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0002电容基础知识文档
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电容基础知识
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2007-11-26
1.0
首次定义
富蔓
邓钢
1电容器的种类
1.1简介
电容器简称电容,是一种能贮存电荷或电场能量的元件。
它是电路种常用的电子元器件之一,具有充、放电的特点,能够实现通交流、隔直流,因此,常用于隔直流、耦合、旁路、滤波、去耦、移相、谐振回路调谐、波形变换和能量转换等电路中。
电容器的种类繁多,按其结构可分为固定电容器、半可变电容器、可变电容器三种,电容的性能、外部结构和用途在很大程度上取决于其所用的电介质,因此按介质材料是常见的电容分类方法,大致可以分为以下几类:
有机介质、无机介质、气体介质、电解质。
1.2无机介质
1.2.1纸介电容
用两片金属箔做电极,夹在极薄的电容纸中,卷成圆柱形或者扁柱形芯子,然后密封在金属壳或者绝缘材料(如火漆、陶瓷、玻璃釉等)壳中制成。
它的特点是体积较小,容量可以做得较大。
但是有固有电感和损耗都比较大,用于低频比较合适。
1.2.2金属化纸介电容
结构和纸介电容基本相同。
它是在电容器纸上覆上一层金属膜来代替金属箔,体积小,容量较大,一般用在低频电路中。
图1-1纸介和金属化纸介电容
1.2.3油浸纸介电容
它是把纸介电容浸在经过特别处理的油里,能增强它的耐压。
它的特点是电容量大、耐压高,但是体积较大。
图1-2油浸纸介电容
1.2.4云母电容
用金属箔或者在云母片上喷涂银层做电极板,极板和云母一层一层叠合后,再压铸在胶木粉或封固在环氧树脂中制成。
它的特点是介质损耗小,绝缘电阻大、温度系数小,适宜用于高频电路。
图1-3云母电容
1.2.5玻璃釉电容
以玻璃釉作介质,具有瓷介电容器的优点,且体积更小,耐高温。
1.2.6陶瓷电容
用陶瓷做介质,在陶瓷基体两面喷涂银层,然后烧成银质薄膜做极板制成。
它的特点是体积小,耐热性好、损耗小、绝缘电阻高,但容量小,适宜用于高频电路。
铁电陶瓷电容容量较大,但是损耗和温度系数较大,适宜用于低频电路。
图1-4陶瓷电容
1.3有机介质
1.3.1涤纶薄膜电容(CL)
介电常数较高,体积小,容量大,稳定性较好,适宜做旁路电容。
1.3.2聚苯乙烯薄膜电容(CB)
介质损耗小,绝缘电阻高,但是温度系数大,可用于高频电路。
1.3.3聚丙烯电容(CBB)
性能与聚苯相似但体积小,稳定性略差,可以代替大部分聚苯或云母电容,用于要求较高的电路符号:
图1-5有机介质电容
1.4电解电容
1.4.1铝电解电容
它是由铝圆筒做负极,里面装有液体电解质,插入一片弯曲的铝带做正极制成。
还需要经过直流电压处理,使正极片上形成一层氧化膜做介质。
它的特点是容量大,但是漏电大,误差大,稳定性差,常用作交流旁路和滤波,在要求不高时也用于信号耦合。
电解电容有正、负极之分,使用时不能接反。
有正负极性,使用的时候,正负极不要接反。
对铝电解电容器来讲,主要尺寸有4个:
L——电解电容器高度
D——电解电容器直径
F——电解电容器2引脚间距
d——电解电容器引脚直径
一般来说,额定电压高、容值大的电解电容器尺寸大。
图1-6电解电容
1.4.2钽、铌电解电容
它用金属钽或者铌做正极,用稀硫酸等配液做负极,用钽或铌表面生成的氧化膜做介质制成。
它的特点是体积小、容量大、性能稳定、寿命长、绝缘电阻大、温度特性好。
用在要
求较高的设备中。
贴片钽电容(以下简称钽电容)作为电解电容器中的一类,广泛应用于各类电子产品,特别是一些高密度组装,内部空间体积小产品,如手机、便携式打印机。
钽电容是一种用金属钽(Ta)作为阳极材料而制成的,按阳极结构的不同可分为箔式和钽烧粉结式两种。
在钽粉烧结式钽电容中,又因工作电解质不同,分为固体电解质钽电容(SolidTantalum)和非固体电解质钽电容。
其中,固体钽电解电容器用量最大。
钽电容由于使用金属钽做介质,不需要像普通电解电容那样使用电解液。
另外,钽电容不需像普通电解电容那样使用镀了铝膜的电容纸烧制,所以本身几乎没有电感,但同时也限制了它的容量。
图1-7钽电解电容
主要封装有3216、3528、6032、7343、7343H等。
结构和封装尺寸见图1-8和表1-1。
图1-8钽电容结构图
表1-1钽电容封装
EIA
编号
L±0.20(0.008)
W+0.20(0.008)
-0.10(0.004)
H+0.20(0.008)
-0.10(0.004)
W1±0.20(0.008)
A+0.30(0.012)
-0.20(0.008)
SMin.
