PCB课堂：电容选型与应用知识大全

电容是电子设备中最基础也是最重要的元件之一。体积虽小,却作用巨大,小到闪盘、数码相机,大到航天飞机、火箭中都可以见到它的身影。电子工程师在电路设计中的滤波、耦合、隔直以及处理小信号中的振荡、延时和应对EMC/EMI时,都会面临着电容的选型、静电容量、容值误差、噪声、型号匹配等诸多问题的挑战。

电容广泛应用于隔直,耦合, 旁路,滤波,调谐回路, 能量转换,控制电路等方面。用C 表示电容,电容单位有法拉(F)、微法拉(uF)、皮法拉(pF),1F=10^6uF=10^12pF。

一、电容的型号命名方法

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。

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三、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。

我们着重来讲一下——ESR(等效电阻)和ESL(等效电感),ESR和ESL是电容的两个参数。一只电容器会因其构造而产生各种阻抗、感抗,比较重要的就是ESR等效串联电阻及ESL等效串联电感——这就是容抗的基础。电容器提供电容量,要电阻干嘛?故ESR及ESL也要求低;但low ESR/low ESL通常都是高级系列。

ESR的高低,与电容器的容量、电压、频率及温度…都有关连,当额定电压固定时,容量愈大 ESR愈低。有人习惯用将多颗小电容并接成一颗大电容以降低阻抗,其理论是电阻并联阻值降低。但若考虑电容接脚焊点的阻抗,以小并大,不见得一定会有收获。

反过来说,当容量固定时,选用高WV额定电压的品种也能降低 ESR;故耐压高确实好处多多。频率的影响:低频时ESR高,高频时ESR低;当然,高温也会造成ESR的提升。

由图2可看出,在谐振点,电容器与ESL不存在阻抗(仅ESR存在阻抗),谐振点的频率由电容器和ESL决定。由图3分析可知各元件成分决定阻抗的特性。串联等效电阻ESR的单位是mΩ。若比较低内阻及低漏电流两种特性,则低内阻容易达成,故标示low ESR的电容倒很常见。ESR与损失角有关联,ESR=tanδ/(ω×Cs),Cs是电容量。 有时电容器规格上会有Z,它与ESR的意义不同,但Z的计算示与ESR有关,同时也考虑到容抗及感抗,是真正的内阻。刚才提到电容的ESR单位是mΩ,那是指大电容,若是220μF小容量电容,其ESR单位就不是mΩ而是Ω。

由频率引起的ESR变化

早期的卷制电容经常有很高的ESL,而且容量越大的电容,ESL一般也越大。ESL经常会成为 ESR的一部分,并且ESL也会引发一些电路故障,比如串联谐振等。但是相对容量来说,ESL的比例太小,出现问题的几率很小,再加上电容制作工艺的进步,现在已经逐渐忽略ESL,而把ESR作为除容量之外的主要参考因素了。

顺便,电容也存在一个和电感类似的品质系数Q,这个系数反比于ESR,并且和频率相关,也比较少使用。

由ESR引发的电路故障通常很难检测,而且ESR的影响也很容易在设计过程中被忽视。简单的做法是,在仿真的时候,如果无法选择电容的具体参数,可以尝试在电容上人为串联一个小电阻来模拟ESR的影响,通常的,钽电容的ESR通常都在100毫欧以下,而铝电解电容则高于这个数值,有些种类电容的ESR甚至会高达数欧姆。
  
ESR值与纹波电压的关系可以用公式V=R(ESR)×I表示。这个公式中的V就表示纹波电压,而R表示电容的ESR,I表示电流。可以看到,当电流增大的时候,即使在ESR保持不变的情况下,纹波电压也会成倍提高。

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四、电容的分类

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。

五、电容器的封装

1.直插电容封装
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。

2.对NPO瓷介电容器
对NPO瓷介电容器来讲,主要尺寸有4个:
W——NPO外壳最大宽度
H——NPO外壳高度
F——NPO引脚间距
d——NPO引脚直径
尺寸数据由生产厂家提供,常用的脚间距尺寸为100mil、200mil。

3.贴片多层陶瓷电容封装
主要封装有0402、0603、0805、1206、1210等。

4.高压片状电容器
主要封装有1206、1210、1808、1812、1825、2225、3640等。

5.贴片钽电容封装
主要封装有3216、3528、6032、7343、7343H等。

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六、电容的作用

电容是无处不在的,电容的用途非常多,主要有如下几种:
1.隔直流:作用是阻止直流通过而让交流通过。
2.旁路(去耦):为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。
3.耦合:作为两个电路之间的连接,允许交流信号通过并传输到下一级电路
4.滤波:这个对DIY而言很重要,显卡上的电容基本都是这个作用。
5.温度补偿:针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响,而进行补偿,改善电路的稳定性。
6.计时:电容器与电阻器配合使用,确定电路的时间常数。
7.调谐:对与频率相关的电路进行系统调谐,比如手机、收音机、电视机。
8.整流:在预定的时间开或者关半闭导体开关元件。
9.储能:储存电能,用于必须要的时候释放。例如相机闪光灯,加热设备等等。

七、电容的选择考虑要素

通常,应该如何为我们的电路选择一颗合适的电容呢?应基于以下几点考虑:
静电容量、额定耐压、容值误差、直流偏压下的电容变化量、噪声等级、电容的类型、电容的规格。

那么,又无捷径可寻呢?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。

低频中使用的范围较宽,如可以使用高频特性比较差的;但是在高频电路中就有了很大的限制了,一旦选择不当会影响电路的整体工作状态; 一般的电源里用的有电解电容、和瓷片电容、但是在高频中就要使用云母等价格较贵的电容,就不可以使用绦纶的电容,和电解的电容,因为它们在高频情况下会形成电感,以致影响电路的工作精度。