电容基本知识

1陶瓷電容與鉭質電容及電解電容簡介電容概述陶瓷電容鉭質電容鋁電解電容電容的性能比較電容失效模式電容的選用電容與電壓、電流紋波2一.電容概述1.電容結構自1746年荷蘭科學家發現電容以來，經過不斷的發展，電容種類已經非常豐富，但其基本結構仍然保持不變，如下圖所示：电容用于存储電荷，它只能允许交流电经过，直流电被阻挡。在电路中，通常用于调谐、滤波、极间耦合等方面，是主要元件之一。32.容值、電壓、電量關係當對電容進行充電時，兩個電極分別聚集了等量的正負電荷，從而在兩極之間產生一個電壓，電壓與電量的關係可以用如下公式表示：Q=CVV表示電容兩極之間的電壓Q表示電容兩極閒的電荷，單位是庫侖，1庫侖=6×1019個電荷。C是電容的容值，是一個常數。43.电容的分类与符号按电容量可否调整分为：固定电容器、可变电容器和微调电容器固定电容可变电容微调电容电解电容•按所用介质不同分为：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。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。按电容有無極性分为：無極性電容和有極性電容兩大類5电容器的单位是法拉(F),常用单位还有微法(μF)、纳法(nF)和皮法(pF),换算:1F=106μF=109nF=1012pF4.电容器的单位与标示电容器的标识方法有三种：直标法：直接标注在表面，如果数字是整数，则单位是pF;数字带小数点，单位是μF。文字符号法：用文字与数字混合标注，若字母在中央，则充当小数点。色标法：与电阻相同，读取方向由电容体引脚。6电容器的参数标称容量：在外壳上标明的，由国家规定的电容器电容量的标准值。允许误差范围：实际电容量与标称电容量的允许最大偏差范围，分三级I-±5%,II-±10%,III-±20%。额定工作电压：在允许的环境温度范围内，能够长期施加在电容器上的最大电压有效值称为额定电压（一般为直流电压）。温度系数：在一定温度范围内，温度每变化1℃，电容量的相对变化值。绝缘电阻：指两个电极间绝缘介质的电阻，越大越好。损耗：在电场的作用下，电容器在单位时间内发热而消耗的能量。频率特性：电容器的电参数随电场频率而变化的性质。等效串聯阻抗:對非理想電容,其內部電極與端電極之間存在的電阻值.71.定义:片式多层瓷介电容器(MLCC)---简称片式电容器,是由印好电极（内电极）的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来，经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片，再在芯片的两端封上金属层（外电极），从而形成一个类似独石的结构体，故也叫独石电容器。二、片式多层瓷介电容器(MLCC)82.1尺寸根據EIA分法有13种通用的SIZE：英制：01005,0201,0402,0603,0805,1206,1210,1805,1808,1812,1825,2220,2225公制：0402,0603,1005,1608,2012,3216,3225,4512,4520,4532,4564,5650,56642.2外形9结构主要包括三大部分:陶瓷介质，金属内电极，金属外电极。而多层片式陶瓷电容器它是一个多层叠合的结构，是由多个简单平行板电容器的并联体。3.结构10内部構造11電極材質12陶瓷是一个绝缘体，而作为电容器介质用的陶瓷除了具有绝缘特性外，还有一个很重要的特性：就是极化。即它在外加电场的作用下，正负电荷会偏离原有的位置，从而表现出正负两个极性。绝缘体的极化特性我们一般用介电常数ε来表示，即介质的K值。4.陶瓷介质的特性下面例举不同材料的介电常数：真空：1.0空气：1.004纸：4~6玻璃：3.7~19三氧化二铝（Al2O3）：9钛酸钡（BaTiO3）：1500结构陶瓷：10~20000135.