电子设计基础关键元器件篇一电容.docx

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电子设计基础关键元器件篇一电容

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

　　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

　　一、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

　　二、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

　　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。

　　三、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

　　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

　　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

　　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）

　　应用：

脉冲、耦合、旁路等电路

　　四、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。

　　五、电容器参数的基本公式

　　1、容量（法拉）

　　英制：

C=（0.224&TImes;K·A）/TD

　　公制：

C=（0.0884&TImes;K·A）/TD

　　2、电容器中存储的能量

　　E=CV^2/2

　　3、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

　　=（2πfC）（ESR）

　　8、品质因素

　　Q=cotanδ=1/DF

　　9、等效串联电阻ESR（欧姆）

　　ESR=（DF）Xc=DF/2πfC

　　10、功率消耗

　　PowerLoss=（2πfCV2）（DF）

　　11、功率因数

　　PF=sinδ（lossangle）–cosФ（相位角）

　　12、均方根

　　rms=0.707&TImes;Vp

　　13、千伏安KVA（千瓦）

　　KVA=2πfCV^2&TImes;10^（-3）

　　14、电容器的温度系数

　　T.C.=［（Ct–C25）/C25（Tt–25）］×10^6

　　15、容量损耗（%）

　　CD=［（C1–C2）/C1］×100

　　16、陶瓷电容的可靠性

　　L0/Lt=（Vt/V0）X（Tt/T0）Y

　　17、串联时的容值

　　n个电容串联：

1/CT=1/C1+1/C2+…+1/Cn

　　两个电容串联：

CT=C1·C2/（C1+C2）

　　18、并联时的容值

　　CT=C1+C2+…+Cn

　　19、重复次数（AgaingRate）

　　A.R.=%ΔC/decadeoftime

　　上述公式中的符号说明如下：

　　K=介电常数

　　A=面积

　　TD=绝缘层厚度

　　V=电压

　　t=时间

　　RS=串联电阻

　　f=频率

　　L=电感感性系数

　　δ=损耗角

　　Ф=相位角

　　L0=使用寿命

　　Lt=试验寿命

　　Vt=测试电压

　　V0=工作电压

　　Tt=测试温度

　　T0=工作温度

　　X，Y=电压与温度的效应指数。

　　六、电解电容的电参数

　　这里的电解电容器主要指铝电解电容器，其基本的电参数包括下列五点：

　　1、电容值

　　电解电容器的容值，取决于在交流电压下工作时所呈现的阻抗。

因此容值，也就是交流电容值，随着工作频率、电压以及测量方法的变化而变化。

在标准JISC5102规定：

铝电解电容的电容量的测量条件是在频率为120Hz，最大交

　　流电压为0.5Vrms，DCbias电压为1.5～2.0V的条件下进行。

可以断言，铝电解电容器的容量随频率的增加而减小。

　　2、损耗角正切值Tanδ

　　在电容器的等效电路中，串联等效电阻ESR同容抗1/ωC之比称之为Tanδ，这里的ESR是在120Hz下计算获得的值。

显然，Tanδ随着测量频率的增加而变大，随测量温度的下降而增大。

　　3、阻抗Z

　　在特定的频率下，阻碍交流电流通过的电阻即为所谓的阻抗（Z）。

它与电容等效电路中的电容值、电感值密切相关，且与ESR也有关系。

　　Z=√［ESR^2+（XL-XC）^2］

　　式中，XC=1/ωC=1/2πfC

　　XL=ωL=2πfL

　　电容的容抗（XC）在低频率范围内随着频率的增加逐步减小，频率继续增加达到中频范围时电抗（XL）降至ESR的值。

当频率达到高频范围时感抗（XL）变为主导，所以阻抗是随着频率的增加而增加。

　　4、漏电流

　　电容器的介质对直流电流具有很大的阻碍作用。

然而，由于铝氧化膜介质上浸有电解液，在施加电压时，重新形成的以及修复氧化膜的时候会产生一种很小的称之为漏电流的电流。

通常，漏电流会随着温度和电压的升高而增大。

　　5、纹波电流和纹波电压

　　在一些资料中将此二者称做“涟波电流”和“涟波电压”，其实就是ripplecurrent，ripplevoltage。

含义即为电容器所能耐受纹波电流/电压值。

它们和ESR之间的关系密切，可以用下面的式子表示：

　　Urms=Irms×R

　　式中，Vrms表示纹波电压，Irms表示纹波电流，R表示电容的ESR

　　由上可见，当纹波电流增大的时候，即使在ESR保持不变的情况下，涟波电压也会成倍提高。

换言之，当纹波电压增大时，纹波电流也随之增大，这也是要求电容具备更低ESR值的原因。

叠加入纹波电流后，由于电容内部的等效串连电阻（ESR）引起发热，从而影响到电容器的使用寿命。

一般的，纹波电流与频率成正比，因此低频时纹波电流也比较低。

　　七、电容器容量标示

　　1、直标法

