电容的全面讲解

电容的全面讲解

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/sinat_42790736/article/details/146980988

电容是电子工程中一种重要的被动元件，广泛应用于各种电路中。本文将从基本概念、工作原理、分类、参数、应用以及选型注意事项等多个维度，全面解析电容的相关知识。

电容的基本概念

电容是一种能够存储电荷的被动电子元件，由两个导体极板和中间的绝缘介质组成。其基本特性是存储电场能量，其核心功能是 “充放电” 和 “隔直通交”。

定义公式：

电容值的定义为：
其中为存储的电荷量，为两极板间的电压。

单位：

• 国际单位：法拉（F）
• 常用单位：毫法（mF）、微法（μF）、纳法（nF）、皮法（pF）
  1F=1000mF
  1mF=1000μF
  1μF=1000nF
  1nF=1000pF
  1F=mF=μF=nF=pF

容抗公式（交流电路）：

-：容抗（Ω）
-：频率（Hz）
-：电容值（F）

电容的工作原理

电容通过电场存储能量。当电压施加到电容两端时，正负电荷分别聚集在两个极板上，形成电场。

充放电过程：

• 充电：电容连接到电源时，电荷逐渐积累，电压上升，电流逐渐减小至零。
• 放电：断开电源后，电容通过外部电路释放存储的电荷。

电容充放电电路图

电容的分类及符号

按介质分类

1. 电解电容

• 特点：具有极性（需注意正负极），容量大（μF~F级），耐压较高，但高频性能差。
• 子类：
• 铝电解电容：成本低，体积大，寿命较短（受电解质蒸发影响）。
  应用：电源滤波、低频旁路。
• 钽电解电容：体积小，稳定性高，ESR低，但耐压较低且成本高。
  应用：精密电路、高频滤波。
• 固态电解电容：使用导电聚合物电解质，寿命长，高频性能好。
  应用：主板、显卡等高可靠性场景。

铝电解电容
固态电解电容
钽电解电容-直插

2. 陶瓷电容

特点：无极性，体积小，高频性能优异，但容量较小（pFμF级）。
子类（按介质材料与温度特性分类（EIA标准））：
Ⅰ类陶瓷电容（Class I）
-材料：钛酸镁（MgTiO₃）、钛酸锶（SrTiO₃）等，介电常数较低（K < 100）。
-特性：
-超高稳定性：温度系数小（接近零），频率特性优异。
-低损耗：适用于高频、高精度电路。
-容值范围：通常较小（0.1pF ~ 1μF）。
-常见型号：
-COG（NP0）：温度系数 ±0ppm/℃，全温度范围（-55℃125℃）容值几乎不变。
-U2J：温度系数 -750ppm/℃，用于精密滤波。
-应用场景：
-高频电路（射频、振荡器、匹配网络）。
-定时电路（RC时间常数要求稳定）。
-精密仪器（如医疗设备、测试仪器）。
Ⅱ类陶瓷电容（Class II）
-材料：钛酸钡（BaTiO₃）基材料，介电常数高（K > 1000）。
-特性：
-高容量体积比：容值较大（1nF ~ 100μF），但温度稳定性较差。
-非线性温度特性：容值随温度变化明显。
-中等损耗：适合中低频电路。
-常见型号：
-X7R：温度范围 -55℃125℃，容值变化 ±15%。
-X5R：温度范围 -55℃85℃，容值变化 ±15%。
-Y5V：温度范围 -30℃~85℃，容值变化 +22%/-82%（稳定性差）。
-应用场景：
-电源滤波（去耦电容）。
-通用电路（旁路、耦合）。
-消费电子产品（手机、电脑主板）。
子类（按封装形式）：
多层陶瓷电容（MLCC，Multi-Layer Ceramic Capacitor）
-结构：多层陶瓷介质与电极交替叠压，体积小、容值高。
-优势：
-主流贴片封装（如0402、0603、0805）。
-适用于高频和高密度电路。
-应用：高频滤波、去耦、信号耦合。
单层陶瓷电容（瓷片电容）
-结构：单层陶瓷介质，引线直插式。
-优势：耐高压（可达kV级），高频损耗低。
-应用：高压电源、射频功率放大器、高压电路、谐振回路。

独石电容（多层陶瓷电容）

瓷片电容

3. 薄膜电容

• 特点：无极性，耐压高，温度稳定性好，容量范围宽（nF~mF级）。
• 子类（按薄膜材料）：
• 聚酯薄膜电容（PET） ：成本低，但温度稳定性一般。
• 聚丙烯薄膜电容（PP/CBB） ：高频损耗小，适用于交流电路。
• 聚苯硫醚薄膜电容（PPS） ：耐高温，精度高。
• 聚四氟乙烯电容(PTFE) : 超宽温，超低损耗，价格昂贵。
• 聚碳酸酯电容（PC）：容值稳定性高,耐湿热性能好（已逐渐被PPS替代）。
• 子类（按电极结构）：
• 金属箔薄膜电容：耐大电流， 高可靠性。
• 金属化薄膜电容：自愈特性（击穿后局部修复）。
  应用：电机驱动、电源逆变器、音频电路。

