Процесс накопления заряда
конденсаторы
включает явления поляризации внутри диэлектрика на микроуровне. Когда напряжение прикладывается к двум обкладкам конденсатора, атомы или молекулы в диэлектрике испытывают поляризацию смещения или ориентационную поляризацию.
-
Поляризация смещения
-
В диэлектриках, состоящих из неполярных молекул, например водорода, метана и др., под действием внешнего электрического поля центры положительных и отрицательных зарядов в молекулах смещаются относительно друг друга, образуя электрические диполи. Эти диполи располагаются по направлению внешнего электрического поля, и на поверхности диэлектрика появляются поляризационные заряды.
-
Ориентационная поляризация
-
Для диэлектриков, состоящих из полярных молекул, таких как вода, органическое стекло и т. д., хотя молекулы обладают собственным электрическим дипольным моментом, в отсутствие внешнего электрического поля из-за теплового движения молекул ориентация электрического дипольного момента дипольный момент неупорядочен, и диэлектрик в целом электрически нейтрален. При приложении внешнего электрического поля электрический дипольный момент полярных молекул поворачивается в направлении внешнего электрического поля, что приводит к явлению макроскопической поляризации.
Исходя из закона электрического поля Гаусса, формула емкости конденсатора с параллельными пластинами можно вывести, где - диэлектрическая проницаемость вакуума, - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, - площадь пластины, а расстояние между пластинами. Эта формула отражает связь между емкостью и конструктивными и материальными параметрами конденсатора.
-
Низкочастотные характеристики
-
На низких частотах значение емкости конденсатора остается практически неизменным и может накапливать и выделять заряды в соответствии со значением статической емкости.
-
Высокочастотные характеристики
-
При увеличении частоты из-за влияния собственных паразитных параметров конденсатора (таких как индуктивность выводов, межобластная емкость и т.п.) изменяется значение его эквивалентной емкости. У конденсаторов с высокой диэлектрической проницаемостью, например у некоторых керамических конденсаторов, диэлектрические потери возникают на высоких частотах, что приводит к уменьшению значения емкости.
-
Потери энергии
-
ESR вызывает джоулево тепло во время процесса зарядки и разрядки конденсатора, а также потери мощности. , где - ток, проходящий через конденсатор. В приложениях с большими токами зарядки и разрядки, таких как системы управления питанием электромобилей, конденсаторы с высоким ESR генерируют большое количество тепла, что влияет на эффективность и стабильность системы.
-
Влияние на производительность схемы
-
В некоторых цепях с высокими требованиями к целостности сигнала, например в высокоскоростных цифровых цепях и радиочастотных цепях, СОЭ влияет на форму волны и качество передачи сигналов. Конденсаторы с низким ESR могут лучше фильтровать пульсации в источнике питания и поддерживать чистоту сигнала.
-
Электрический двухслойный конденсатор (EDLC)
-
Его принцип основан на двойном слое, образующемся на границе электрод-электролит. На поверхности электрода ионы в электролите электростатически притягиваются и образуют зарядовые слои, подобные обкладкам конденсатора, а расстояние между двумя зарядовыми слоями чрезвычайно мало (обычно наноразмерное), поэтому большое значение емкости можно получить при небольшом объем.
-
Электрические двухслойные конденсаторы обладают такими характеристиками, как высокая удельная мощность и длительный срок службы, и могут использоваться в случаях быстрой зарядки и разрядки, например, в системах рекуперации энергии при запуске и торможении электрических автобусов.
-
Псевдоконденсатор
-
Механизм накопления заряда в псевдоконденсаторах включает быстрые обратимые окислительно-восстановительные реакции на поверхности электрода. Например, когда в качестве электродных материалов используются оксиды переходных металлов (такие как диоксид рутения) или проводящие полимеры (такие как полианилин), во время процесса зарядки и разрядки происходят окислительно-восстановительные реакции для накопления и высвобождения зарядов.
-
Псевдоконденсаторы имеют более высокую плотность энергии, чем электрические двухслойные конденсаторы, но срок их цикла относительно короткий. В настоящее время они применяются в таких областях, как системы с усилителем гибридных транспортных средств.
-
Структурные характеристики
-
MLCC состоит из нескольких слоев керамического диэлектрика и металлических внутренних электродов, поочередно наложенных друг на друга и спеченных. Эта структура позволяет достичь большого значения емкости в небольшом объеме и имеет хорошие высокочастотные характеристики.
-
Технические проблемы и приложения
-
С миниатюризацией и высокой производительностью электронных устройств MLCC необходимо развивать в направлении более высокой емкости и более высокой выдерживаемой напряжения. В оборудовании базовых станций связи 5G MLCC используется в радиочастотных цепях, что предъявляет чрезвычайно высокие требования к стабильности и надежности его работы.
-
Электромобили
-
Конденсаторы играют решающую роль в электромобилях. Помимо суперконденсаторов, используемых для рекуперации энергии и вспомогательного питания, упомянутых выше, в системе управления батареями (BMS) электромобилей используются пленочные конденсаторы для защиты цепи и предотвращения повреждения электронных компонентов, вызванного высоким напряжением, возникающим при перегрузке батареи. зарядка и переразряд.
-
Возобновляемые источники энергии
-
В системах хранения возобновляемой энергии, таких как солнечная энергия и энергия ветра, конденсаторы могут образовывать гибридную систему хранения энергии с батареями и суперконденсаторами. Конденсаторы могут быстро реагировать на изменения мощности нагрузки и обеспечивать или поглощать большое количество электрической энергии за короткое время, в то время как аккумулятор используется для долгосрочного хранения энергии, улучшая производительность и эффективность всей системы хранения энергии.
-
Управление и связь квантовых битов
-
В некоторых схемах квантовых вычислений, таких как системы квантовых битов на основе сверхпроводящих джозефсоновских переходов, требуется точный контроль и связь квантовых битов. Конденсатор может быть важным компонентом в сверхпроводящих цепях квантового бита, используемым для хранения и регулирования заряда, а также для реализации контроля и управления состоянием квантового бита.
-
Подавление декогеренции квантовой схемы
-
Декогеренция квантовых систем является ключевой проблемой, влияющей на надежность квантовых вычислений. Путем рационального проектирования квантовых схем, содержащих конденсаторы, можно в определенной степени подавить взаимодействие между квантовыми битами и окружающей средой, продлевая время когерентности квантовых битов и повышая точность и стабильность квантовых вычислений.