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电容——电路板上数量最多的元器件之一

2023-07-08 nieziwei

我们通常说的电容,实际上指的是电容器

电容,亦称作“电容量”,是指在给定电位差下自由电荷的储藏量,记为C,国际单位是法拉(F)。一般来说,电荷在电场中会受力而移动,当导体之间有了介质,则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上,造成电荷的累积储存,储存的电荷量则称为电容。
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。当电容器的两个极板之间加上电压时,电容器就会储存电荷。电容器的电容量在数值上等于一个导电极板上的电荷量与两个极板之间的电压之比。电容器的电容量的基本单位是法拉(F)。在电路图中通常用字母C表示电容元件。

目录

  • 电容分类

  • 单位转换及容量标识

  • 主要参数及选型思路

  • 几个应用电路

电容分类:

1、按照结构分三大类:固定电容器、可变电容器和微调电容器;
2、按电介质分类:有机介质电容器、无机介质电容器、电解电容器、电热电容器和空气介质电容器等;
3、按用途分有:高频旁路电容器、低频旁路电容器、滤波电容器、调谐电容器、高频耦合电容器、低频耦合电容器、小型电容器;
4、按制造材分类:瓷介电容、涤纶电容、电解电容、钽电容等等;
5、高频旁路:陶瓷电容器、云母电容器、玻璃膜电容器、涤纶电容器、玻璃釉电容器;
6、低频旁路:纸介电容器、陶瓷电容器、铝电解电容器、涤纶电容器;
7、滤波:铝电解电容器、纸介电容器、复合纸介电容器、液体钽电容器;
8、调谐:陶瓷电容器、云母电容器、玻璃膜电容器、聚苯乙烯电容器;
9、低耦合:纸介电容器、陶瓷电容器、铝电解电容器、涤纶电容器、固体钽电容器;
10、小型电容:金属化纸介点同期、陶瓷点同期、铝电解电容器、聚苯乙烯电容器、固体钽电容器、玻璃釉电容器、金属化涤纶电容器、聚丙烯电容器、云母电容器。

总类虽多,但我们只需关注出现频率高的几个的即可。电解电容、陶瓷电容、钽电容

电解电容:电解电容的金属箔为正极(铝或钽),与正极紧贴金属的氧化膜(氧化铝或五氧化二钽)是电介质,阴极由导电材料、电解质(电解质可以是液体或固体)和其他材料共同组成,因电解质是阴极的主要部分,电解电容因此而得名。

电解电容的容量普遍比较大,按照“是否有极性”可以分为有极性电解电容和无极性电解电容;无极性电解电容大概长这样子:

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无极性电解电容没有正负之分,通常用于音响分频电路、电视机S校正电路及单相电动机的起动电路等;

有极性的电解电容顾名思义式有方向的,其正负不可接错(否则可能会炸)。有极性电解电容通常用于电源电路或在中频、低频电路中起电源滤波、退耦、信号耦合、隔直流等作用,一般不能用于交流电源电路;在直流电源电路中做滤波电容使用时,其阳极(正极)应与电源电压的正极端相连接,阴极(负极)与电源电压的负极端相连接,不能接反。

那么,该怎么判断其方向呢?看下图:

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左为引线铝电解电容,右为贴片型铝电解电容

图中左侧为铝电解电容,右侧为贴片铝电解电容,画绿线处即为负极,直插式的电解电容还可以判断管脚的长短来判断正负极,长脚代表正极,短脚代表负极;电解电容的表面还可以看到电容的具体容值和厂家(产品)信息。

陶瓷电容:陶瓷电容器又称为瓷介电容器或独石电容器,顾名思义,瓷介电容器就是介质材料为陶瓷的电容器。根据陶瓷材料的不同,可以分为低频陶瓷电容器和高频陶瓷电容器两类。按结构形式分类,又可分为圆片状电容器、管状电容器、矩形电容器、片状电容器、穿心电容器等多种,陶瓷电容没有方向之分。这里主要关注的是片式多层陶瓷电容器(MLCC)。

