一文讀懂電容的工作原理

1、一文讀懂電容的工作原理、分類選擇與應(yīng)用2017-03-27 電子發(fā)燒友網(wǎng)電容的工作原理及電容的選擇應(yīng)用？什么是電容？電容的單位是什么？本文將詳細(xì)為您解答！ 話說電容之一：電容的作用作為無源元件之一的電容，其作用不外乎以下幾種：1、應(yīng)用于電源電路，實(shí)現(xiàn)旁路、去藕、濾波和儲(chǔ)能的作用。下面分類詳述之：1）旁路旁路電容是為本地器件提供能量的儲(chǔ)能器件，它能使穩(wěn)壓器的輸出均勻化，降低負(fù)載需求。 就像小型可充電電池樣，旁路電容能夠被充電，并向器件進(jìn)行放電。 為盡量減少阻抗，旁路電容要盡量靠近負(fù)載器件的供電電源管腳和地管腳。 這能夠很好地防止輸入值過大而導(dǎo)致的地電位抬高和噪聲。地彈是地連接處在通過大電流毛刺時(shí)

2、的電壓降。2）去藕去藕，又稱解藕。 從電路來說， 總是可以區(qū)分為驅(qū)動(dòng)的源和被驅(qū)動(dòng)的負(fù)載。如果負(fù)載電容比較大， 驅(qū)動(dòng)電路要把電容充電、放電， 才能完成信號(hào)的跳變，在上升沿比較陡峭的時(shí)候， 電流比較大， 這樣驅(qū)動(dòng)的電流就會(huì)吸收很大的電源電流，由于電路中的電感，電阻（特別是芯片管腳上的電感，會(huì)產(chǎn)生反彈），這種電流相對(duì)于正常情況來說實(shí)際上就是一種噪聲，會(huì)影響前級(jí)的正常工作，這就是所謂的“耦合”。去藕電容就是起到一個(gè)“電池”的作用，滿足驅(qū)動(dòng)電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾。將旁路電容和去藕電容結(jié)合起來將更容易理解。旁路電容實(shí)際也是去藕合的，只是旁路電容一般是指高頻旁路，也就是給高頻的開關(guān)噪聲高一條低

3、阻抗泄防途徑。高頻旁路電容一般比較小，根據(jù)諧振頻率一般取0.1F、0.01F 等；而去耦合電容的容量一般較大，可能是10F 或者更大，依據(jù)電路中分布參數(shù)、以及驅(qū)動(dòng)電流的變化大小來確定。旁路是把輸入信號(hào)中的干擾作為濾除對(duì)象，而去耦是把輸出信號(hào)的干擾作為濾除對(duì)象，防止干擾信號(hào)返回電源。這應(yīng)該是他們的本質(zhì)區(qū)別。3）濾波從理論上（即假設(shè)電容為純電容）說，電容越大，阻抗越小，通過的頻率也越高。但實(shí)際上超過1F 的電容大多為電解電容，有很大的電感成份，所以頻率高后反而阻抗會(huì)增大。有時(shí)會(huì)看到有一個(gè)電容量較大電解電容并聯(lián)了一個(gè)小電容，這時(shí)大電容通低頻，小電容通高頻。電容的作用就是通高阻低，通高頻阻低頻。電容越

4、小低頻越容易通過，電容越大高頻越容易通過。具體用在濾波中，大電容（1000F）濾低頻，小電容（20pF）濾高頻。曾有網(wǎng)友形象地將濾波電容比作“水塘”。由于電容的兩端電壓不會(huì)突變，由此可知，信號(hào)頻率越高則衰減越大，可很形象的說電容像個(gè)水塘，不會(huì)因幾滴水的加入或蒸發(fā)而引起水量的變化。它把電壓的變動(dòng)轉(zhuǎn)化為電流的變化，頻率越高，峰值電流就越大，從而緩沖了電壓。濾波就是充電，放電的過程。4）儲(chǔ)能儲(chǔ)能型電容器通過整流器收集電荷，并將存儲(chǔ)的能量通過變換器引線傳送至電源的輸出端。 電壓額定值為40450VDC、電容值在220150 000F 之間的鋁電解電容器（如EPCOS 公司的 B43504 或B4350

