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有关电容,你必须了解的基础知识,本文总结全了!

最新更新时间:2021-04-28
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基础知识:

了解各个电容器类型的特性以便合理、安全地使用


电容器是模拟和数字电子电路中必不可少的储能器件。这些器件可用于定时、波形生成和整形、阻断直流、交流信号耦合、滤波与平滑,当然还用于储能。由于用途广泛,已经出现了多种使用各种极板材料、绝缘电介质和物理形式的电容器类型。对于这些电容器类型,每一种都适用于特定的应用范围。产品种类繁多意味着需要花时间对所有产品进行分类,以从性能特点、可靠性、使用寿命、稳定性和成本方面为设计找出最佳选择。

 

为了正确地将电容器与预期的电路应用相匹配,需要了解每种电容器的特性。这种了解必须涵盖电容器的电气、物理和经济特性。

 

本文将介绍各种类型的电容器及其特性和关键选择标准。文中将以Murata ElectronicsKEMETCornell Dubilier ElectronicsPanasonic Electronics CorporationAVX Corporation的产品为例,说明电容器的主要区别和属性。





什么是电容器?


电容器是一种在内部电场中储存能量的电子器件。它与电阻器、电感器一样,都是基本的无源电子元件。所有电容器都具有相同的基本结构,两块导电极板中间由绝缘体隔开,该绝缘体称为电介质,可在施加电场后发生极化(图1)。电容值与极板面积A成正比,与极板之间的距离d成反比。


图1:基本电容器由两块导电极板组成,中间用非导电电介质隔开,电介质在两块极板之间的电场中以极化区的形式储存电能。(图片来源:Digi-Key Electronics)
 

第一个电容器是发明于1745年的莱顿瓶。莱顿瓶是一个内外表面都衬有金属箔的玻璃瓶,最初用来储存静电荷。本杰明·富兰克林曾使用莱顿瓶来证明闪电是电现象,这是最早有记载的应用之一。

 

基本平行极板电容器的电容值可通过公式1计算:


公式 1


其中:

  • C是电容,单位为法拉

  • A是极板面积,单位为平方米

  • d是极板之间的距离,单位为米

  • ε是介电材料的介电常数

 

ε等于电介质的相对介电常数εr乘以真空的介电常数ε0。相对介电常数εr通常称为介电常数 k。

 

根据公式1,电容值与介电常数和极板面积成正比,与极板间距成反比。要增加电容值,可以增加极板的面积,减小极板之间的距离。由于真空的相对介电常数为1,而所有电介质的相对介电常数都大于1,因此插入电介质也会增加电容器的电容值。电容器通常由所用介电材料的类型来指代(表1)。

 

表1:按介电材料分类的常见电容器类型的特性。(表格来源:Digi-KeyElectronics)


关于列表条目的一些说明如下:

  • 电容器的相对介电常数或电容率影响既定极板面积和电介质厚度下可达到的最大电容值。

  • 介电强度是电介质耐电压击穿的额定值,是其厚度的函数。

  • 可实现的最小电介质厚度会影响可实现的最大电容值以及电容器的击穿电压。

 

电容器结构

 

电容器有多种物理安装配置,包括轴向、径向和表面贴装(图2)。



图2:电容器安装或配置类型包括轴向、径向和表面贴装。目前,表面贴装的应用非常广泛。(图片来源:Digi-Key Electronics)

 

轴向电容器采用金属箔和电介质层交替结构,或将双面金属化的电介质卷成圆柱形。与导电极板的连接可以通过插入的凸片或圆形的导电端盖来实现。

 

径向型通常则采用金属层和介电层交替叠放结构。金属层在末端桥接在一起。径向和轴向配置适用于通孔安装。

 

表面贴装电容器同样采用导电层和介电层交替结构。每一端的金属层由锡帽桥接,以适合表面贴装。


电容器电路模型


电容器的电路模型包括所有三种无源电路元件(图 3)。


图3:电容器电路模型包含电容、电感和电阻元件。(图片来源:Digi-KeyElectronics)

 

电容器的电路模型包含一个串联电阻元件,其代表导电元件的欧姆电阻及电介质电阻。这称为等效或有效串联电阻 (ESR)。

 

当对电容器施加交流信号时,会产生介电效应。交流电压会使电介质的极化在每个周期都会发生变化,从而导致内部发热。电介质发热量是材料的函数,并通过电介质的耗散因数来度量。耗散因数 (DF) 是电容器电容和ESR的函数,可通过公式2计算:

公式 2


其中:

  • XC是容抗 (Ω)

  • ESR为等效串联电阻 (Ω)

 

由于存在容抗,耗散因数与频率有关,并且无量纲,通常用百分比表示。耗散因数越小,发热越少,从而损耗越低。

 