3216-18
3.20(0.126)
1.60(0.063)
1.60(0.063)
1.20(0.047)
0.80(0.031)
1.80(0.071)
3528-21
3.50(0.138)
2.80(0.110)
1.90(0.075)
2.20(0.087)
0.80(0.031)
1.40(0.055)
6032-28
6.00(0.236)
3.20(0.126)
2.60(0.102)
2.20(0.087)
1.30(0.051)
2.90(0.114)
7343-31
7.30(0.287)
4.30(0.169)
2.90(0.114)
2.40(0.094)
1.30(0.051)
4.40(0.173)
7343-43
7.30(0.287)
4.30(0.169)
4.10(0.162)
2.40(0.094)
1.30(0.051)
4.40(0.173)
7361-38
7.30(0.287)
6.10(0.240)
3.45±0.30
(0.136±0.012)
3.10(0.120)
1.40(0.055)
4.40(0.173
单位:
毫米(英寸)
1.4.3独石电容
通常大家所说的贴片电容是指片式多层陶瓷电容(MultilayerCeramicCapacitors),简称MLCC,又叫做独石电容。
它是在若干片陶瓷薄膜坯上被覆以电极桨材料,叠合后一次烧结成一块不可分割的整体,外面再用树脂包封而成的。
具有小体积、大容量、Q值高、高可靠和耐高温等优点。
同时也具有容量误差较大、温度系数很高的缺点。
一般用在噪声旁路、滤波器、积分、振荡电路。
图1-9独石电容
独石电容的主要封装有0402、0603、0805、1206、1210等,见表1-2。
表1-2独石电容的封装尺寸
封装
(L)长度
公制(毫米)
英制(英寸)
(W)宽度
公制(毫米)
英制(英寸)
(t)端点
公制(毫米)
英制(英寸)
0201
0.60±0.03
(0.024±0.001)
0.30±0.03
(0.011±0.001)
0.15±0.05
(0.006±0.002)
0402
1.00±0.10
(0.040±0.004)
0.50±0.10
(0.020±0.004)
0.25±0.15
(0.010±0.006)
0603
1.60±0.15
(0.063±0.006)
0.81±0.15
(0.032±0.006)
0.35±0.15
(0.014±0.006)
0805
2.01±0.20
(0.079±0.008)
1.25±0.20
(0.049±0.008)
0.50±0.25
(0.020±0.010)
1206
3.20±0.20
(0.126±0.008)
1.60±0.20
(0.063±0.008)
0.50±0.25
(0.020±0.010)
1210
3.20±0.20
(0.126±0.008)
2.50±0.20
(0.098±0.008)
0.50±0.25
(0.020±0.010)
1812
4.50±0.30
(0.177±0.012)
3.20±0.20
(0.126±0.008)
0.61±0.36
(0.024±0.014)
1825
4.50±0.30
(0.177±0.012)
6.40±0.40
(0.252±0.016)
0.61±0.36
(0.024±0.014)
2225
5.72±0.25
(0.225±0.010)
6.40±0.40
(0.252±0.016)
0.64±0.39
(0.025±0.015)
独石电容(MLCC)根据材料分为I型和II型两类。
I型是温度补偿型,II型是温度稳定型和普通应用的。
I型电容通常是由钛酸钡不占主要部分的钛酸盐混合物构成。
它们有可预见的温度系数,通常没有老化特性。
因此它们是可用的最稳定的电容。
最常用的I型多层陶瓷电容是COG(NPO)温度补偿型电容(±0ppm/°C).
