PCB課堂：電容選型與應(yīng)用知識(shí)大全

電容是電子設(shè)備中最基礎(chǔ)也是最重要的元件之一。體積雖小,卻作用巨大,小到閃盤、數(shù)碼相機(jī),大到航天飛機(jī)、火箭中都可以見(jiàn)到它的身影。電子工程師在電路設(shè)計(jì)中的濾波、耦合、隔直以及處理小信號(hào)中的振蕩、延時(shí)和應(yīng)對(duì)EMC/EMI時(shí),都會(huì)面臨著電容的選型、靜電容量、容值誤差、噪聲、型號(hào)匹配等諸多問(wèn)題的挑戰(zhàn)。

電容廣泛應(yīng)用于隔直,耦合, 旁路,濾波,調(diào)諧回路, 能量轉(zhuǎn)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(hào)命名方法

國(guó)產(chǎn)電容器的型號(hào)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(hào)。
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(shù)字表示,個(gè)別用字母表示。
第四部分:序號(hào),用數(shù)字表示。
用字母表示產(chǎn)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(fù)合介質(zhì)、I-玻璃釉、J-金屬化紙、L-滌綸等極性有機(jī)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(biāo)示

1、直標(biāo)法
用數(shù)字和單位符號(hào)直接標(biāo)出。如01uF 表示0.01 微法,有些電容用“R”表
示小數(shù)點(diǎn),如R56 表示0.56 微法。
2、文字符號(hào)法
用數(shù)字和文字符號(hào)有規(guī)律的組合來(lái)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(biāo)法
用色環(huán)或色點(diǎn)表示電容器的主要參數(shù)。電容器的色標(biāo)法與電阻相同。電容器偏差標(biāo)志符號(hào):+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(shù)

1、標(biāo)稱電容量和允許偏差
標(biāo)稱電容量是標(biāo)志在電容器上的電容量。電容器實(shí)際電容量與標(biāo)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(jí)與允許誤差對(duì)應(yīng)關(guān)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(jí),電解電容器用Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級(jí),根據(jù)用途選取。

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

3、絕緣電阻
直流電壓加在電容上,并產(chǎn)生漏電電流,兩者之比稱為絕緣電阻。當(dāng)電容較小時(shí),主要取決于電容的表面狀態(tài),容量〉0.1uf 時(shí),主要取決于介質(zhì)的性能,絕緣電阻越大越好。電容的時(shí)間常數(shù):為恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)大容量電容的絕緣情況而引入了時(shí)間常數(shù),他等于電容的絕緣電阻與容量的乘積。

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

5、頻率特性
隨著頻率的上升,一般電容器的電容量呈現(xiàn)下降的規(guī)律。

我們著重來(lái)講一下——ESR(等效電阻)和ESL(等效電感),ESR和ESL是電容的兩個(gè)參數(shù)。一只電容器會(huì)因其構(gòu)造而產(chǎn)生各種阻抗、感抗,比較重要的就是ESR等效串聯(lián)電阻及ESL等效串聯(lián)電感——這就是容抗的基礎(chǔ)。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(jí)系列。

ESR的高低,與電容器的容量、電壓、頻率及溫度…都有關(guān)連,當(dāng)額定電壓固定時(shí),容量愈大 ESR愈低。有人習(xí)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(lián)阻值降低。但若考慮電容接腳焊點(diǎn)的阻抗,以小并大,不見(jiàn)得一定會(huì)有收獲。

反過(guò)來(lái)說(shuō),當(dāng)容量固定時(shí),選用高WV額定電壓的品種也能降低 ESR;故耐壓高確實(shí)好處多多。頻率的影響:低頻時(shí)ESR高,高頻時(shí)ESR低;當(dāng)然,高溫也會(huì)造成ESR的提升。

