电气基础—电容

返回目录-0-电子设计基础关键元器件篇：电容目录：一、电容基础介绍二、电容器的型号命名方法三、电容器的分类四、常用电容器五、电容器主要特性参数六、电容器参数的基本公式七、电解电容的电参数八、电容器容量标示九、电容的作用十、电容的选择十一、多层陶瓷电容（MLCC）十二、钽电容替代电解电容的误区十三、旁路电容的应用问题十四、电容的等效串联电阻ESR十五、电源输入端的X，Y安全电容十六、电容的用法返回目录-1-一、电容的基础电子工程师在平时进行电子设计中接触得最多的莫过于电子元器件了，而如何用好电子元器件，使电子元器件在电路中发挥其最大的功能作用，则成为评判你是否是合格电子工程师的基本标准。为给工程师朋友提供较为全面的元器件知识，或学习，或参考，或温故而知新，电子发烧友会陆续整合推出《电子设计基础关键元器件篇》系列章节，敬请留意。本章节将谈及电容相关知识，电容在电子线路中也是广泛应用的器件之一。我们多采用它来滤波、隔直、交流耦合、交流旁路等，也用它和电感元件一起组成振荡电路。电容（或称电容量）是表征电容器容纳电荷本领的物理量。我们把电容器的两极板间的电势差增加1伏所需的电量，叫做电容器的电容。电容器从物理学上讲，它是一种静态电荷存储介质（就像一只水桶一样，你可以把电荷充存进去，在没有放电回路的情况下，刨除介质漏电自放电效应/电解电容比较明显，可能电荷会永久存在，这是它的特征），它的用途较广，它是电子、电力领域中不可缺少的电子元件。主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、隔直流、能量转换、控制电路等电路中。电容的符号是C。C=εS/d=εS/4πkd（真空）=Q/U返回目录-2-在国际单位制里，电容的单位是法拉，简称法，符号是F，常用的电容单位有毫法（mF）、微法（μF）、纳法（nF）和皮法（pF）（皮法又称微微法）等，换算关系是：1法拉（F）=1000毫法（mF）=1000000微法（μF）1微法（μF）=1000纳法（nF）=1000000皮法（pF）。电容与电池容量的关系：1伏安时=25法拉=3600焦耳1法拉=144焦耳电容符号返回目录-3-二、电容器的型号命名方法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-纸介返回目录-4-三、电容器的分类电容的分类方式及种类很多，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：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、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。5、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。6、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。7、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。8、高频耦合：陶瓷电容器、云母电容器、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。11、基于电容的材料特性，其可分为以下几大类：1）、铝电解电容电容容量范围为0.1μF～22000μF，高脉动电流、长寿命、大容量的不二之选，广泛应用于电源滤波、解藕等场合。2）、薄膜电容电容容量范围为0.1pF～10μF，具有较小公差、较高容量稳定性及极低的压电效应，因此是X、Y安全电容、EMI/EMC的首选。3）、钽电容返回目录-5-电容容量范围为2.2μF～560μF，低等效串联电阻（ESR）、低等效串联电感（ESL）。脉动吸收、瞬态响应及噪声抑制都优于铝电解电容，是高稳定电源的理想选择。4）、陶瓷电容电容容量范围为0.5pF～100μF，独特的材料和薄膜技术的结晶，迎合了当今“更轻、更薄、更节能“的设计理念。5）、超级电容电容容量范围为0.022F～70F，极高的容值，因此又称做“金电容”或者“法拉电容”。主要特点是：超高容值、良好的充/放电特性，适合于电能存储和电源备份。缺点是耐压较低，工作温度范围较窄。返回目录-6-四、常用电容器1、铝电解电容器用浸有糊状电解质的吸水纸夹在两条铝箔中间卷绕而成，薄的化氧化膜作介质的电容器。因为氧化膜有单向导电性质，所以电解电容器具有极性。容量大，能耐受大的脉动电流，容量误差大，泄漏电流大；普通的不适于在高频和低温下应用，不宜使用在25kHz以上频率低频旁路、信号耦合、电源滤波。电容量：0.47--10000u额定电压：6.3--450V主要特点：体积小，容量大，损耗大，漏电大应用：电源滤波，低频耦合，去耦，旁路等2、钽电解电容器（CA）铌电解电容（CN）用烧结的钽块作正极，电解质使用固体二氧化锰温度特性、频率特性和可靠性均优于普通电解电容器，特别是漏电流极小，贮存性良好，寿命长，容量误差小，而且体积小，单位体积下能得到最大的电容电压乘积对脉动电流的耐受能力差，若损坏易呈短路状态超小型高可靠机件中。