II型电容通常也是由钛酸钡化合物组成。
II型电容有很大的电容容量和温度稳定性。
最普通最常用的II型电容电解质是X7R和Y5V。
在温度范围-55°C到125°C之间,X7R能提供仅有±15%变化的的中等容量的电容容量。
它最适合应用在温度范围宽,电容量要求稳定的场合。
Y5V能提供最大的电容容量,常用在环境温度变化不大的地方。
在温度范围-30°Cto85°C之间,Y5V电容值的变化是22%to-82%。
所有的II型电容的电容容量受几个条件影响:
温度变化、操作电压(直流和交流)、频率。
1.5其它电容
1.5.1半可变电容
也叫做微调电容。
它是由两片或者两组小型金属弹片,中间夹着介质制成。
调节的时候改变两片之间的距离或者面积。
它的介质有空气、陶瓷、云母、薄膜等。
1.5.2可变电容
它由一组定片和一组动片组成,它的容量随着动片的转动可以连续改变。
把两组可变电容装在一起同轴转动,叫做双连。
可变电容的介质有空气和聚苯乙烯两种。
空气介质可变电容体积大,损耗小,多用在电子管收音机中。
聚苯乙烯介质可变电容做成密封式的,体积小,多用在晶体管收音机中。
1.6常用电容的优缺点比较
常用电容性能对比见表1-3。
就价格而言:
钽、铌电容最贵,独石、CBB较便宜,瓷片最低,但有种高频零温漂黑点瓷片稍贵。
云母电容Q值较高,也稍贵。
表1-3常用电容性能比较表
名称
优点
缺点
极性
无感CBB电容
无感,高频特性好,体积较小
不适合做大容量,价格比较高,耐热性能较差
无
聚丙烯电容(CBB)
有感,其他同上
无
涤纶电容(CL)
小体积,大容量,耐热耐湿
稳定性差
无
聚苯乙烯电容(CB)
稳定,低损耗
体积较大
无
瓷片电容
体积小,耐压高,价格低,频率高(有一种是高频电容)
易碎!
容量低
无
云母电容
容易生产,技术含量低。
体积大,容量小,(几乎没有用了)
无
独石电容
体积比CBB更小,其他同CBB,有感
无
电解电容
容量大
高频特性不好
有
钽电容
稳定性好,容量大,高频特性好
造价高。
(一般用于关键地方)
有
1.7安规电容
安规电容是指用于这样的场合,即电容器失效后,不会导致电击,不危及人身安全。
根据IEC60384-14,电容器分为X电容及Y电容。
X电容底下又分为X1,X2,X3。
Y电容底下又分为Y1,Y2,Y3,Y4。
表1-4安规电容X
安规电容安全等级
应用中允许的峰值脉冲电压
过电压等级(IEC664)
X1
>2.5kV≤4.0kV
Ⅲ
X2
≤2.5kV
Ⅱ
X3
≤1.2kV
——
表1-5安规电容Y
安规电容安全等级
绝缘类型
额定电压范围
Y1
双重绝缘或加强绝缘
≥250V
Y2
基本绝缘或附加绝缘
≥150V≤250V
Y3
基本绝缘或附加绝缘
≥150V≤250V
Y4
基本绝缘或附加绝缘
<150V
X电容是指跨于L-N之间的电容器,
Y电容是指跨于L-G/N-G之间的电容器。
(L="Line",N="Neutral",G="Ground")
火线零线间的是X电容,火线与地间的是Y电容。
它们用在电源滤波器里,起到电源滤波作用,分别对共模,差模工扰起滤波作用。
Y电容的电容量必须受到限制,从而达到控制在额定频率及额定电压作用下,流过它的漏电流的大小和对系统EMC性能影响的目的。
GJB151规定Y电容的容量应不大于0.1uF。
Y电容除符合相应的电网电压耐压外,还要求这种电容器在电气和机械性能方面有足够的安全余量,避免在极端恶劣环境条件下出现击穿短路现象
2电容器的主要性能指标
2.1标称容量和允许误差
电容器存储电荷能力被称为电容量C,单位为F(法拉)。
在实际使用中,常用“微法(μF)”和“皮法(pF)”它们的关系为:
1F=103mF=106μF=109nF=1012pF
电容的标称容量采用的是IEC标准系列,同电阻一样,一般采用E6、E12、E24系列,E48、E96、E192系列适用于精密电容。
电容器的标称容量和它的实际容量会有误差。
常用固定电容允许误差的等级见表2-1。
常用固定电容的标称容量系列见表2-2。