5、5）是較為常用的。根據(jù)不同的電源要求，器件有時(shí)會(huì)采用串聯(lián)、并聯(lián)或其組合的形式， 對(duì)于功率級(jí)超過10KW 的電源，通常采用體積較大的罐形螺旋端子電容器。2、應(yīng)用于信號(hào)電路，主要完成耦合、振蕩/同步及時(shí)間常數(shù)的作用：1）耦合舉個(gè)例子來講，晶體管放大器發(fā)射極有一個(gè)自給偏壓電阻，它同時(shí)又使信號(hào)產(chǎn)生壓降反饋到輸入端形成了輸入輸出信號(hào)耦合， 這個(gè)電阻就是產(chǎn)生了耦合的元件，如果在這個(gè)電阻兩端并聯(lián)一個(gè)電容， 由于適當(dāng)容量的電容器對(duì)交流信號(hào) 較小的阻抗，這樣就減小了電阻產(chǎn)生的耦合效應(yīng)，故稱此電容為去耦電容。2）振蕩/同步包括RC、LC 振蕩器及晶體的負(fù)載電容都屬于這一范疇3）時(shí)間常數(shù)這就是常見的 R、C 串聯(lián)構(gòu)

6、成的積分電路。當(dāng)輸入信號(hào)電壓加在輸入端時(shí)，電容（C）上的電壓逐漸上升。而其充電電流則隨著電壓的上升而減小。電流通過電阻（R）、電容（C）的特性通過下面的公式描述：i = （V / R）e - （t / CR）話說電容之二：電容的選擇通常，應(yīng)該如何為我們的電路選擇一顆合適的電容呢？筆者認(rèn)為，應(yīng)基于以 下幾點(diǎn)考慮：1、靜電容量；2、額定耐壓；3、容值誤差；4、直流偏壓下的電容變化量；5、噪聲等級(jí)；6、電容的類型；7、電容的規(guī)格。那么，是否有捷徑可尋呢？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，據(jù)此可以

7、獲得基本的器件選擇要求，然后再進(jìn)一步完善細(xì)化之。其實(shí)選用電容時(shí)不僅僅是只看容量和封裝，具體要看產(chǎn)品所使用環(huán)境，特殊的電路必須用特殊的電容。下面是 chip capacitor 根據(jù)電介質(zhì)的介電常數(shù)分類， 介電常數(shù)直接影響電路的穩(wěn)定性。NP0 or CH （K 150）： 電氣性能最穩(wěn)定，基本上不隨溫度電壓與時(shí)間的改變而改變，適用于對(duì)穩(wěn)定性要求高的高頻電路。鑒于K 值較小，所以在0402、0603、0805 封裝下很難有大容量的電容。如 0603 一般最大的 10nF以下。X7R or YB （2000 K 4000）： 電氣性能較穩(wěn)定，在溫度電壓與時(shí)間改變時(shí)性能的變化并不顯著（？C ±

8、;10%）。適用于隔直、偶合、旁路與對(duì)容量穩(wěn)定性要求不太高的全頻鑒電路。Y5V or YF（K 15000）： 容量穩(wěn)定性較 X7R 差（？C +20% -80%），容量損耗對(duì)溫度、電壓等測(cè)試條件較敏感，但由于其K 值較大，所以適用于一些容值要求較高的場(chǎng)合。話說電容之三：電容的分類電容的分類方式及種類很多，基于電容的材料特性，其可分為以下幾大類：1、鋁電解電容電容容量范圍為0.1F 22000F，高脈動(dòng)電流、長(zhǎng)壽命、大容量的不二之選，廣泛應(yīng)用于電源濾波、解藕等場(chǎng)合。2、薄膜電容電容容量范圍為0.1pF 10F，具有較小公差、較高容量穩(wěn)定性及極低的壓電效應(yīng)，因此是X、Y 安全電容、EMI/EMC

9、 的首選。3、鉭電容電容容量范圍為2.2F 560F，低等效串聯(lián)電阻（ESR）、低等效串聯(lián) 電感（ESL）。脈動(dòng)吸收、瞬態(tài)響應(yīng)及噪聲抑制都優(yōu)于鋁電解電容，是高穩(wěn)定電源的理想選擇。4、陶瓷電容電容容量范圍為0.5pF 100F，獨(dú)特的材料和薄膜技術(shù)的結(jié)晶，迎合了當(dāng)今“更輕、更薄、更節(jié)能“的設(shè)計(jì)理念。5、超級(jí)電容電容容量范圍為0.022F 70F，極高的容值，因此又稱做“金電容”或者“法拉電容”。主要特點(diǎn)是：超高容值、良好的充/放電特性，適合于電能存儲(chǔ) 和電源備份。缺點(diǎn)是耐壓較低，工作溫度范圍較窄。話說電容之四：多層陶瓷電容（MLCC）對(duì)于電容而言，小型化和高容量是永恒不變的發(fā)展趨勢(shì)。其中，要數(shù)多

