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用3000字,11张图片,带你认识电容!

2020-12-05 03:03:54 记得诚

废话不多说,直接进入正题。

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简介

一个高档的智能手机里约有800~1000个片式多层陶瓷电容器,一般电路中用的最多的也是电容,可见电容的作用有多大,本文主要介绍电容的一些基本知识点。

两个相互靠近的导体,中间夹一层不导电的绝缘介质,这就构成了电容器。电容器有两个很重要的特性,隔直通交以及电压不能突变,所以经常被用在滤波电路、自举电路、调谐等电路中。

电容的基本单位是F(法拉),常见的单位是uF、nF和pF,换算关系为:1uF=1000nF=1000000pF

因为F的单位较大,1F=1000000uF,一般不用。

命名规则

电容的生产厂家比较多,不同的厂家命名规则不同,如下可以看一下村田的命名规则。

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如GRM代表:Chip Multilayer Ceramic Capacitors for General Purpose。
18代表尺寸:1.6x0.8mm,英制的0603封装。
这部分查看对应厂家的选型手册即可。

串并联计算公式

电容和电阻一样,也可以进行串联和并联。

两个电容C1和C2并联,等效电容为:

C e q = C 1 + C 2 C_{eq}=C1+C2 Ceq=C1+C2

如果C1远大于C2,等效电容可化简为:

C e q = C 1 + C 2 ≈ C 1 C_{eq}=C1+C2≈C1 Ceq=C1+C2C1

两个电容C1和C2串联,等效电容为:

C e q = C 1 C 2 C 1 + C 2 C_{eq}=\frac{C1C2}{C1+C2} Ceq=C1+C2C1C2

如果C1远大于C2,等效电容也可化简为:

C e q = C 1 C 2 C 1 + C 2 ≈ C 1 C 2 C 1 = C 2 C_{eq}=\frac{C1C2}{C1+C2}≈\frac{C1C2}{C1}=C2 Ceq=C1+C2C1C2C1C1C2=C2

从以上公式可以看出,电容的串并联正好和电阻是相反的。

平板电容器公式

电容器是储存电量和电能(电势能)的元件,平板电容器公式为:

C e q = Q U A − U B = ξ r S 4 π k d C_{eq}=\frac{Q}{U_A-U_B}=\frac{\xi_rS}{4\pi kd} Ceq=UAUBQ=4πkdξrS

其中 Q Q Q为电容存储的电荷, U A − U B U_A-U_B UAUB为两极板之间的电势差, ξ r \xi_r ξr相对介电常数, S S S为两极板正对面积, d d d为两极板之间距离。面积越大,距离越小,容值越大。

标准及常用容值

电容的标准容值按照E6,E12,E24数值标准,如下:

  • E6系列取值:1.0、1.5、2.2、3.3、4.7、6.8乘以10的n次方;
  • E12系列取值:1.0、1.2、1.5、1.8、2.2、2.7、3.3、3.9、4.7、5.6、6.8、8.2乘以10的n次方;
  • E24系列取值:1.0、1.1、1.2、1.3、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.7、3.0、3.3、3.6、3.9、4.3、4.7、5.1、5.6、6.2、6.8、7.5、8.2、9.1乘以10的n次方;

在日常的电路设计中,我们常用的容值有:

  • 常用的pF级别:39、43、47、51、56、100、150、200、220、270、300、330、390、470、560、680等。
  • 常用的nF级别:1、1.2、1.5、2.2、2.7、3.3、10、22、33等。
  • 常用的uF级别:0.1、0.15、0.22、0.33、0.47、1、2.2、10uF等。

电容分类

电容的种类很多,根据材料,常用的可分为如下几种,其中钽电解电容一般就称为钽电容。

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如下是村田给出的几种电容器的特性比较。

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根据电容的不同特性,运用场合也不一样。

  • 陶瓷电容体积小(最小的01005封装),无极性,价格便宜,ESR低(低于钽电容和铝电解电容),缺点是容量没有电解电容大,韧性差,撞击易碎,一般多用在小型消费类电子产品中,如手机。
  • 电解电容容量大,体积大,价格相对便宜,多用在电源和汽车电子中;
  • 钽电容容量大,体积小,稳定性相比较铝电解电容高,多用在电源和汽车电子中;
  • 薄膜电容耐压高,频率特性好,高压场合优选。

陶瓷电容

根据EIA和IEC推荐的标准,陶瓷电容可以被分为两类,Class1和Class2,我们常用的X5R和X7R都是属于Class2;

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Class1和Class的介电材料不同,村田给出的两种对比。

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C0G是温补型,可以看出随着温度的变化,静电容量变化率几乎是0

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高诱电率系列的电容器(B/X5R、R/X7R特性),由于施加直流电压,其静电容量有时会不同于标称值,从下图可以看出,施加的直流电压越大,其实际静电容量越低。

对于温度补偿用电容器 (CH、C0G特性等) ,以常诱电性陶瓷作为主要原料,静电容量不因直流电压特性而发生变化。

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C0G类电容的优点是由温度引起的容量变化小,缺点是电容率低,不能有大容量。

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X5R类电容的优点是电容率高,能够具有大电容,缺点是由温度引起的容量变化大。

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钽电容

钽电容一般就长下面这个样子,相比较铝电解电容,体积还是小的。

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钽电容的优点是:

  • 小尺寸大容量
  • 漏电流小
  • 在较高的频率下ESR低,但是没有MLCC低
  • 在低电流下有自修复的能力(依靠把MnO2变成MnO,修复有缺陷的位置)