瓷介的分类陶瓷是一种质硬、性脆的无机烧结体，一般分为两大类：功能陶瓷和结构陶瓷。用来制造片式多层瓷介电容（MLCC）的陶瓷是一种结构陶瓷，是电子陶瓷，也叫电容器瓷。1)照EIA三級分類,有五种通用的介質,COG(NPO),X7R,X5R,Z5U,Y5VⅠ类电容器瓷(COG)，它是順電材料Ⅱ类电容器瓷(X7R、X5R、)，它是鉄電物質材料Ⅲ类电容器瓷（Y5V、Z5U），它是鉄電物質材料146.瓷介代号陶瓷介质的代号是按其陶瓷材料的温度特性来命名的。目前国际上通用美国EIA标准的叫法，用字母来表示。常用的几种陶瓷材料的含义如下：Y5V：温度特性Y代表－25℃；5代表＋85℃；温度系数V代表－80％～＋30％Z5U：温度特性Z代表＋10℃；5代表＋85℃；温度系数U代表－56％～＋22％X5R:溫度特性X代表-55°C;5代表+85℃溫度係數R代表±15％X7R：温度特性X代表－55℃；7代表＋125℃温度系数R代表±15％NPO：温度系数是30ppm/℃（-55℃～＋125℃）157.电气特性电容量:电容量的大小表示电容器贮存电荷的能力。7-1.电容量（C）16MLCC介質厚度和層數的發展17MLCC介質常數k與溫度穩定性1.介質常數k越高,MLCC体極效率越高;但介質常數k增加時,溫度穩定性変差;2.如下所示為COG,Z5U,X7R,Y5V介質的MLCC介質常數與溫度,容值與溫度的曲綫圖：18由圖可知,EIAΙ類順電材料介質COG(NPO),它的介質常數k几乎不隨溫度變動,EIAΙΙ類鉄電材料介質X7R的介質常數變動不大,EIAΙΙΙ類鉄電材料介質Z5U,Y5V,溫度越高,介質常數K變小.19影響電介常數k的因素電介質有4种基本的極化結構：電子,原子,偶極或方向性,空間電荷EIAІ類電介質是電子或原子支配的極化結構;它可以獲的優秀的溫度穩定性和低的k值(5~80),很低的損耗.EIAІІ/ІІІ類是偶極或方向性支配的極化結構;它可以獲的最高介電常數k.例如:BaTiO3有高的k值,适合x7r電介質.20MLCC制造流程21影響電容量的因素:片式电容器的电容量除了由它本身的设计与材料特性所决定外，在很大程度下同它的测试条件、温度、电压和频率有很大的关系。22電容量與溫度的關係:温度是影响电容器电容量的一个重要因素，我们把电容量同温度的这种关系特性叫做电容器的温度特性(TemperatureCoefficient)。对于较为稳定的Ⅰ类电容器，其影响相对较小，几乎没有变化;对于Ⅱ类电容器，其影响相对较大。23电容量与直流电压的关系:在电路的实际应用中，电容器两端可能要放加一个直流电压，我们把电容器的这种情况下的特性叫做直流偏压特性。对于较为稳定的Ⅰ类电容器，其影响相对较小，几乎没有变化;对于Ⅱ类电容器，其影响相对较大。介质厚度越厚，产品的偏压特性就越好。24电容量与交流电压的关系:Ⅰ类电容器的交流特性比较好，基本不随施加电压的变化而变化。但是，对于Ⅱ类电容器，其容量基本是随所加电压的升高而加速递升的，特别X7R此特性比较明显。交流特性图25电容量与工作频率的关系:对于Ⅰ类电容器其应用频率的增加，它的容值不会有什么变化，但对于Ⅱ类电容器，容值下降较为明显。电容量与频率的关系曲线图26频率响应(串联谐振)27频率响应(并联谐振)：287-2.绝缘電阻(IR)体内漏电流:在电介质中通常或多或少存在正、负离子，这些离子在电场作用下将定向迁移，形成离子电流，我们称之为体内漏电流。表面漏电流:在电容器的表面，也会或多或少地存在正负离子，这些离子在外电场的作用下，会发生定向迁移，形成表面漏电流。电容器的漏电流:是陶瓷介质中体内漏电流与芯片表面的漏电流两部分组成。介质的绝缘电阻:加在介质两端的电压和漏电流之比称之为介质的绝缘电阻,即Ｒ＝Ｕ／Ｉ电容器的绝缘电阻除了同其本身所固有介质特性相關外，同外界环境温度、湿度等有很大的关系。温度升高时，瓷介的自由离子增多，漏电流急剧增加，介质绝缘电阻迅速降低。湿度对电容器电性能影响最大,会因表面吸潮使表面绝缘电阻下降。297-3.