電容是電子設備中最基礎也是最重要的元件之一。體積雖小,卻作用巨大,小到閃盤、數碼相機,大到航天飛機、火箭中都可以見到它的身影。電子工程師在電路設計中的濾波、耦合、隔直以及處理小信號中的振蕩、延時和應對EMC/EMI時,都會面臨著電容的選型、靜電容量、容值誤差、噪聲、型號匹配等諸多問題的挑戰。

電容廣泛應用于隔直,耦合, 旁路,濾波,調諧回路, 能量轉換,控制電路等方面。用C 表示電容,電容單位有法拉(F)、微法拉(uF)、皮法拉(pF),1F=10^6uF=10^12pF。

一、電容的型號命名方法

國產電容器的型號一般由四部分組成(不適用于壓敏、可變、真空電容器)。依次分別代表名稱、材料、分類和序號。
第一部分:名稱,用字母表示,電容器用C。
第二部分:材料,用字母表示。
第三部分:分類,一般用數字表示,個別用字母表示。
第四部分:序號,用數字表示。
用字母表示產品的材料:A-鉭電解、B-聚苯乙烯等非極性薄膜、C-高頻陶瓷、D-鋁電解、E-其它材料電解、G-合金電解、H-復合介質、I-玻璃釉、J-金屬化紙、L-滌綸等極性有機薄膜、N-鈮電解、O-玻璃膜、Q-漆膜、T-低頻陶瓷、V-云母紙、Y-云母、Z-紙介。

二、電容器容量標示

1、直標法
用數字和單位符號直接標出。如01uF 表示0.01 微法,有些電容用“R”表
示小數點,如R56 表示0.56 微法。
2、文字符號法
用數字和文字符號有規律的組合來表示容量。如p10 表示0.1pF,1p0 表示
1pF,6P8 表示6.8pF, 2u2 表示2.2uF。
3、色標法
用色環或色點表示電容器的主要參數。電容器的色標法與電阻相同。電容器偏差標志符號:+100%-0--H、+100%-10%--R、+50%-10%--T、+30%-10%--Q、+50%-20%--S、+80%-20%--Z。

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三、電容器主要特性參數

1、標稱電容量和允許偏差
標稱電容量是標志在電容器上的電容量。電容器實際電容量與標稱電容量的偏差稱誤差,在允許的偏差范圍稱精度。精度等級與允許誤差對應關系:00(01)-±1%、0(02)-±2%、Ⅰ-±5%、Ⅱ-±10%、Ⅲ-±20%、Ⅳ-(+20%-10%)、Ⅴ-(+50%-20%)、Ⅵ-(+50%-30%)一般電容器常用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級,電解電容器用Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級,根據用途選取。

2、額定電壓
在最低環境溫度和額定環境溫度下可連續加在電容器的最高直流電壓有效值,一般直接標注在電容器外殼上,如果工作電壓超過電容器的耐壓,電容器擊穿,造成不可修復的永久損壞。

3、絕緣電阻
直流電壓加在電容上,并產生漏電電流,兩者之比稱為絕緣電阻。當電容較小時,主要取決于電容的表面狀態,容量〉0.1uf 時,主要取決于介質的性能,絕緣電阻越大越好。電容的時間常數:為恰當的評價大容量電容的絕緣情況而引入了時間常數,他等于電容的絕緣電阻與容量的乘積。

4、損耗
電容在電場作用下,在單位時間內因發熱所消耗的能量叫做損耗。各類電容都規定了其在某頻率范圍內的損耗允許值,電容的損耗主要由介質損耗,電導損耗和電容所有金屬部分的電阻所引起的。在直流電場的作用下,電容器的損耗以漏導損耗的形式存在,一般較小,在交變電場的作用下,電容的損耗不僅與漏導有關,而且與周期性的極化建立過程有關。

5、頻率特性
隨著頻率的上升,一般電容器的電容量呈現下降的規律。

我們著重來講一下——ESR(等效電阻)和ESL(等效電感),ESR和ESL是電容的兩個參數。一只電容器會因其構造而產生各種阻抗、感抗,比較重要的就是ESR等效串聯電阻及ESL等效串聯電感——這就是容抗的基礎。電容器提供電容量,要電阻干嘛?故ESR及ESL也要求低;但low ESR/low ESL通常都是高級系列。

ESR的高低,與電容器的容量、電壓、頻率及溫度…都有關連,當額定電壓固定時,容量愈大 ESR愈低。有人習慣用將多顆小電容并接成一顆大電容以降低阻抗,其理論是電阻并聯阻值降低。但若考慮電容接腳焊點的阻抗,以小并大,不見得一定會有收獲。

反過來說,當容量固定時,選用高WV額定電壓的品種也能降低 ESR;故耐壓高確實好處多多。頻率的影響:低頻時ESR高,高頻時ESR低;當然,高溫也會造成ESR的提升。

由圖2可看出,在諧振點,電容器與ESL不存在阻抗(僅ESR存在阻抗),諧振點的頻率由電容器和ESL決定。由圖3分析可知各元件成分決定阻抗的特性。串聯等效電阻ESR的單位是mΩ。若比較低內阻及低漏電流兩種特性,則低內阻容易達成,故標示low ESR的電容倒很常見。ESR與損失角有關聯,ESR=tanδ/(ω×Cs),Cs是電容量。 有時電容器規格上會有Z,它與ESR的意義不同,但Z的計算示與ESR有關,同時也考慮到容抗及感抗,是真正的內阻。剛才提到電容的ESR單位是mΩ,那是指大電容,若是220μF小容量電容,其ESR單位就不是mΩ而是Ω。

