电容

抄录:电子实物凡亿教育

定义：
由两片金属膜紧靠，中间用绝缘材料隔开而组成的元件。 两片
金属称为的极板，中间的物质叫做介质。
单位：
电容的基本单位为“法拉” (F)。
一般用它的导出单位：“微法拉” (UF)、 “纳法拉” (NF)、
“皮法” (PF)。 1F=106uF=109nF=1012pF

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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1.什么是电容？

 

    百度百科中介绍"电容器，通常简称其容纳电荷的本领为电容，用字母C表示。定义1：电容器，顾名思义，是'装电的容器'，是一种容纳电荷的器件。英文名称：capacitor。电容器是电子设备中大量使用的电子元件之一，广泛应用于电路中的隔直通交，耦合，旁路，滤波，调谐回路，能量转换，控制等方面。定义2：电容器，任何两个彼此绝缘且相隔很近的导体（包括导线）间都构成一个电容器。"

    我们知道电容的基本功能就是充电和放电，而电容的充放电也使得电容两端没有电压突变。电容的基本特性是：通交流，隔直流；通高频，阻低频。

电容对于硬件工程师来说也是一个非常重要的元件，对电容的熟练应用也是基本功之一。电容是电路设计中最为常见的器件，但同时电容也是最容易被忽略的器件。很多单板的设计失败，有时根本原因就在电容。

2.电容的阻抗及特性参数

电容的阻抗：Xc = 1/(wC) = 1/(2*π*f*C)。 对于同一个f，C越大，Xc越小。对于同一个C，f越高，Xc越小。

电容的主要特征参数：

额定电压：这个使我们硬件设计时候非常关心的。如果电压超过电容器的耐压，电容器可能被击穿，造成不可修复的永久损伤。一般情况下，无极性电容的额定电压较高，极性电容的额定电压较低。一般情况下电容选型的时候必须满足降额要求：铝电解电容降额70%，钽电容降额50%，陶瓷电容降额60%。
标称容值：容值的大小跟介质的介电常数有很大关系。介电常数一般情况下一般用来求解电容容值以及相关的高频计算。我们需要知道的是介电常数越大导电性能越好，导体的磁化率越高。在高频和射频领域，介电常数又转化为复介电常数。
容差：表示实际电容与标称容值的允许误差范围。

极限温度：电容器设计所确定的能连续工作的额环境温度范围。 根据类别不同分为85°、125°、150°、175°、200°。
损耗：电容在电场作用下，单位时间内因发热所消耗的能量。在规定频率的正弦电压下，电容器的损耗功率除以电容器的无功功率为损耗角正切：

    电容的损耗主要由介质损耗、电导损耗和电容所有金属部分的电阻所引起的。对于高频信号，这个参数尤为重要。

等效串联电阻（ESR）：电容器电极到引出端的电阻。损耗较大产品的ESR较大，随着容量的增加，产品的ESR将变小。钽电容的ESR特别小。
漏电流：电容器在特定温度和额定电压下存在的直流漏导电流。电容容量越大 ，漏电流越大；电压越高，漏电流越大。
 

3.电容的等效模型

我们知道，不管是电阻还是电容都不是理想状态的，电容由于受封装和材料的影响，实际电容还有寄生的电感和电阻。

 

ESR：由电阻器的引脚电阻与电容器两个极板的等效电阻相串联构成的，其大小取决于电容的工作温度、工作频率以及电容本身的导线电阻。ESR主要影响电容的损耗指标和电容的阻值。
较大的ESR有三个不利：
首先，较大的ESR产生较大的损耗。
其次对于交流耦合，如果ESR较大，相当于交流电路串联一个电阻产生衰减。
最后，并联在电源和地之间的电容的作用是为噪声提供一个低阻抗回路，较大的ESR无法起作用。因此在重要的电源滤波电路上往往需要并联多个电容，最大程度降低ESR。
ESL：由电容器的引脚电感与电容器两个极板的等效电感串联构成。在低频信号输入时，ESL的作用很小。在高频信号输入时，ESL的作用很大。ESL的大小主要取决于封装尺寸。