片式多层陶瓷电容器(MLCC)是由印好电极(内电极)的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来,经一次性高温烧结形成陶瓷芯片,再在芯片的两端封上金属层(外电极),从而形成一个类似独石的结构体,因此也叫独石电容器,其容量一般较小:

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我们电路板上常见的贴片电容中片式多层陶瓷电容占了很大一部分:

MLCC按照温度特性、材质、生产工艺可以分成如下几种:NP0、C0G、Y5V、Z5U、X7R、X5R等。NP0、C0G温度特性平稳、容值小、价格高;Y5V、Z5U温度特性大、容值大、价格低;X7R、X5R则介于以上两种之间。
MLCC具有小尺寸、高比容、高精度的特点,常见的封装有0402、0603、0805、1206等,可贴装于印制电路板(PCB)、混合集成电路(HIC)基片,有效地缩小电子信息终端产品(尤其是便携式产品)的体积和重量,提高产品可靠性。顺应了IT产业小型化、轻量化、高性能、多功能的发展方向,国家2010年远景目标纲要中明确提出将表面贴装元器件等新型元器件作为电子工业的发展重点。它不仅封装简单、密封性好,而且能有效地隔离异性电极。
MLCC在实际电路中应用广泛,其在电子线路中可以起到存储电荷、阻断直流、滤波、祸合、区分不同频率及使电路调谐等作用。在高频开关电源、计算机网络电源和移动通信设备中可部分取代有机薄膜电容器和电解电容器,并大大提高高频开关电源的滤波性能和抗干扰性能。

钽电容:钽电容全称是钽电解电容,属于电解电容的一种,是电容器中体积小而又能达到较大电容量的产品;它使用金属钽做介质(普通电解电容使用的是电解液),钽电容不需像普通电解电容那样使用镀了铝膜的电容纸绕制,本身几乎没有电感:

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钽电容由于介质层是由阳极金属在电解液中氧化而成,而生成的介质薄膜在外加电压的作用下产生热量,容易使其生产电阻率很高的氧化物,从而相当于修复了氧化膜中存在缺陷、裂痕等疵点,即具有自愈作用。这种独特自愈性能,保证了其长寿命和可靠性的优势。
固体钽电容器电性能优良,工作温度范围宽,而且形式多样,体积效率优异,具有其独特的特征:钽电容器的工作介质是在钽金属表面生成的一层极薄的五氧化二钽膜。此层氧化膜介质与组成电容器的一端极结合成一个整体,不能单独存在。由于阳极块中具有很多微孔结构,使其单位体积内所具有的电容量特别大,即比容量高,因此适宜于小型化电路板。
钽电容价格较相同容量及相同耐压的铝电解电容贵,而且耐电压及电流能力较弱,它被应用于大容量滤波或整流的地方,但由于其耐压耐流能力问题,像CPU插槽附近就不会看到钽电容的身影。
目前常见的钽电容有三种失效模式:电压型、电流型和发热型,在失效后容易引起爆裂燃烧,这使得它在防火防爆场景下的应用受到了限制。

钽电容具有单向导电性,应用时也需要注意极性,阳极和阴极不能接反,深色的一端为阳极

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钽电容能存储电量,可进行充放电,主要应用在滤波电路、交流旁路等电路,由于钽电容具有体积小容量大的特点,因此在高集成度的电路中具有独特的优势。

单位转换及容量标识:

电容的电容量的基本单位是法拉“F”,法拉是一个很大的单位,我们日常见到的电容大都是uF、nF和pF这三种规格。电容的换算如下:

1F = 1000mF = 1000 000uF = 1000 000 000nF = 1000 000 000 000pF。

电容除了直接标识容值,还有一种用三位数字表达的方式(类似贴片电阻的表示方式),下表列举几个容值标识:

容量标识实际值常见表示
22622 000 000pF22uF
104100 000pF100nF、0.1uF
47347 000pF100nF、0.1uF
(0)R560.56pFR表示小数点
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