缺点是耐电压和电流能力相对较弱,过压容易爆炸,电容失效时可能会引起明火。

电容充电和放电

电容的充放电不得不提到时间常数 τ e = R C \tau_e=RC τe=RC,一个 τ e \tau_e τe代表电容充电到电源电压的63%所用的时间。

电容充电公式为:

V c = V 0 + ( V u − V 0 ) ∗ ( 1 − e − t R C ) V_c=V_0+(V_u-V_0)* (1- {\rm e}^{-{\frac{t}{RC}}}) Vc=V0+(VuV0)(1eRCt)

其中 V 0 V_0 V0是电容起始电压, V u V_u Vu是电容充满电的电压,电容从0V开始充,即 V 0 = 0 V V_0=0V V0=0V,则上式可以简化为:

V c = V u ∗ ( 1 − e − t R C ) V_c=V_u*(1- {\rm e}^{-{\frac{t}{RC}}}) Vc=Vu(1eRCt)

当时间为一个 τ e \tau_e τe,可得如下,也就是电容电压充到63%的由来,其中 e e e=2.71828

V c = V u ∗ ( 1 − 1 e ) = 0.63 V u V_c=V_u*(1-{\frac{1}{e}})=0.63V_u Vc=Vu(1e1)=0.63Vu

同理,2个 τ e \tau_e τe的时间可充电到电源电压的87%,3个 τ e \tau_e τe可充到电源电压的95%。

在这里插入图片描述
电容放电的公式为:

V c = V u ∗ e − t R C V_c=V_u*{\rm e}^{-{\frac{t}{RC}}} Vc=VueRCt

其中 V u V_u Vu是放电之前电容上的电压。

电容的作用

电路设计中电容经常被放在电源、射频、音频等地方。

  • 电源端电容主要是滤波,容值越大,越能保证输出电压的稳定性,纹波小。
  • 射频端的电容,主要用于给射频供电储能,以防止瞬间的大电流导致射频断电,因为钽电容的ESR影响效率,因此对电容的ESR要求比较高。
  • 音频的串联电容主要作用是隔直,容量越大,通过的音频范围越大,低音效果越好,ESR越低,对输出功率影响越小,效率越高,但因相对于耳机的阻抗较小,因此对ESR要求不高。

电容的作用非常广泛,以上只是简单举几个例子说明。

实际等效模型

理想的电容器在实际中是不存在的,电容的实际模型是一个ESR串联一个ESL,再串联一个电容,ESR是等效串联电阻,ESL是等效串联电感,C是理想的电容。

所以上述模型的复阻抗为: Z = E S R + j 2 π f E S L + 1 j 2 π f c = E S R + j ( 2 π f E S L − 1 2 π f c ) Z=ESR+j2\pi fESL+\frac1{j2\pi fc}=ESR+j(2\pi fESL-\frac1{2\pi fc}) Z=ESR+j2πfESL+j2πfc1=ESR+j(2πfESL2πfc1)

  • 2 π f E S L < < 1 2 π f c 2\pi fESL<<\frac1{2\pi fc} 2πfESL<<2πfc1时,电容器表现为容性;
  • 2 π f E S L > > 1 2 π f c 2\pi fESL>>\frac1{2\pi fc} 2πfESL>>2πfc1时,电容器表现为感性,因此会有一句话叫高频时电容不再是电容,而呈现为电感,这个电感不是说电容变成了电感,而是指此时的电容拥有了与电感类似的特性。
  • 2 π f E S L = 1 2 π f c 2\pi fESL=\frac1{2\pi fc} 2πfESL=2πfc1时,此时容抗矢量等于感抗矢量,电容的总阻抗最小,表现为纯电阻特性,此时的f称为电容的自谐振频率。

自谐振频率点是区分电容是容性还是感性的分界点,高于谐振点时“电容不再是电容”,因此退耦作用将下降。实际电容器都有一定的工作频率范围,在工作频率范围内,电容才具有很好的退耦作用。ESL是电容在高于自谐振频率点之后退耦功能被消弱的根本原因。

下图是实际电容器的频率特性。

关于电容的实际等效模型可以阅读作者之前写的文章:眼见不一定为实!电阻、电容和电感的实际等效模型

电容参数及选型

电容选型主要考量如下的几个参数。

  • 容量:指的是在室温25℃,在一定频率和幅度的交流信号下测得的容量。
  • 额定电压:指的是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,一般需要降额使用,如降额80%指的是6V额定电压的电容,使用时加在上面的直流电压值不能超过4.8V;但是有一点需要注意,实际电容的额定电压制作都留有一定的余量,如额定电压6V,实际的耐压值可能达到其额定电压的1.5倍左右。
  • 漏电流:测试条件一般是在额定电压下,工作5分钟的平均漏电流。直流的漏电流标准值并非规定的,但绝缘电阻值为规定值,可通过绝缘电阻的规定值及产品额定电压,利用算式I=V/R推算漏电流,即电容的绝缘电阻越大,漏电流越小。
  • 绝缘电阻:指的是常温下,对电容以额定电压值进行充电1分钟/2分钟,将电压值除以1分钟/2分钟的平均漏电流得到绝缘电阻值。
  • ESR:指的是电容的等效串联电阻,其参数可以SPEC中查看,ESR的值会影响电源纹波和PDN仿真,MLCC的ESR一般都很小,mΩ级别,钽电容和铝电解电容一般都是Ω级别。

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常见的电容品牌

常见的电容品牌如村田MURATA、集美KEMET、AVX、TDK、威世VISHAY、宇阳、国巨Yageo等。

今天的文章内容到这里就结束了,希望对你有帮助,关于电容后续应该还会再写一篇文章介绍,我们下一期见。

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