泄露电阻Bleak:就是我们通常所说的电阻器泄露电阻。
等效模型中的C、ESR、ESL使得电容的阻抗频率特性分为三部分：这部分内容太多，直接拷贝。

 

4.电容的分类与封装

分类：一般情况下电路板上我们遇到更多的是陶瓷电容和铝电解电容。对于陶瓷电容经常遇到II类电容X7R和Y5V。下面也对铝电解电容 进行了简单的介绍。

 

电容这个东西是一门学问，特别是对于高频和射频的行业来说，对电容的理解必须比较高。对于硬件设计来说，我们一般用到陶瓷电容和铝电解电容，每种电容又分很多类，描述起来比较麻烦。而实际应用时候，我们使用的电容都是公司封装好的，会提供给你部分用于选择的参数，直接用，遇到的时候如果有问题可以看下电容对应的数据手册。具体就不说了，想了解的话可以百度或者https://wenku.baidu.com/view/f3a6a859a32d7375a41780f3.html 。

封装：电容的封装和电阻的封装类似的，可参考下电阻的封装。需要知道的是，在电路设计的时候，电阻一般不建议使用0201封装的，但电容是可以的，因为电容和电阻的作用不同。
5.电容的应用

比较专业的说法，电容主要有三个作用：

电荷缓冲池。高速电路中，电源的负载是动态的即电流和功耗是不断变化的。当外部环境的变化；驱使器件的工作电压增加或者减少时，电容能够通过积累或者释放电荷以吸收这种变化，从而保持器件工作电压的稳定。
高频噪声的泄放通路。高速电路状态的改变将在电路上产生大量的噪声干扰，从频谱上看，这些干扰在相当大程度上处于有效信号的2次、3次等倍频频率，根据Z=1/（jwC），当频率较高时，电容表现为低阻抗，作为泄放通路。
交流耦合。当两个器件通过高速信号相连，信号两端的器件可能对直流分量有不同的要求。基于电容的通交流阻直流特性实现对直流的隔离。耦合电容不能太大，否则将无法满足高速信号变换的边沿斜率要求，一般取耦合电容的容值为0.1uF。
 

在高速电路中，应选取ESL值小的贴片电容，供电线上至少分布两个电容，一个是虑除外界对CPU引脚的干扰（放在靠近COU），一个是消除CPU引脚对外界的影响（放在远离CPU位置）。
高速设计中，噪声等干扰往往不是处在一个频率点上，而是占据一段带宽。利用多种不同的电容构造一个比较宽的低阻抗频带，尽可能覆盖噪声频带。
若干相同的电容并联在一起，一方面起到去耦电容小池塘作用，另一方面是在谐振点上得到更低的阻抗，但并未拓宽低阻抗频带。

 

 

陶瓷电容：体积小，价格低，但容量小，几时pF到几十uF之间。贴片式陶瓷电容的ESR值一般都比较小，高频滤波有优势，但在电源电路设计中，必须同时搭配使用铝解电容使用。
铝电解电容使用电解液作为介质，外壳的铝制圆筒作为负极，内部插入一块金属板作为正极。铝电容容量大、耐压高，但温度稳定性差，精度差，高频滤波性能差，仅适用于低频滤波。
去耦电容：1.为保证器件稳定工作而给器件电源提供的本地"小池塘"。2.为高速运行器件产生的高频噪声提供一条就近流入地平面的低阻抗路径，以免这些干扰影响该电源的其他负载。
旁路电容：为前级（如电源产生的高频噪声等干扰）提供一条流到地平面的低阻抗路径，以免这些干扰影响正在高速工作的器件。去耦电容和旁路电容没有本质的区别。
对低频去耦时，我们可选用大的电容（如电解电容，10uF），此电容的谐振频率较低。
对高频去耦时，则选用谐振频率高的小电容（如0.1uF）。
如果要求去耦的频段较大，我们可以用容值相差100倍的一个小电容和一个大电容并联：
当信号频率小于50MHz时，我们使用传统的去耦电容（0.01uF或0.1uF）是有效的；
当频率在50~500MHz之间时，此时我们选取的原则是：如对窄频带进行去耦，首先尽量选择大小相等的几个电容，这样谐振时，阻抗只有单个电容的1/N，不能用大小不同，因会产生谐振。
相同体积的电容，标的电压越大，其容量越小(uF)。因为q=Cu，q是电容当前电荷数,它和电容的体积基本上成正比.
电容的选型必须满足降额要求：铝电解电容降额70%，钽电容降额50%，陶瓷电容降额60%。
电压超过12V(包括12v)的应用电路不要选用 钽电容。