电容量：0.1--1000u额定电压：6.3--125V主要特点：损耗、漏电小于铝电解电容应用：在要求高的电路中代替铝电解电容3、薄膜电容器结构与纸质电容器相似，但用聚脂、聚苯乙烯等低损耗塑材作介质频率特性好，介电损耗小不能做成大的容量，耐热能力差滤波器、积分、振荡、定时电路。a聚酯（涤纶）电容（CL）电容量：40p--4u额定电压：63--630V返回目录-7-主要特点：小体积，大容量，耐热耐湿，稳定性差应用：对稳定性和损耗要求不高的低频电路b聚苯乙烯电容（CB）电容量：10p--1u额定电压：100V--30KV主要特点：稳定，低损耗，体积较大应用：对稳定性和损耗要求较高的电路c聚丙烯电容（CBB）电容量：1000p--10u额定电压：63--2000V主要特点：性能与聚苯相似但体积小，稳定性略差应用：代替大部分聚苯或云母电容，用于要求较高的电路4、瓷介电容器穿心式或支柱式结构瓷介电容器，它的一个电极就是安装螺丝。引线电感极小，频率特性好，介电损耗小，有温度补偿作用不能做成大的容量，受振动会引起容量变化特别适于高频旁路。a高频瓷介电容（CC）电容量：1--6800p额定电压：63--500V主要特点：高频损耗小，稳定性好应用：高频电路b低频瓷介电容（CT）电容量：10p--4.7u返回目录-8-额定电压：50V--100V主要特点：体积小，价廉，损耗大，稳定性差应用：要求不高的低频电路5、独石电容器（多层陶瓷电容器）在若干片陶瓷薄膜坯上被覆以电极桨材料，叠合后一次绕结成一块不可分割的整体，外面再用树脂包封而成小体积、大容量、高可靠和耐高温的新型电容器，高介电常数的低频独石电容器也具有稳定的性能，体积极小，Q值高容量误差较大噪声旁路、滤波器、积分、振荡电路。容量范围：0.5PF--1UF耐压：二倍额定电压。电容量大、体积小、可靠性高、电容量稳定，耐高温耐湿性好等。应用范围：广泛应用于电子精密仪器。各种小型电子设备作谐振、耦合、滤波、旁路。6、纸质电容器一般是用两条铝箔作为电极，中间以厚度为0.008～0.012mm的电容器纸隔开重叠卷绕而成。制造工艺简单，价格便宜，能得到较大的电容量。一般在低频电路内，通常不能在高于3～4MHz的频率上运用。油浸电容器的耐压比普通纸质。电容器高，稳定性也好，适用于高压电路。7、微调电容器电容量可在某一小范围内调整，并可在调整后固定于某个电容值。瓷介微调电容器的Q值高，体积也小，通常可分为圆管式及圆片式两种。云母和聚苯乙烯介质的通常都采用弹簧式东，结构简单，但稳定性较差。线绕瓷介微调电容器是拆铜丝〈外电极〉来变动电容量的，故容量只能变小，不适合在需反复调试的场合使用。a空气介质可变电容器可变电容量：100--1500p主要特点：损耗小，效率高；可根据要求制成直线式、直线波长式、直线频率式及对数式等应用：电子仪器，广播电视设备等返回目录-9-b薄膜介质可变电容器可变电容量：15--550p主要特点：体积小，重量轻；损耗比空气介质的大应用：通讯，广播接收机等c薄膜介质微调电容器可变电容量：1--29p主要特点：损耗较大，体积小应用：收录机，电子仪器等电路作电路补偿d陶瓷介质微调电容器可变电容量：0.3--22p主要特点：损耗较小，体积较小应用：精密调谐的高频振荡回路8、陶瓷电容器用高介电常数的电容器陶瓷〈钛酸钡一氧化钛〉挤压成圆管、圆片或圆盘作为介质，并用烧渗法将银镀在陶瓷上作为电极制成。它又分高频瓷介和低频瓷介两种。具有小的正电容温度系数的电容器，用于高稳定振荡回路中，作为回路电容器及垫整电容器。低频瓷介电容器限于在工作频率较低的回路中作旁路或隔直流用，或对稳定性和损耗要求不高的场合〈包括高频在内〉。这种电容器不宜使用在脉冲电路中，因为它们易于被脉冲电压击穿。高频瓷介电容器适用于高频电路。9、玻璃釉电容器（CI）由一种浓度适于喷涂的特殊混合物喷涂成薄膜而成，介质再以银层电极经烧结而成“独石”结构性能可与云母电容器媲美，能耐受各种气候环境，一般可在200℃或更高温度下工作，额定工作电压可达500V，损耗tgδ0.0005～0.008电容量：10p--0.1u额定电压：63--400V主要特点：稳定性较好，损耗小，耐高温（200度）返回目录-10-应用：脉冲、耦合、旁路等电路返回目录-11-五、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。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。返回目录-12-六、电容器参数的基本公式1、容量（法拉）英制：C=（0.224×K·A）/TD公制：C=（0.0884×K·A）/TD2、电容器中存储的能量E=CV^2/23、电容器的线性充电量I=C（dV/dt）4、电容的总阻抗（欧姆）Z=√［RS^2+（XC–XL）^2］5、容性电抗（欧姆）XC=1/（2πfC）6、相位角Ф理想电容器：超前当前电压90度理想电感器：滞后当前电压90度理想电阻器：与当前电压的相位相同7、耗散系数（%）D.F.=tanδ（损耗角）=ESR/Xc=（