目前国内已有各种规格的超级电容器均压电路商品。
二、超级电容器工作原理
由于储能机理的不同，人们将超级电容器分为：(1)基于高比表面积电极材料与溶液问界面双电层原理的双电层电容器；(2)基于电化学欠电位沉积或氧化还原法拉第过程的赝电容器。赝电容与双电层电容的形成机理不同，但并不相互排斥。大比表面积准电容电极的充放电过程会形成双电层电容，双电层电容电极(如多孔炭)的充放电过程往往伴随有赝电容氧化还原过程发生，实际的电化学电容通常是两者共存的宏观体现，要确认的只是何者占主要的问题。实践过程中，人们为了达到提高电容器的性能，降低成本的目的，经常将赝电容电极材料和双电层电容电极材料混合使用，制成所谓的混合电化学电容器。混合电化学电容器可分为两类，一类是电容器的一个电极采用赝电容电极材料，另一个电极采用双电层电容电极材料，制成不对称电容器，这样可以拓宽电容器的使用电压范围，提高能量密度；另一类是赝电容电极材料和双电层电容电极材料混合组成复合电极，制备对称电容器。
（1）双电层电容器
一对浸在电解质溶液中的固体电极在外加电场的作用下，在电极表面与电解质接触的界面电荷会重新分布、排列。作为补偿，带正电的正电极吸引电解液中的负离子，负极吸引电解液中的正离子，从而在电极表面形成紧密的双电层，由此产尘的电容称为双电层电容。双电层是由相距为原子尺寸的微小距离的两个相反电荷层构成，这两个相对的电荷层就像平板电容器的两个平板一样。Helmholtz首次提出此模型。如图所示。
能量是以电荷的形式存储在电极材料的界面。充电时，电子通过外加电源从正极流向负极，同时，正负离子从溶液体相中分离并分别移动到电极表面，形成双电层；充电结束后，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。在放电时，电子通过负载从负极流到正极，在外电路中产生电流，正负离子从电极表面被释放进入溶液体相呈电中性。
图表 1 双层电容器工作原理
对于一个对称的电容器(相同的电极材料)，电容值为：
C1和C2分别为两个电极的电容值。单电极的电容计算公式：
其中：ε为双电层中的介电常数，A为电极的表面积，t是双电层的厚度。
双电层的能量及功率密度可通过下式分别计算得到(R为等效电阻)：
根据以上两个公式可知：电容器工作电压的增大可以显著地提高功率密度和能量密度。
(2)法拉第赝电容器
法拉第赝电容器也叫法拉第准电容，是在电极表面活体相中的二维或三维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。这种电极系统的电压随电荷转移的量呈线性变化，表现出电容特征，故称为“准电容”，是作为双电层型电容器的一种补充形式。法拉第准电容的充放电机理为：电解液中的离子( 一般为H+或OH-)在外加电场的作用下向溶液中扩散到电极/溶液界面，而后通过界面的电化学反应进入到电极表面活性氧化物的体相中；若电极材料是具有较大比表面积的氧化物，就会有相当多的这样的电化学反应发生，大量的电荷就被存储在电极中。放电时这些进入氧化物中的离子又会重新回到电解液中，同时所存储的电荷通过外电路释放出来。
在电极的比表面积相同的情况下，由于法拉第赝电容器的电容在电极中是由无数微等效电容电路的网络形式形成的，其电容量直接与电极中的法拉第电量有关，所以法拉第赝电容器的比电容是双电层电容器的10—100倍，目前对法拉第赝电容的研究工作成为一个重点开展的方向。
三、超级电容器结构
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。
图表 2 超级电容器的基本结构
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。
图表 3 超级电容器电极
第三节 超级电容器与传统电容器性能对比
电化学电容器和电池的运行机理从原理上就不同。对于双电层型超级电容器，电荷存储是非法拉第过程，即理想的没有发生通过电极界面的电子迁移，电荷和能量的存储是静电性的。而对电池而言，实质上发生了法拉第过程，即发生了穿过双层的电子迁移，结果是发生了氧化态的变化和电活性材料化学性质的变化。总的来说，电荷存储过程有如下重要的区别：
对于非法拉第过程，电荷的聚集靠静电方式完成，正电荷和负电荷居于两个分开的界面上。
中间为真空或分子绝缘体，如双层、电解电容中的云母膜、空气层或氧化物膜。
对于法拉第过程，电荷的存储靠电子迁移完成，电活性材料发生了化学变化或氧化态变化，这些变化遵守法拉第定律并与电极电势有关在某种情况下就能产生准电容。这种能量的存储是间接的。
在比能量和比功率两个性能参数上超级电容器位于电池和传统电容之间，循环寿命和充放电效率都远远高于电池。由于使用寿命长通常都超过了使用其设备的寿命，所以，超级电容器终身无需维护，加之使用完后，对环境要求宽松，无污染，因而又称其为绿色能源。;超级电容器车用贮电装置的优点超级电容器是绿色能源不污染环境化学电池对环境有2次污染。
循环使用寿命长(约l0万次);化学电池的循环使用寿命短(20o～1000次)，易损坏。
充电速度快(0.3s～15min);化学电池的充电时间长，一般要3～l0h……‘充放电效率高(98%);化学电池的充放电效率低(70%)。
功率密度高(1OOO～IO000W/Kg);化学电池功率密度低(300W/Kg)。。
超级电容器彻底免维护，工作温度范围宽一40～+70～C)，容量变化小;铅酸电池电动车在一℃时，续驶里程减少90%，而超级电容器只减少10%。
超级电容器电动大客车刹车再生能量回收效率高，常规制动时回收高达70%，化学电池能量回收效率仅为5%。
相对成本低。超级电容器的价格比铅酸电池高一倍，但由于超级电容器的寿命比化学电池高～100倍，所以超级电容器电动车的综合运营成本大大低于化学电池。
第四节 超级电容器的应用
1、税控机、税控加油机、真空开关、智能表、远程抄表系统、仪器仪表、数码相机、掌上电脑、电子门锁、程控交换机、无绳电话等的时钟芯片、静态随机存贮器、数据传输系统等微小电流供电的后备电源。
2、智能表（智能电表、智能水表、智能煤气表、智能热量表）作电磁阀的启动电源
3、太阳能警示灯，航标灯等太阳能产品中代替充电电池。
4、手摇发电手电筒等小型充电产品中代替充电电池。
5、电动玩具电动机、语音IC、LED发光器等小功率电器的驱动电源。
超级电容器是介于传统电容器和蓄电池之间的一种新型储能装置,它具有功率密度大、容量大、使用寿命长、免维护、经济环保等优点。
6.电动汽车 快速启动
7.电力系统 电网改造 户外开关
8.风力发电 海上风机