10、層陶瓷電容（MLCC）的發(fā)展最快。多層陶瓷電容在便攜產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用極為廣泛，但近年來數(shù)字產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步對(duì)其提出了新要求。例如，手機(jī)要求更高的傳輸速率和更高的性能；基帶處理器要求高速度、低電壓；LCD 模塊要求低厚度（0.5mm）、大容量電容。 而汽車環(huán)境的苛刻性對(duì)多層陶瓷電容更有特殊的要求：首先是耐高溫，放置于其中的多層陶瓷電容必須能滿足150 的工作溫度；其次是在電池電路上需要短路失效保護(hù)設(shè)計(jì)。也就是說，小型化、高速度和高性能、耐高溫條件、高可靠性已成為陶瓷電容的關(guān)鍵特性。陶瓷電容的容量隨直流偏置電壓的變化而變化。直流偏置電壓降低了介電常數(shù)， 因此需要從材料方面，降低介電常數(shù)對(duì)電壓的依賴，優(yōu)

11、化直流偏置電壓特性。應(yīng)用中較為常見的是 X7R（X5R）類多層陶瓷電容， 它的容量主要集中在1000pF 以上，該類電容器主要性能指標(biāo)是等效串聯(lián)電阻（ESR），在高波紋電 流的電源去耦、濾波及低頻信號(hào)耦合電路的低功耗表現(xiàn)比較突出。另一類多層陶瓷電容是 C0G 類，它的容量多在 1000pF 以下， 該類電容器主要性能指標(biāo)是損耗角正切值 tg（DF）。傳統(tǒng)的貴金屬電極（NME）的 C0G 產(chǎn)品 DF 值范圍是 （2.0 8.0） × 10-4，而技術(shù)創(chuàng)新型賤金屬電極（BME）的C0G 產(chǎn)品 DF 值范圍為 （1.0 2.5） × 10-4， 約是前者的 31 50%。 該 類

12、產(chǎn)品在載有 T/R 模塊電路的 GSM、CDMA、無繩電話、藍(lán)牙、GPS 系統(tǒng)中低功耗特性較為顯著。較多用于各種高頻電路，如振蕩/同步器、定時(shí)器電路等。話說電容之五：鉭電容替代電解電容的誤區(qū)通常的看法是鉭電容性能比鋁電容好，因?yàn)殂g電容的介質(zhì)為陽極氧化后生成 的五氧化二鉭，它的介電能力（通常用 表示）比鋁電容的三氧化二鋁介質(zhì)要高。因此在同樣容量的情況下，鉭電容的體積能比鋁電容做得更小。（電解電容的電 容量取決于介質(zhì)的介電能力和體積，在容量一定的情況下，介電能力越高，體積 就可以做得越小，反之，體積就需要做得越大）再加上鉭的性質(zhì)比較穩(wěn)定，所以 通常認(rèn)為鉭電容性能比鋁電容好。但這種憑陽極判斷電容性能

13、的方法已經(jīng)過時(shí)了，目前決定電解電容性能的關(guān) 鍵并不在于陽極，而在于電解質(zhì)，也就是陰極。因?yàn)椴煌年帢O和不同的陽極可 以組合成不同種類的電解電容，其性能也大不相同。采用同一種陽極的電容由于 電解質(zhì)的不同，性能可以差距很大，總之陽極對(duì)于電容性能的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于陰極。 還有一種看法是認(rèn)為鉭電容比鋁電容性能好，主要是由于鉭加上二氧化錳陰 極助威后才有明顯好于鋁電解液電容的表現(xiàn)。如果把鋁電解液電容的陰極更換為 二氧化錳， 那么它的性能其實(shí)也能提升不少?？梢钥隙?，ESR 是衡量一個(gè)電容特性的主要參數(shù)之一。 但是，選擇電容，應(yīng)避免 ESR 越低越好，品質(zhì)越高越好等誤區(qū)。衡量一個(gè)產(chǎn)品，一定要全方位、 多角度的去