由圖2可看出,在諧振點(diǎn),電容器與ESL不存在阻抗(僅ESR存在阻抗),諧振點(diǎn)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(lián)等效電阻ESR的單位是mΩ。若比較低內(nèi)阻及低漏電流兩種特性,則低內(nèi)阻容易達(dá)成,故標(biāo)示low ESR的電容倒很常見(jiàn)。ESR與損失角有關(guān)聯(lián),ESR=tanδ/(ω×Cs),Cs是電容量。 有時(shí)電容器規(guī)格上會(huì)有Z,它與ESR的意義不同,但Z的計(jì)算示與ESR有關(guān),同時(shí)也考慮到容抗及感抗,是真正的內(nèi)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(jīng)常有很高的ESL,而且容量越大的電容,ESL一般也越大。ESL經(jīng)常會(huì)成為 ESR的一部分,并且ESL也會(huì)引發(fā)一些電路故障,比如串聯(lián)諧振等。但是相對(duì)容量來(lái)說(shuō),ESL的比例太小,出現(xiàn)問(wèn)題的幾率很小,再加上電容制作工藝的進(jìn)步,現(xiàn)在已經(jīng)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(gè)和電感類似的品質(zhì)系數(shù)Q,這個(gè)系數(shù)反比于ESR,并且和頻率相關(guān),也比較少使用。

由ESR引發(fā)的電路故障通常很難檢測(cè),而且ESR的影響也很容易在設(shè)計(jì)過(guò)程中被忽視。簡(jiǎn)單的做法是,在仿真的時(shí)候,如果無(wú)法選擇電容的具體參數(shù),可以嘗試在電容上人為串聯(lián)一個(gè)小電阻來(lái)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(gè)數(shù)值,有些種類電容的ESR甚至?xí)哌_(dá)數(shù)歐姆。
  
ESR值與紋波電壓的關(guān)系可以用公式V=R(ESR)×I表示。這個(gè)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?？梢钥吹?當(dāng)電流增大的時(shí)候,即使在ESR保持不變的情況下,紋波電壓也會(huì)成倍提高。

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四、電容的分類

1、按照結(jié)構(gòu)分三大類:固定電容器、可變電容器和微調(diào)電容器。
2、按電解質(zhì) 分類有:有機(jī)介質(zhì)電容器、無(wú)機(jī)介質(zhì)電容器、電解電容器和空氣介
質(zhì)電容器等。
3、按用途分有:高頻旁路、低頻旁路、濾波、調(diào)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(fù)合紙介電容器、液體鉭電容器。
7、調(diào)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(duì)鋁電解電容器來(lái)講,主要尺寸有4個(gè):
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(lái)說(shuō),額定電壓高、容值大的電解電容器尺寸大。

2.對(duì)NPO瓷介電容器
對(duì)NPO瓷介電容器來(lái)講,主要尺寸有4個(gè):
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(shù)據(jù)由生產(chǎn)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(wú)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(guò)而讓交流通過(guò)。
2.旁路(去耦):為交流電路中某些并聯(lián)的元件提供低阻抗通路。
3.耦合:作為兩個(gè)電路之間的連接,允許交流信號(hào)通過(guò)并傳輸?shù)较乱患?jí)電路
4.濾波:這個(gè)對(duì)DIY而言很重要,顯卡上的電容基本都是這個(gè)作用。
5.溫度補(bǔ)償:針對(duì)其它元件對(duì)溫度的適應(yīng)性不夠帶來(lái)的影響,而進(jìn)行補(bǔ)償,改善電路的穩(wěn)定性。
6.計(jì)時(shí):電容器與電阻器配合使用,確定電路的時(shí)間常數(shù)。
7.調(diào)諧:對(duì)與頻率相關(guān)的電路進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)諧,比如手機(jī)、收音機(jī)、電視機(jī)。
8.整流:在預(yù)定的時(shí)間開(kāi)或者關(guān)半閉導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件。
9.儲(chǔ)能:儲(chǔ)存電能,用于必須要的時(shí)候釋放。例如相機(jī)閃光燈,加熱設(shè)備等等。

七、電容的選擇考慮要素

通常,應(yīng)該如何為我們的電路選擇一顆合適的電容呢?應(yīng)基于以下幾點(diǎn)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(jí)、電容的類型、電容的規(guī)格。

那么,又無(wú)捷徑可尋呢?其實(shí),電容作為器件的外圍元件,幾乎每個(gè)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(shù),也就是說(shuō),據(jù)此可以獲得基本的器件選擇要求,然后再進(jìn)一步完善細(xì)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(dāng)會(huì)影響電路的整體工作狀態(tài); 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(jià)格較貴的電容,就不可以使用絳綸的電容,和電解的電容,因?yàn)樗鼈冊(cè)诟哳l情況下會(huì)形成電感,以致影響電路的工作精度。