薄膜电容

4. 云母电容

• 特点：高频性能极佳，稳定性高，但容量小（pF~nF级），成本高。
• 应用：高频振荡电路、射频滤波。

云母电容

5. 纸介电容

• 特点：老式电容，易受潮，已被薄膜电容取代。

按结构特性分类

1. 固定电容

• 容量不可调，如上述电解电容、陶瓷电容等。

2. 可变电容

• 特点：容量可手动或自动调节。
• 子类：
• 空气可变电容：通过调整极板间距改变容量，用于老式收音机调谐。
• 薄膜可变电容：通过旋转改变极板重叠面积。
• 变容二极管：利用PN结电容随反向电压变化的特性。
  应用：射频调谐、压控振荡器（VCO）。

3. 超级电容（双电层电容）

• 特点：无电解质，通过物理吸附电荷储能，容量极大（法拉级），可快速充放电。
• 应用：储能系统、后备电源、电动汽车能量回收。

超级电容

按用途功能分类

1. 滤波电容

• 用于滤除电源或信号中的噪声，如铝电解电容（低频）和陶瓷电容（高频）。

2. 耦合电容

• 传递交流信号，隔离直流分量，常用陶瓷或薄膜电容。

3. 旁路电容

• 为高频噪声提供低阻抗通路，常用MLCC。

4. 谐振电容

• 与电感组成LC谐振回路，如瓷片电容。

5. 安规电容

• X电容：跨接在火线与零线间，抑制差模干扰，常用金属化薄膜或陶瓷介质电容。
  应用：电源输入滤波（如AC-DC转换器）
• Y电容：跨接在火线/零线与地间，抑制共模干扰，常用陶瓷或聚丙烯薄膜电容。
  应用：电源接地保护、EMI滤波
• 要求：需通过安全认证（如UL、IEC）。

安规电容

按工作频率分类

1. 低频电容：电解电容（<100kHz）。
2. 高频电容：陶瓷电容、云母电容（>1MHz）。

特殊类型电容

1. 贴片电容（SMD）

• 表面封装，体积小，适合自动化生产，如MLCC、钽电容。

MLCC-贴片独石电容

贴片钽电容

2. 功率电容

• 耐大电流，用于电力电子设备，如薄膜电容。

3. 穿心电容

• 通过金属外壳接地，抑制高频干扰，用于射频电路屏蔽。

穿心电容

4. 温度补偿电容

• 容量随温度变化可抵消电路参数漂移，如NPO陶瓷电容。

电容的主要参数

1. 标称容量：电容的额定值（如10μF）。
2. 耐压值：允许的最大工作电压（如25V）。
3. 等效串联电阻（ESR） ：电容内部电阻，影响高频性能。
4. 温度系数：容量随温度变化的特性。

电容的串并联计算

• 并联：总容量
• 串联：总容量

电容的典型应用电路

1. 滤波电路

作用：平滑直流电压，滤除电源或信号中的高频噪声。

• 典型电容：
• 电解电容（如铝电解）：大容量（μF~mF级），滤低频噪声。
• 陶瓷电容（X7R/X5R）：中高频去耦（100nF~10μF）。
• NPO/COG电容：高频去耦（pF~nF级，GHz级电路）。

2.旁路

-数字芯片电源旁路
-位置：直接并联在芯片的电源引脚（VCC）和地（GND）之间。
-案例：
-CPU、FPGA、MCU等数字芯片的每个电源引脚旁。
-常见配置：0.1μF陶瓷电容（滤高频）+ 10μF电解电容（补低频）。
-高频信号电路
-场景：射频模块、高速信号线（如USB、HDMI）、时钟电路。
-电容选择：NPO/COG陶瓷电容（1~100nF），低ESR且高频特性优异。
-开关电源与DC-DC转换器
-作用：抑制开关管（MOSFET）通断产生的高频纹波。
-配置：输入/输出端并联多层陶瓷电容（MLCC）或钽电容。
-放大器的电源净化
-场景：运算放大器、射频放大器的电源引脚旁。
-目的：防止电源噪声通过放大器传递到信号链中。

3.耦合与退耦

耦合电容：隔断直流，传递交流信号（如音频电路）。
退耦电容：消除电源线上的噪声干扰。
典型电容：
-薄膜电容（聚酯/聚丙烯）：低失真，用于音频电路。
-陶瓷电容（X7R/NPO）：小信号高频耦合。

电容耦合电路

4. 定时电路

作用：与电阻组成RC电路，控制时间常数。
RC时间常数τ=R×C
典型电容：
-NPO/COG电容：高精度、低温漂（±1%误差）。
-云母电容：超稳定，用于高频振荡器。

5. 储能电路

作用：短时间内提供大电流（如相机闪光灯）。
典型电容：
-电解电容：大容量储能（如电源断电保护）。
-超级电容：超高容量（法拉级），用于替代微型电池、断电保护、太阳能储能等。

6.调谐

作用：与电感组成LC谐振电路（如射频匹配、天线调谐）。
典型电容：
-空气可变电容：手动调谐（如老式收音机）。
-NPO/微波陶瓷电容：低损耗、高Q值。

选型与注意事项

1.极性：电解电容需注意正负极方向。
2.温度范围：高温环境需选择高温电容。
3.耐压值：额定电压需高于电路最大电压的1.5倍。
4.温度稳定性：高温环境选X7R或NP0材质。
5.ESR与频率：高频电路选择低ESR电容。
6.尺寸：根据PCB空间选择封装。

常见电容类型及适用场景