>>>百度百科中给出的电容器作用就比较详细了：

●耦合：用在耦合电路中的电容称为耦合电容，在阻容耦合放大器和其他电容耦合电路中大量使用这种电容电路，起隔直流通交流作用[2]  。

●滤波：用在滤波电路中的电容器称为滤波电容，在电源滤波和各种滤波器电路中使用这种电容电路，滤波电容将一定频段内的信号从总信号中去除[2]  。

●退耦：用在退耦电路中的电容器称为退耦电容，在多级放大器的直流电压供给电路中使用这种电容电路，退耦电容消除每级放大器之间的有害低频交连[2]  。

●高频消振：用在高频消振电路中的电容称为高频消振电容，在音频负反馈放大器中，为了消振可能出现的高频自激，采用这种电容电路，以消除放大器可能出现的高频啸叫[2]  。

●谐振：用在LC谐振电路中的电容器称为谐振电容，LC并联和串联谐振电路中都需这种电容电路[2]  。

●旁路：用在旁路电路中的电容器称为旁路电容，电路中如果需要从信号中去掉某一频段的信号，可以使用旁路电容电路，根据所去掉信号频率不同，有全频域（所有交流信号）旁路电容电路和高频旁路电容电路[2]  。

●中和：用在中和电路中的电容器称为中和电容。在收音机高频和中频放大器，电视机高频放大器中，采用这种中和电容电路，以消除自激[2]  。

●定时：用在定时电路中的电容器称为定时电容。在需要通过电容充电、放电进行时间控制的电路中使用定时电容电路，电容起控制时间常数大小的作用[2]  。

●积分：用在积分电路中的电容器称为积分电容。在电势场扫描的同步分离电路中，采用这种积分电容电路，可以从场复合同步信号中取出场同步信号[2]  。

●微分：用在微分电路中的电容器称为微分电容。在触发器电路中为了得到尖顶触发信号，采用这种微分电容电路，以从各类（主要是矩形脉冲）信号中得到尖顶脉冲触发信号[2]  。

●补偿：用在补偿电路中的电容器称为补偿电容，在卡座的低音补偿电路中，使用这种低频补偿电容电路，以提升放音信号中的低频信号，此外，还有高频补偿电容电路[2]  。

●自举：用在自举电路中的电容器称为自举电容，常用的OTL功率放大器输出级电路采用这种自举电容电路，以通过正反馈的方式少量提升信号的正半周幅度[2]  。

●分频：在分频电路中的电容器称为分频电容，在音箱的扬声器分频电路中，使用分频电容电路，以使高频扬声器工作在高频段，中频扬声器工作在中频段，低频扬声器工作在低频段[2]  。

●负载电容：是指与石英晶体谐振器一起决定负载谐振频率的有效外界电容。负载电容常用的标准值有16pF、20pF、30pF、50pF和100pF。负载电容可以根据具体情况作适当的调整，通过调整一般可以将谐振器的工作频率调到标称值[2]  。
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