精密电容器的允许误差较小,而电解电容器的误差较大,它们采用不同的误差等级。
常用的电容器其精度等级和电阻器的表示方法相同。
用字母表示:
D——005级——±0.5%;F——01级——±1%;G——02级——±2%;J——I级——±5%;K——II级——±10%;M——III级——±20%。
表2-1常用固定电容允许误差的等级
允许误差
±2%
±5%
±10%
±20%
(+20%-30%)
(+50%-20%)
(+100%-10%)
级 别
02
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
表2-2常用固定电容的标称容量系列
电容类别
允许误差
容量范围
标称容量系列
纸介电容、金属化纸介电容、纸膜复合介质电容、低频(有极性)有机薄膜介质电容
5%
±10%
±20%
100pF-1uF
1.01.52.23.34.76.8
1uF-100uF
1246810152030
506080100
高频(无极性)有机薄膜介质电容、瓷介电容、玻璃釉电容、云母电容
5%
1pF-1uF
1.11.21.31.51.61.82.0
2.42.73.03.33.63.94.3
4.75.15.66.26.87.58.29.1
10%
1.01.21.51.82.22.7
3.33.94.75.66.88.2
20%
1.01.52.23.34.76.8
铝、钽、铌、钛电解电容
10%
±20%
+50/-20%
+100/-10%
1uF-1000000uF
1.01.52.23.34.76.8
2.2额定工作电压
在规定的工作温度范围内,电容长期可靠地工作,它能承受的最大直流电压,就是电容的耐压,也叫做电容的直流工作电压。
如果在交流电路中,要注意所加的交流电压最大值不能超过电容的直流工作电压值。
常用的固定电容工作电压有6.3V、10V、16V、25V、50V、63V、100V、2500V、400V、500V、630V、1000V。
对于结构、介质、容量相同的器件,耐压越高,体积越大。
2.3绝缘电阻
由于电容两极之间的介质不是绝对的绝缘体,它的电阻不是无限大,而是一个有限的数值,一般在1000兆欧以上,电容两极之间的电阻叫做绝缘电阻,或者叫做漏电电阻,大小是额定工作电压下的直流电压与通过电容的漏电流的比值。
漏电电阻越小,漏电越严重。
电容漏电会引起能量损耗,这种损耗不仅影响电容的寿命,而且会影响电路的工作。
因此,漏电电阻越大越好。
由于温升引起电子活动增加,因此温度升高将使绝缘电阻降低。
一般小容量的电容,绝缘电阻很大,在几百兆欧姆或几千兆欧姆。
电解电容的绝缘电阻一般较小。
2.4介质损耗
电容器在电场作用下消耗的能量,通常用损耗功率和电容器的无功功率之比,即损耗角的正切值表示。
损耗角越大,电容器的损耗越大,损耗角大的电容不适于高频情况下工作。
2.5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。
温度系数越小越好。
2.6频率特性
电容器的电参数随电场频率而变化的性质。
在高频条件下工作的电容器,由于介电常数在高频时比低频时小,电容量也相应减小。
损耗也随频率的升高而增加。
另外,在高频工作时,电容器的分布参数,如极片电阻、引线和极片间的电阻、极片的自身电感、引线电感等,都会影响电容器的性能。
所有这些,使得电容器的使用频率受到限制。
不同品种的电容器,最高使用频率不同。
小型云母电容器在250MHZ以内;圆片型瓷介电容器为300MHZ;圆管型瓷介电容器为200MHZ;圆盘型瓷介可达3000MHZ;小型纸介电容器为80MHZ;中型纸介电容器只有8MHZ
2.7常用电容的技术指标
常用电容器的技术指标对比见表2-3。
表2-3常用电容的几项特性
电容种类
容量范围
直流工作电压(V)
运用频率(MHz)
准确度
漏电电阻(>MΩ)
中小型纸介电容
470pF-0.22uF
63-630
8以下
-Ⅲ
>5000
金属壳密封纸介电容
0.01uF-10uF
250-1600
直流,脉动直流
Ⅰ>-Ⅲ
