电容基础知识：原理、功能与选型指南

电容基础知识：原理、功能与选型指南

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CSDN

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https://blog.csdn.net/weixin_51001348/article/details/142151568

电容是电子工程中最为基础且重要的元器件之一，广泛应用于各种电路设计中。从基础的储能功能到复杂的滤波、耦合等应用，电容在现代电子设备中发挥着不可或缺的作用。本文将从电容的基本原理出发，详细介绍其功能、选型要点、不同类型的特点以及在电路设计中的具体应用，帮助读者全面理解这一重要元器件。

一、电容基础

电容由两个金属板中间夹着一层绝缘层构成。当施加电压时，电荷会在金属板上积累，但由于中间的绝缘层阻止了电荷的直接流动，因此电荷只能存储在金属板上。衡量这种存储能力的大小就是电容的值。

电容的单位有法拉（F）、毫法（mF）、微法（μF）、纳法（nF）和皮法（pF），其中常用的单位是μF、nF和pF。它们之间的换算关系为：
1F = 10^3 mF = 10^6 μF = 10^9 nF = 10^12 pF

基本公式包括：

• C = Q/U：电容C等于电荷量Q与电压U的比值
• I = (dU/dt) * C：电容充放电电流I与电压变化率dU/dt和电容C的关系
• Xc = 1/(2πfC)：电容的容抗Xc与频率f和电容C的关系

电容的连接方式有串联和并联两种：

• 两个电容串联时，总电容C = (C1 * C2) / (C1 + C2)
• 两个电容并联时，总电容C = C1 + C2

电容的一个重要特性是“隔直通交”。当外加直流电源时，电容充满后电压等于电源电压；而外加交流电源时，由于电源方向不断变化，电容会持续充电和放电，表现出导通特性（实际上中间是绝缘层，所以不可能真正导通）。

二、电容功能

根据电容在电路中所起的作用不同，可以将其分为以下几种功能：

1. 压降

在需要将高电压降至低电压的应用中，电容可以替代电阻实现电压降压，同时避免能量损耗。例如，要在220V交流电下点亮一个10V的灯泡，可以通过串联电容来实现电压降压。

计算公式为：Xc = 1 / (2πfC)，其中f为频率，C为电容值。例如，要将220V交流电降压至10V，可以计算出需要15μF的电容。为了安全释放电容中的剩余电荷，还需要并联一个电阻。

2. 滤波

电容可以用于滤波电路，如高通滤波器。高通滤波器允许高频信号通过，而阻止低频信号。例如，输入10V直流电压时，由于直流电频率为0Hz，容抗无穷大，输出电压接近0V；而输入高频交流电时，容抗接近0，输出电压接近10V。

值得注意的是，高通滤波器只能削减低频信号，不能完全消除。

3. 去耦

去耦合是指剔除无用信号，筛选有用信号。例如，利用电容的特性去除低频信号，保留高频信号。

4. 旁路

旁路与耦合类似，但旁路剔除的是高频信号，而耦合剔除的是低频信号。旁路电容常用于芯片供电引脚，通过在电源和地之间并联0.1μF电容来去除电源中的交流信号。如果需要更大的电流处理能力，可以并联一个10μF电容以减小纹波。旁路电容通常靠近芯片放置，具体大小可参考芯片的datasheet。

去耦和旁路的主要区别在于：用于对输入信号过滤高频噪声时称为旁路电容；用于对输出信号干扰作为过滤对象时称为去耦电容。

5. 延时

RC延时电路通过电阻和电容的组合实现延时功能。例如，+5V电压通过电阻R1给电容C2充电需要一定时间，从而产生延时效果。

三、电容选型

选择电容时需要考虑以下几个关键参数：

1. 安装方式：有插件（DIP）和贴片（SMD）两种方式。陶瓷电容、铝电解电容、钽电解电容通常选择SMD，安规电容则选择插件。

2. 标称值：电容的大小选择有规范，小于10μF优先选择陶瓷电容，小于几百μF优先选择铝电解电容和钽电解电容，大于几百μF优先选择铝电解电容。

3. 精度：电容的误差值有多种规格，如A(±0.05 pF)、B(±0.10 pF)、C(±0.25 pF)、D(±0.50 pF)、F(±1.0%)、G(±2.0%)、J(±5.0%)、K(±10.0%)、M(±20.0%)、S（+50%、-20%）、Z（+80%、-20%）。设计中常用J、K、M、S、Z。