　　用数字和单位符号直接标出。

如01uF表示0.01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。

　　八、电容的作用

　　作为无源元件之一的电容，其作用不外乎以下几种：

　　1、应用于电源电路，实现旁路、去藕、滤波和储能的作用。

下面分类详述之：

　　1）旁路

　　旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件，它能使稳压器的输出均匀化，降低负载需求。

就像小型可充电电池一样，旁路电容能够被充电，并向器件进行放电。

为尽量减少阻抗，旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。

这能够很好地防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。

地弹是地连接处在通过大电流毛刺时的电压降。

　　2）去藕

　　去藕，又称解藕。

从电路来说，总是可以区分为驱动的源和被驱动的负载。

　　如果负载电容比较大，驱动电路要把电容充电、放电，才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时候，电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感，电阻（特别是芯片管脚上的电感，会产生反弹），这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作，这就是所谓的“耦合”。

　　去藕电容就是起到一个“电池”的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰。

　　将旁路电容和去藕电容结合起来将更容易理解。

旁路电容实际也是去藕合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。

高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般取0.1μF、0.01μF等；

　　而去耦合电容的容量一般较大，可能是10μF或者更大，依据电路中分布参数、以及驱动电流的变化大小来确定。

　　旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源。

这应该是他们的本质区别。

　　3）滤波

　　从理论上（即假设电容为纯电容）说，电容越大，阻抗越小，通过的频率也越高。

但实际上超过1μF的电容大多为电解电容，有很大的电感成份，所以频率高后反而阻抗会增大。

有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电容，这时大电容通低频，小电容通高频。

电容的作用就是通高阻低，通高频阻低频。

电容越大低频越容易通过，电容越大高频越容易通过。

具体用在滤波中，大电容（1000μF）滤低频，小电容（20pF）滤高频。

　　曾有网友形象地将滤波电容比作“水塘”。

由于电容的两端电压不会突变，由此可知，信号频率越高则衰减越大，可很形象的说电容像个水塘，不会因几滴水的加入或蒸发而引起水量的变化。

它把电压的变动转化为电流的变化，频率越高，峰值电流就越大，从而缓冲了电压。

滤波就是充电，放电的过程。

　　4）储能

　　储能型电容器通过整流器收集电荷，并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。

电压额定值为40～450VDC、电容值在220～150000μF之间的铝电解电容器（如EPCOS公司的B43504或B43505）是较为常用的。

根据不同的电源要求，器件有时会采用串联、并联或其组合的形式，对于功率级超过10KW的电源，通常采用体积较大的罐形螺旋端子电容器。

　　2、应用于信号电路，主要完成耦合、振荡/同步及时间常数的作用：

　　1）耦合

　　举个例子来讲，晶体管放大器发射极有一个自给偏压电阻，它同时又使信号产生压降反馈到输入端形成了输入输出信号耦合，这个电阻就是产生了耦合的元件，如果在这个电阻两端并联一个电容，由于适当容量的电容器对交流信号较小的阻抗，这样就减小了电阻产生的耦合效应，故称此电容为去耦电容。

　　2）振荡/同步

　　包括RC、LC振荡器及晶体的负载电容都属于这一范畴。

　　3）时间常数

　　这就是常见的R、C串联构成的积分电路。

当输入信号电压加在输入端时，电容（C）上的电压逐渐上升。

而其充电电流则随着电压的上升而减小。

电流通过电阻（R）、电容（C）的特性通过下面的公式描述：

　　i=（V/R）e-（t/CR）

　　九、电容的选择

　　通常，应该如何为我们的电路选择一颗合适的电容呢？

笔者认为，应基于以下几点考虑：

　　1、静电容量；

　　2、额定耐压；

　　3、容值误差；

　　4、直流偏压下的电容变化量；

　　5、噪声等级；

　　6、电容的类型；

　　7、电容的规格。

　　那么，是否有捷径可寻呢？

其实，电容作为器件的外围元件，几乎每个器件的Datasheet或者Solutions，都比较明确地指明了外围元件的选择参数，也就是说，据此可以获得基本的器件选择要求，然后再进一步完善细化之。

　　其实选用电容时不仅仅是只看容量和封装，具体要看产品所使用环境，特殊的电路必须用特殊的电容。

　　下面是chipcapacitor根据电介质的介电常数分类，介电常数直接影响电路的稳定性。

　　NP0orCH（K《150）：

电气性能最稳定，基本上不随温度﹑电压与时间的改变而改变，适用于对稳定性要求高的高频电路。

鉴于K值较小，所以在0402、0603、0805封装下很难有大容量的电容。

如0603一般最大的10nF以下。

　　X7RorYB（2000《K《4000）：

电气性能较稳定，在温度﹑电压与时间改变时性能的变化并不显著（ΔC《±10%）。

适用于隔直、偶合、旁路与对容量稳定性要求不太高的全频鉴电路。

　　Y5VorYF（K》15000）：

容量稳定性较X7R差（ΔC《+20%～-80%），容量