14、考慮，切不可把電容的作用有意無意的夸大。-以上引用了部分網(wǎng)友的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。普通電解電容的結(jié)構(gòu)是陽極和陰極和電解質(zhì)，陽極是鈍化鋁，陰極是純鋁， 所以關(guān)鍵是在陽極和電解質(zhì)。陽極的好壞關(guān)系著耐壓電介系數(shù)等問題。一般來說，鉭電解電容的ESR 要比同等容量同等耐壓的鋁電解電容小很多， 高頻性能更好。如果那個(gè)電容是用在濾波器電路（比如中心為50Hz 的帶通濾波益。然而，這需要你在PCB 面積、器件數(shù)目與成本之間尋求折衷。話說電容之六：電解電容的電參數(shù)這里的電解電容器主要指鋁電解電容器，其基本的電參數(shù)包括下列五點(diǎn)：1、電容值電解電容器的容值，取決于在交流電壓下工作時(shí)所呈現(xiàn)的阻抗。因此容值， 也就是交流電容值，

15、隨著工作頻率、電壓以及測(cè)量方法的變化而變化。在標(biāo)準(zhǔn) JISC 5102 規(guī)定：鋁電解電容的電容量的測(cè)量條件是在頻率為 120Hz，最大交 流電壓為 0.5Vrms，DC bias 電壓為1.5 2.0V 的條件下進(jìn)行?？梢詳嘌裕?鋁電解電容器的容量隨頻率的增加而減小。2、損耗角正切值 Tan 在電容器的等效電路中，串聯(lián)等效電阻 ESR 同容抗 1/C 之比稱之為 Tan ， 這里的 ESR 是在 120Hz 下計(jì)算獲得的值。顯然，Tan 隨著測(cè)量頻率 的增加而變大，隨測(cè)量溫度的下降而增大。3、阻抗 Z在特定的頻率下，阻礙交流電流通過的電阻即為所謂的阻抗（Z）。它與電 容等效電路中的電容值、電感

16、值密切相關(guān)，且與 ESR 也有關(guān)系。Z = ESR2 + （XL - XC）2 式中，XC = 1 / C = 1 / 2fCXL = L = 2fL電容的容抗（XC）在低頻率范圍內(nèi)隨著頻率的增加逐步減小，頻率繼續(xù)增加 達(dá)到中頻范圍時(shí)電抗（XL）降至 ESR 的值。當(dāng)頻率達(dá)到高頻范圍時(shí)感抗（XL） 變?yōu)橹鲗?dǎo)，所以阻抗是隨著頻率的增加而增加。4、漏電流電容器的介質(zhì)對(duì)直流電流具有很大的阻礙作用。然而，由于鋁氧化膜介質(zhì)上 浸有電解液，在施加電壓時(shí)，重新形成的以及修復(fù)氧化膜的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一種很小 的稱之為漏電流的電流。通常，漏電流會(huì)隨著溫度和電壓的升高而增大。5、紋波電流和紋波電壓在一些資料中將此二者稱

17、做“漣波電流”和“漣波電壓”，其實(shí)就是 ripple current，ripple voltage。 含義即為電容器所能耐受紋波電流/電壓值。 它們和ESR 之間的關(guān)系密切，可以用下面的式子表示：Urms = Irms × R式中，Vrms 表示紋波電壓Irms 表示紋波電流R 表示電容的 ESR由上可見，當(dāng)紋波電流增大的時(shí)候，即使在 ESR 保持不變的情況下，漣波電壓也會(huì)成倍提高。換言之，當(dāng)紋波電壓增大時(shí)，紋波電流也隨之增大，這也是要求電容具備更低 ESR 值的原因。疊加入紋波電流后，由于電容內(nèi)部的等效串連電阻（ESR）引起發(fā)熱，從而影響到電容器的使用壽命。一般的，紋波電流與 頻率

18、成正比，因此低頻時(shí)紋波電流也比較低。話說電容之七：電容器參數(shù)的基本公式1、容量（法拉）英制： C = （ 0.224 × K · A） / TD公制： C = （ 0.0884 × K · A） / TD2、電容器中存儲(chǔ)的能量E = 1/2 CV23、電容器的線性充電量I = C （dV/dt）4、電容的總阻抗（歐姆）Z = RS2 + （XC XL）2 5、容性電抗（歐姆）XC = 1/（2fC）6、相位角 理想電容器：超前當(dāng)前電壓 90o理想電感器：滯后當(dāng)前電壓 90o理想電阻器：與當(dāng)前電壓的相位相同7、耗散系數(shù) （%）D.F. = tan （損耗角