>1000-5000
中小型金属化纸介电容
0.01uF-0.22uF
160、250、400
8以下
Ⅰ>-Ⅲ
>2000
金属壳密封金属化纸介电容
0.22uF-30uF
160-1600
直流,脉动电流
Ⅰ>-Ⅲ
>30-5000
薄膜电容
3pF-0.1uF
63-500
高频、低频
Ⅰ>-Ⅲ
>10000
云母电容
10pF-0.51uF
100-7000
75-250以下
02-Ⅲ
>10000
瓷介电容
1pF-0.1uF
63-630
低频、高频
02-Ⅲ
>10000
铝电解电容
1uF-10000uF
4-500
直流,脉动直流
ⅣⅤ
钽、铌电解电容
0.47uF-1000uF
6.3-160
直流,脉动直流
ⅢⅣ
瓷介微调电容
2/7pF-7/25pF
250-500
高频
>1000-10000
可变电容
7pF-1100pF
100以上
低频,高频
>500
3电容器的标示方法
电容的识别方法与电阻的识别方法基本相同,分直标法、文字符号法、色标法和数标法。
3.1直标法
直标法用字母和数字把型号、规格直接标在外壳上。
主要标注有额定电压、额定容量、额定温度、厂家标志、产品系列号、容量精度等,要求标出尽可能多的参数。
其允偏差则用百分数表示,未标偏差值的即为±20%的允许偏差。
对于体积比较大的电容,多采用直标法。
如果是0.005,表示0.005uF=5nF。
如果是5n,那就表示的是5nF。
3.2文字符号法
文字符号法是将电容器的标称值和允许偏差用数字和文字符号按一定规律组合标志在电容体上。
文字符号表示其电容量的单位:
P、N、u、m、F等。
标称允许偏差也和电阻的表示方法相同。
小于10pF的电容,其允许偏差用字母代替:
B——±0.1pF,C——±0.2pF,D——±0.5pF,F——±1pF。
2n2J表示该电容器标称值为2.2纳法(nF),即2200皮法(pF),允许偏差为±5%;47nk表示电容器容量为470纳法(nF)或0.47微法(uF),允许偏差±10%。
在电路图中,电阻器的欧姆符号Ω和电容量的法拉符号F常可略去不标。
3.3色标法
沿电容引线方向,用不同的颜色表示不同的数字,第一、二种环表示电容量,第三种颜色表示有效数字后零的个数(单位为pF)。
颜色代表的数值为:
黑=0、棕=1、红=2、橙=3、黄=4、绿=5、蓝=6、紫=7、灰=8、白=9。
小型电解电容器的耐压也有用色标法的,位置靠近正极引出线的根部,所表示的意义如下表所示:
表3-1耐压的色标法
颜色
黑
棕
红
橙
黄
绿
蓝
紫
灰
耐压
4V
6.3V
10V
16V
25V
32V
40V
50V
63V
3.4数码表示法
一般用三位数字表示容量大小,前两位表示有效数字,第三位数字是10的多少次方。
如:
102表示10x10x10PF=1000PF,203表示20x10x10x10PF。
4电容器的命名方法
根据部颁标准(SJ-73)规定,电容器的命名由下列四部分组成:
第一部分(主称);第二部分:
(材料);第三部分(分类特征);第四部分(序号)。
它们的型号及意义见下表。
表4-1电容器型号命名方法
第一部分
第二部分
第三部分
第四部分
用字母表示主称
用字母表示材料
用数字或字母表示特征
序号
符号
意义
符号
意义
符号
意义
C
电容器
C
I
O
Y
V
Z
J
B
F
L
S
Q
H
D
A
G
N
T
M
E
瓷介
玻璃釉
玻璃膜
云母
云母纸
纸介
金属化纸
聚苯乙烯
聚四氟乙烯
涤纶
聚碳酸酯
漆膜
纸膜复合
铝电解
钽电解
金属电解
铌电解
钛电解
压敏
其他材料
T
W
J
X
S
D
M
Y
C
铁电
微调
金属化
小型
独石
低压
密封
高压
穿心式
包括:
品种、尺寸、代号、温度特性、直流工作电压、标称值、允许误差、标准代号。
表4-2第三部分是数字时所代表的意义:
符号
特征(型号的第三部分)的意义
(数字)
瓷介电容器
去母电容器
有机电容器
电解电容器
1
圆片
非密封
箔式
2
管型
非密封
非密封
箔式
3
迭片
密封
密封
烧结粉液体
4
独石
密