由頻率引起的ESR變化

早期的卷制電容經常有很高的ESL,而且容量越大的電容,ESL一般也越大。ESL經常會成為 ESR的一部分,并且ESL也會引發一些電路故障,比如串聯諧振等。但是相對容量來說,ESL的比例太小,出現問題的幾率很小,再加上電容制作工藝的進步,現在已經逐漸忽略ESL,而把ESR作為除容量之外的主要參考因素了。

順便,電容也存在一個和電感類似的品質系數Q,這個系數反比于ESR,并且和頻率相關,也比較少使用。

由ESR引發的電路故障通常很難檢測,而且ESR的影響也很容易在設計過程中被忽視。簡單的做法是,在仿真的時候,如果無法選擇電容的具體參數,可以嘗試在電容上人為串聯一個小電阻來模擬ESR的影響,通常的,鉭電容的ESR通常都在100毫歐以下,而鋁電解電容則高于這個數值,有些種類電容的ESR甚至會高達數歐姆。
  
ESR值與紋波電壓的關系可以用公式V=R(ESR)×I表示。這個公式中的V就表示紋波電壓,而R表示電容的ESR,I表示電流。可以看到,當電流增大的時候,即使在ESR保持不變的情況下,紋波電壓也會成倍提高。

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四、電容的分類

1、按照結構分三大類:固定電容器、可變電容器和微調電容器。
2、按電解質 分類有:有機介質電容器、無機介質電容器、電解電容器和空氣介
質電容器等。
3、按用途分有:高頻旁路、低頻旁路、濾波、調諧、高頻耦合、低頻耦合、小型電容器。
4、頻旁路:陶瓷電容器、云母電容器、玻璃膜電容器、滌綸電容器、玻璃釉電容器。
5、低頻旁路:紙介電容器、陶瓷電容器、鋁電解電容器、滌綸電容器。
6、濾波:鋁電解電容器、紙介電容器、復合紙介電容器、液體鉭電容器。
7、調諧:陶瓷電容器、云母電容器、玻璃膜電容器、聚苯乙烯電容器。
8、高頻耦合:陶瓷電容器、云母電容器、聚苯乙烯電容器。
9、低耦合:紙介電容器、陶瓷電容器、鋁電解電容器、滌綸電容器、固體鉭電容器。
10、小型電容:金屬化紙介電容器、陶瓷電容器、鋁電解電容器、聚苯乙烯電 容器、固體鉭電容器、玻璃釉電容器、金屬化滌綸電容器、聚丙烯電容器、云母電容器。

五、電容器的封裝

1.直插電容封裝
對鋁電解電容器來講,主要尺寸有4個:
L——電解電容器高度
D——電解電容器直徑
F——電解電容器2引腳間距
d——電解電容器引腳直徑
一般來說,額定電壓高、容值大的電解電容器尺寸大。

2.對NPO瓷介電容器
對NPO瓷介電容器來講,主要尺寸有4個:
W——NPO外殼最大寬度
H——NPO外殼高度
F——NPO引腳間距
d——NPO引腳直徑
尺寸數據由生產廠家提供,常用的腳間距尺寸為100mil、200mil。

3.貼片多層陶瓷電容封裝
主要封裝有0402、0603、0805、1206、1210等。

4.高壓片狀電容器
主要封裝有1206、1210、1808、1812、1825、2225、3640等。

5.貼片鉭電容封裝
主要封裝有3216、3528、6032、7343、7343H等。

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六、電容的作用

電容是無處不在的,電容的用途非常多,主要有如下幾種:
1.隔直流:作用是阻止直流通過而讓交流通過。
2.旁路(去耦):為交流電路中某些并聯的元件提供低阻抗通路。
3.耦合:作為兩個電路之間的連接,允許交流信號通過并傳輸到下一級電路
4.濾波:這個對DIY而言很重要,顯卡上的電容基本都是這個作用。
5.溫度補償:針對其它元件對溫度的適應性不夠帶來的影響,而進行補償,改善電路的穩定性。
6.計時:電容器與電阻器配合使用,確定電路的時間常數。
7.調諧:對與頻率相關的電路進行系統調諧,比如手機、收音機、電視機。
8.整流:在預定的時間開或者關半閉導體開關元件。
9.儲能:儲存電能,用于必須要的時候釋放。例如相機閃光燈,加熱設備等等。

七、電容的選擇考慮要素

通常,應該如何為我們的電路選擇一顆合適的電容呢?應基于以下幾點考慮:
靜電容量、額定耐壓、容值誤差、直流偏壓下的電容變化量、噪聲等級、電容的類型、電容的規格。

那么,又無捷徑可尋呢?其實,電容作為器件的外圍元件,幾乎每個器件的 Datasheet 或者 Solutions,都比較明確地指明了外圍元件的選擇參數,也就是說,據此可以獲得基本的器件選擇要求,然后再進一步完善細化之。

低頻中使用的范圍較寬,如可以使用高頻特性比較差的;但是在高頻電路中就有了很大的限制了,一旦選擇不當會影響電路的整體工作狀態; 一般的電源里用的有電解電容、和瓷片電容、但是在高頻中就要使用云母等價格較貴的電容,就不可以使用絳綸的電容,和電解的電容,因為它們在高頻情況下會形成電感,以致影響電路的工作精度。