损耗(DF)DF损亦称损失角正切:因为电容用于交流电路中时会在电路中产生一个相位角θ，此相位角的余角δ即为损失角。DF=tanδDF(耗散因素)用来表明电容将输入功率转化为热量的百分（％）30介质损耗同温度的关系:介质损耗同温度的关系曲线图31介质损耗同交流电压/密尔厚度的关系:介质损耗同交流电压/密尔厚度的关系曲线图32介质损耗同频率的关系介质损耗同频率的关系曲线图337-4.等效串联电阻ESR：ESR:ESR的损耗由介质损耗(Rsd)和金属损耗(Rsm)两部分组成。即:ESR=Rsd+Rsm34MLCC等效電路35ESR對電路的影響36交流領域下之電容器等效電路如右圖；其中串聯等效電阻(RS)，將會隨不同頻率而有所改變。各頻率點之等效串聯電阻(ESR)如右曲線圖所示。ESR越高，通過電流所消耗功率亦越高，元件越容易發熱。隨著疊層層數增加,容值亦增加ESR隨著並聯而下降。MLCC相同設計下，容值越高，ESR越低，RippleCurrent特性越好。377-5.品质因素(Q)品质因素:Q值就是介质损耗DF的倒数。即：Q=1/DF。一般高Q即具备低ESR的特性。在设计时，高频下我们应考虑ESR和Q值对电路设计的影响；低频下应考虑损耗(DF)对电路设计的影响。387-6.耐电压(DWV)电容器的耐电压:是指电容器的陶瓷介质在工作状态中能够承受的最大电压，即击穿电压，也就是电容器的极限电压电容器的标称电压即电容器的工作电压，标称电压一般是相对于直流来说的。而电容器的耐电压常规也是相对直流来说的，但有时也常用交流来表示。电容器的标称电压远远低于其瓷介的耐电压。标称电压远远低于芯片的耐电压。比如，1206B102K101NT其标称电压为100V，也就是其工作直流电压要低于100V，而实际上其耐电压直流可达1200V左右；交流可达500V左右。398.應用其中高容量,低ESR,ESL的X7RMLCC電容堆,主要用于開關電源的濾波,低ESL允許在高頻濾波40三、鉭質電容定義:钽电解电容是用金属钽作电极、氧化钽作介质的电容器，其示意圖如下特点:化学稳定性高，额定耐压高，耐高温性能好，机械强度高，体积小。1.定義2.外形413.各种類型的鉭電容結構1)二氧化錳鉭電容(MnO2)422)有機聚合体鉭電容(KO)433)鋁有機聚合体鉭電容(AO)44鉭電容的制造流程1)制壓陰極452)焊接陽極464.各類型鉭電容特性鉭電容具有低的ESR,低的漏電流,noignitionfailuremode,高的溫度穩定性;在ESR,noignitionfailuremode方面,KO和AO具有更佳的表現.474.鉭質電容的基本電氣參數4.1Cp(Capacitance)容值一般電解電容器的電容量範圍為其容量从0.47uF到1000uF,測試頻率為120Hz。4.2電容值誤差Tolerance4.3D.F(DisspationFactor)損失因素4.4UR(VoltageRating)額定電壓电容器在电路中能够长期稳定、可靠工作，所承受的最大直流电压。額定電壓压主要有6.3V、10V、16V、63V几种。4.5LC(LeakageCurrent)漏電流4.6ESR(EquivalentSeriesResistance)等效串聯阻抗4.7RC(RippleCurrent)紋波/濾波電流常指微小的脈沖電流,表示其在電路中之耐沖擊性能。485.溫度及頻率特性鉭質電容的以上電氣參數通常規定在20℃,120Hz條件下測得,它們隨溫度及頻率的變化而變化。5.1溫度對參數的影響溫度升高,Cp值及LC會增大49溫度對容量的影響:溫度升高,Cp值增大50溫度對漏電流的影響:溫度升高,LC值增大515.2頻率對參數的影響頻率升高,Cp值及ESR值會減小,但DF會增大52頻率對ESR的影響:頻率升高,ESR值減小53頻率對損失因素的影響:頻率升高,DF值會增大546.貼片鉭質電容使用注意事項反相電壓不允許鉭質電容有極性,有絲印的一方為正極,插入時要確認極性的正確性。過壓不要提供超過額定