19、）= ESR / XC= （2fC）（ESR）8、品質(zhì)因素Q = cotan = 1/ DF9、等效串聯(lián)電阻ESR（歐姆）ESR = （DF） XC = DF/ 2fC10、功率消耗Power Loss = （2fCV2） （DF）11、功率因數(shù)PF = sin （loss angle） cos （相位角）12、均方根rms = 0.707 × Vp13、千伏安KVA （千瓦）KVA = 2fCV2 × 10-314、電容器的溫度系數(shù)T.C. = （Ct C25） / C25 （Tt 25） × 10615、容量損耗（%）CD = （C1 C2） / C1 

20、15; 10016、陶瓷電容的可靠性L0 / Lt = （Vt / V0） X （Tt / T0）Y17、串聯(lián)時(shí)的容值n 個(gè)電容串聯(lián)：1/CT = 1/C1 + 1/C2 + ，。 + 1/Cn兩個(gè)電容串聯(lián)：CT = C1 · C2 / （C1 + C2）18、并聯(lián)時(shí)的容值CT = C1 + C2 + ，。 + Cn19、重復(fù)次數(shù)（Againg Rate）A.R. = % C / decade of time上述公式中的符號(hào)說明如下：K = 介電常數(shù)A = 面積TD = 絕緣層厚度V = 電壓t = 時(shí)間RS = 串聯(lián)電阻f = 頻率L = 電感感性系數(shù) = 損耗角 = 相位角L0

21、= 使用壽命Lt = 試驗(yàn)壽命Vt = 測(cè)試電壓V0 = 工作電壓Tt = 測(cè)試溫度T0 = 工作溫度X ， Y = 電壓與溫度的效應(yīng)指數(shù)。話說電容之八：電源輸入端的X，Y 安全電容在交流電源輸入端，一般需要增加三個(gè)電容來抑制EMI 傳導(dǎo)干擾。交流電源的輸入一般可分為三根線：火線（L）/零線（N）/地線（G）。在火線和地線之間及在零線和地線之間并接的電容，一般稱之為Y 電容。這兩個(gè)Y電容連接的位置比較關(guān)鍵，必須需要符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，以防引起電子設(shè)備漏電或機(jī)殼帶電，容易危及人身安全及生命，所以它們都屬于安全電容，要求電容值不能偏大，而耐壓必須較高。一般地，工作在亞熱帶的機(jī)器，要求對(duì)地漏電電流不能

22、超0.7mA；工作在溫帶機(jī)器，要求對(duì)地漏電電流不能超過0.35mA。因此，Y 電容的總?cè)萘恳话愣疾荒艹^4700pF。特別提示：Y 電容為安全電容，必須取得安全檢測(cè)機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。Y 電容的耐壓一般都標(biāo)有安全認(rèn)證標(biāo)志和AC250V 或AC275V 字樣，但其真正的直流耐壓高達(dá)5000V 以上。因此，Y 電容不能隨意使用標(biāo)稱耐壓AC250V，或DC400V之類的普通電容來代用。在火線和零線抑制之間并聯(lián)的電容，一般稱之為X 電容。由于這個(gè)電容連接的位置也比較關(guān)鍵，同樣需要符合安全標(biāo)準(zhǔn)。因此，X 電容同樣也屬于安全電容之一。X 電容的容值允許比Y 電容大，但必須在X 電容的兩端并聯(lián)一個(gè)安全電阻，用于防止電源線拔插時(shí)，由于該電容的充放電過程而致電源線插頭長(zhǎng)時(shí)間帶電。安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)正在工作之中的機(jī)器電源線被拔掉時(shí)，在兩秒鐘內(nèi)，電源線插頭兩端帶電的電壓（或?qū)Φ仉娢唬┍仨毿∮谠瓉眍~定工作電壓的30%。同理，X 電容也是安全電容，必須取得安全檢測(cè)機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。X 電容的耐壓一般都標(biāo)有安全認(rèn)證標(biāo)志和AC250V 或AC275V 字樣，但其真正的直流耐壓高達(dá)2000V 以上，使用的時(shí)候不要隨意使用標(biāo)稱耐壓AC250V，或DC400V 之類的普通電容來