电容基础知识简介--作用、参数和类型
作为三大基础电子元件(电阻、电容和电感)之一,在实际应用中几乎找不到不含有电容的电路板。电容的组成其实非常简单,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,电容的作用也非常简单,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,虽然从作为三大基础电子元件(电阻、电容和电感)之一,在实际应用中几乎找不到不含有电容的电路板。电容的组成其实非常简单,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,电容的作用也非常简单,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。
一、电容的作用
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。
1.旁路和去耦:
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,而去耦电容则主要用于信号的输出端,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)或者低频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,以最大程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。
2.储能
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。
3.耦合
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。
4.软启动
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。
二、电容的参数
标称容量、精度、额定电压、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、工作温度范围、使用寿命等。
温度系数:指在一定范围内,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。是电容非常重要的参数之一。
三、电容的类型
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,结构简单,价格低廉,容量范围宽(几pF~几百μF),体积小,损耗小,因此应用非常广泛,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(0.5~104pF)。
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,可以根据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性变化的,容量范围为300pF~3.3μF。Y5V的稳定性比X7R差,在-30℃ ~ +85℃范围内容量变化为-82%~+22%。
薄膜电容:以金属箔为电极,电子级塑料薄膜作为介质。根据介质材料的不同又分为聚乙酯电容、聚丙烯电容、聚苯乙烯电容、聚碳酸酯电容和涤纶电容等。其中,聚苯乙烯电容的绝缘电阻高达100GΩ,漏电流极低,介质损耗小,精度高,可在部分高频电路中替代云母电容,但是体积较大,工作温度。
聚丙烯电容(CBB电容)与聚苯乙烯电容的性能类似,但是体积较小,价格低,温度系数略大于聚苯乙烯。
涤纶电容具有介电常数较高,体积小,容量大,稳定性较好等特点,适宜做旁路电容。
铝电解电容:最常见的电容之一,由铝圆筒做负极,里面装有液体电解质,插入一片弯曲的铝带做正极制成。容量大(可以做到F级),成本极低,但是漏电流大,稳定性差,有正负极在电源滤波和低频电路中应用非常广泛。
钽电解电容:是所有电容中体积小而又能达到较大容量的产品,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,主要用于差模滤波。Y电容是指零线与地、火线与地之间的电容,主要用于共模滤波。