4. 额定电压：电容能够长期承受的最高直流电压有效值。在交流电路中，所加的交流电压最高不能超过电容器的直流工作电压值。一般来说，封装越大，耐压值越高。

5. 绝缘电阻：电容两端施加电压时产生的漏电流，绝缘性越好，漏电流越小。

6. 温度系数：电容值随温度变化的敏感度。温度系数越大，电容值随温度变化越大。在振荡回路、滤波电路等场合，应选用温度系数小的电容器以保证电路稳定性。

四、电容分类

1. 陶瓷电容

陶瓷电容是设计中最常用的电容类型，具有无极性、耐压好、耐温好、ESR小、滤波效果好的优点。缺点是常用于小容量电容（一般10μF以下），大容量时价格昂贵。

根据电容介质不同，可分为Ⅰ类和Ⅱ类电容：

• Ⅰ类电容：电性能稳定，不随温度、电压等环境因素变化。包括COG、COH等类型，常用于射频电路、震荡电路、温度补偿电路。
• Ⅱ类电容：容量更大，常用于隔直、耦合、旁路等电路（如X7R、X5R）。Y5V介质的电容容量最大，但对温度、电压敏感。

2. 安规电容

安规电容在失效后不会导致电击，确保人身安全。根据连接方式不同，可分为X电容和Y电容：

• X电容：用于火线和零线之间，消除干扰信号。X电容能够抑制差模干扰，通常采用金属化薄膜电容器，容量为μF级。在X电容上通常会印刷耐压值、安全认证标识等。为了泄放残留电荷，X电容两端并联一个1MΩ电阻。

X电容分为X1（峰值电压≥2.5kV且≤4.0kV）和X2（峰值电压≤2.5kV）。

• Y电容：通常为陶瓷类电容器，成对出现。Y电容分为Y1（峰值电压≥8kV、额定电压≥250V）和Y2（峰值电压≥5kV、额定电压≥150V且≤250V）。Y1产品电气间隙最小为8.0mm，Y2产品电气间隙不低于6.3mm，以避免产生电弧现象。Y电容连接方式为L-G、N-G，可以起到共模抑制的作用。容量通常为nF级，一般不超过0.1μF。

3. 电解电容

电解电容主要包括铝电解电容和钽电解电容：

• 铝电解电容：大部分使用贴片式，但为了节约成本也可以用直插式。铝电解电容有丝印的为负极。相对于钽电容，铝电容容量大、耐压好、价格便宜，但ESR较大、耐温差。

• 钽电解电容：相对于铝电容，钽电容ESR较小，容量和耐温都比陶瓷电容好，但价格昂贵。钽电容有丝印标记为正极，使用时切忌误插反，否则可能引发安全事故。

五、电容的ESR、ESL

ESR（等效串联电阻）

ESR是电容的等效串联电阻，反映了电容在实际使用中由于材料电阻、绝缘材质损耗等因素导致的能量损耗。ESR值与纹波电压的关系公式为V = R（ESR）× I，其中V表示纹波电压，R表示电容的ESR，I表示电流。当电流增大时，即使ESR保持不变，纹波电压也会成倍增加。

ESL（等效串联电感）

ESL是电容的等效串联电感，一般来说，容量越大的电容，ESL也越大。ESL可能会引发一些电路故障，比如串联谐振等。但在设计中，通常将ESL作为ESR的一部分考虑，因为其比例相对较小，且随着电容制作工艺的进步，ESL的影响已逐渐减小。

在电路设计中，常用一个大电容并联一个小电容用于滤波。其中大电容滤低频，小电容滤高频，这是因为大电容ESL较大，对高频信号的响应较差。为了同时通过高频和低频信号，采用大电容和小电容并联的方法。

此外，电容上的ESL会使实际电路形成LC谐振电路。当电路的自谐振频率（FSR）大于电容的FSR时，电容会呈现感性；当FSR小于电容FSR时，抑制干扰的效果会降低。