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电容的基础知识-作用、参数和类型
2024-04-14 08:28:07 | 作者:米乐m6在线

  和电感)之一,在实际应用中几乎找不到不含有电容的电路板。电容的组成其实格外的简单,只是由两个极板中间夹着一层介质组成,是中学教材中最早涉及的元件之一,电容的作用也格外的简单,无非就是充电和放电而已。

  但是电容又是最为复杂的元件之一,虽然从初中就开始有效学习电容,但是一直到高中、大学甚至研究生的教材中都一直在讲解电容的特性和应用。尤其是在实际使用的过程中,要考虑的远远不止课本中的容值这一参数,而且如果电容选择的不当,很有可能会使设计的电路无法正常工作。所以掌握好电容的基础特性,对于电路的分析和设计是十分必要的。

  电容的基本作用是充电和放电,且两端电压不能突变,基本性质是通交流、阻直流,通高频、阻低频,根据这一性质延伸出来旁路、去耦、储能和耦合等不同作用。

  旁路和去耦都可以认为是滤波,只不过旁路电容一般放在信号的输入端,用于滤除输入信号中含有的噪声,而去耦电容则大多数都用在信号的输出端,用于滤除输出信号中含有的噪声。简单来说,滤波就是使直流信号中的交流成分(噪声)或者频率低的信号中的高频成分通过电容流向电源地。

  去耦电容通常用于电源输出端和开关器件输出端,旁路电容通常用于IC的电源和信号输入引脚。Layout时要尽量使滤波电容(旁路和去耦)靠近芯片的输入或者输出引脚,以最大限度地提高输入信号的纯净度,并减少输出信号中含有的噪声对其他元件的干扰。

  理论上容值越大,阻抗越低,通过的信号频率也越高,但是实际上超过1μF的电容大多是电解电容,含有很高的电感成分,频率升高后,阻抗会增大。所以会经常在电路中看到一个大电容和小电容并联,其中大电容主要用来滤除低频噪声,而小电容则用来滤除高频噪声。

  超级电容器是专门用于存储能量的电容,但是一般的电容也都有储能的作用,比如旁路电容和去耦电容除了能够滤除信号中的噪声,还兼具储能的作用,就像是一个电池,不断地进行充电和放电。

  主要利用电容器通交流、阻直流的特性,使电路中的交流信号传递到下一级,同时隔断直流信号。

  利用电容两端电压不能突变的特性,防止在打开开关的瞬间电压或者电流过大,损坏后级电路。

  除了以上作用,电容和电阻组合使用还可以构成积分电路、微分电路、定时电路、自举电路等,这些会在后续推文中详细介绍。

  标称容量、精度、标称电压、温度系数、等效串联电阻、等效串联电感、漏电流、绝缘电阻、损耗和频率特性、工作时候的温度范围、常规使用的寿命等。

  温度系数:指在一些范围内,温度每变化1℃,容值的相对变化值,与介质材料和电容结构有关。

  漏电流:由于电容介质并不是绝对不导电的,所以在一定电压下,流过介质的电流被称为漏电流(一般很微弱)。与环境和温度、施加电压、电容容量、制造工艺等有关。

  绝缘电阻:指电容电压与漏电流的比值。与介质的介电常数、介质厚度、介质面积等有关。

  电容损耗:在电场作用下,电容因发热而消耗的能量,分为介质损耗和金属损耗,常用损耗角正切值表示。

  等效串联电阻(ESR):理论上电容在充放电过程中不会有能量消耗,但是由于介质损耗、端子引线等原因,会使电容消耗一部分能量,对外就类似一个电阻和电容串联在一起,这个电阻就被称为ESR。ESR的存在会使电容两端的电压发生突变,降低电容的滤波性能。是电容很重要的参数之一

  按照介质、作用和封装形式等可以将电容分为多个不同的类型,这里主要讨论不同介质类型的电容。主要有陶瓷电容、纸介电容、云母电容、独石电容薄膜电容、金属化纸介电容、油浸纸介电容、铝电解电容、钽电解电容。

  陶瓷电容:指以陶瓷为介质的电容,原材料丰富,结构相对比较简单,价格低,容量范围宽(几pF~几百μF),体积小,损耗小,因此应用十分普遍,分为高频瓷介电容和低频瓷介电容。

  纸介电容:用很薄的特制电容纸作为介质,铝箔或锡箔作为电极并卷绕成型,然后接出引线,再经过漫渍处理,用外壳封装或环氧树脂灌封而成。具有体积小,容量较大(10pF~几十μF),工作范围宽(最高可达6.3kV),成本低,但是固有电感和介质损耗比较大,稳定性差。多用于低频电路。

  云母电容:在云母片上喷涂银层制成电极板,将电极板和云母介质叠合后,再压铸在胶木粉或封固在环氧树脂中制成。具有介质损耗小、绝缘电阻大、温度系数小、精度高等特点,适用于高频电路,但是体积大,容量小(0.5~10^4^pF)。

  独石电容:又称多层陶瓷电容器,简称MLCC,由多层绝缘介质加两个导电的金属电极组成。根据美国电工协会(EIA)的标准,能够准确的通过温度稳定性将不同介质材料的MLCC分为三类:超稳定级(I类),如COG或NPO;稳定级(II类),如X7R;能用级(III类),如Y5V。其中,NPO的稳定性最好,几乎不随温度、时间和电压的改变而改变,但是容量最大只有100 nF,适用于对稳定性和可靠性要求比较高的高频、特高频电路中。

  X7R又被称为温度稳定型陶瓷电容器,当温度在-55℃+125℃时其容量变化为±15%,但是容量并不是呈线℃ ~ +85℃范围内容量变化为-82%~+22%。

  产品,但是由于钽原料稀缺,所以价格较昂贵。钽电容的绝缘电阻大,漏电流小,温度特性好,有正负极,多用于要求比较高的场合。

  安规电容:指失效后,不会导致电击,不危及人身安全的电容器,主要用在开关电源中,分为X电容和Y电容。X电容是指跨接在零线和火线之间的电容,大多数都用在差模滤波。Y电容是指零线与地、火线与地之间的电容,大多数都用在共模滤波。



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