模型中有一个串联电感元件,称为有效或等效串联电感(ESL)。其代表引线和导电路径电感。串联电感和电容会引起串联共振。低于串联共振频率时,器件主要表现为电容行为,高于串联共振频率时,器件更多表现为电感行为。在许多高频应用中,该串联电感可能是个问题。供应商通过使用径向和表面贴装元件配置中所示的分层结构,可最大限度地减少电感。

 

并联电阻代表电介质的绝缘电阻。各种模型元件的值取决于电容器配置和所选的结构材料。


陶瓷电容器


这类电容器使用陶瓷电介质。陶瓷电容器分为两类:1类和2类。1类基于像二氧化钛这样的顺电陶瓷。这类陶瓷电容器具有高稳定性、良好的电容温度系数和低损耗。由于固有精度的原因,这些器件可用于振荡器、滤波器和其他射频应用中。

 

2类陶瓷电容器使用基于如钛酸钡之类铁电材料的陶瓷电介质。由于这些材料介电常数高,2类陶瓷电容器提供了比1类电容器更高的单位体积电容量,但精度和稳定性较低。它们用于绝对电容值不重要的旁路和耦合应用。

 

Murata Electronics的GCM1885C2A101JA16是陶瓷电容器的一个示例(图4)。这款1类100皮法 (pF) 电容器的容差为5%,额定电压为 100 V,采用表面贴装配置。该电容器适合汽车使用,额定温度为-55°C至+125°C。

图4:GCM1885C2A101JA16是一款1类100pF陶瓷表面贴装电容器,容差为5%,额定电压为100 V。(图片来源:Murata Electronics)


薄膜电容器


薄膜电容器使用塑料薄膜作为电介质。导电极板既可以是箔层,也可以是两个薄金属化层,塑料薄膜每一侧各一层。电介质所用的塑料决定了电容器的特性。薄膜电容器有多种形式:


  • 聚丙烯 (PP):这些器件的容差和稳定性特别好,具有低ESR和ESL以及高额定击穿电压。由于电介质的温度限制,它们只能作为引线器件使用。PP电容器可应用于开关模式电源、镇流器电路、高频放电电路等高功率或高压电路中,也可应用于出于信号完整性而重视低ESR和ESL的音响系统。


  • 聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET):又称为聚酯或聚酯薄膜电容器,这些电容器由于具有较高的介电常数,因此是体积效率最高的薄膜电容器。这些电容器通常作为径向引线器件使用,用于通用电容应用。


  • 聚苯硫醚 (PPS):这些电容器仅作为金属化膜器件生产,具有非常好的温度稳定性,因此适用于需要良好频率稳定性的电路中。


PPS薄膜电容器的一个示例是来自Panasonic Electronics Corporation的ECH-U1H101JX5。该100pF器件的容差为5%,额定电压为50V,采用表面贴装配置。工作温度范围为-55°C至125°C,适用于一般电子应用。

 

聚萘二甲酸乙二醇酯 (PEN):与 PPS 电容器一样,这些电容器只能采用金属化膜设计。它们具有高温耐受性,可采用表面贴装配置。应用集中于需要高温和高压性能的领域。


聚四氟乙烯 (PTFE) 或特氟隆电容器因其耐高温、耐高压性能而著称。它们采用金属化和金属箔结构生产。PTFE电容器大多用于需要暴露于高温的应用。


电解电容器


电解电容器以高电容值和高体积效率而著称。这是通过使用液体电解质作为其一个极板来实现的。铝电解电容器包括四个分开的层:铝箔阴极;电解液浸渍纸隔离层;经过化学处理以形成非常薄氧化铝层的铝阳极;最后是另一个纸隔离层。然后把这些材料层卷起来,放在一个密封的金属罐中。

 

电解电容器是极化、直流 (DC) 器件,这意味着电压必须施加于指定的正负端子。尽管外壳有泄压膜片来控制反应,并最大限度地减少损害的可能性,但如果不能正确连接电解电容器,可能会导致爆炸性故障。

 

电解电容器的主要优点是高电容值、小尺寸和相对较低的成本。这些电容值具有较宽的容差范围和相对较高的漏电流。电解电容器最常见的应用是用作线性和开关电源中的滤波电容器(图 5)。

图5:电解电容器示例;所有器件的电容均为10微法 (µF)。(图片来源:Kemet 和AVX Corp.)

 

在图5中(从左向右),首先是Kemet的ESK106M063AC3FA,这是一款10µF、容差20%、63V的径向引线铝电解电容器。工作温度高达85°C,工作寿命为2,000 小时。该电容器适用于通用电解应用,包括滤波、去耦和旁路操作。

 

铝电解电容器的替代品是铝聚合物电容器,它用固体聚合物电解质代替液体电解质。聚合物铝电容器比铝电解电容器具有更低的ESR和更长的工作寿命。与所有电解电容器一样,它们也是极化的,并作为滤波和去耦电容器应用于电源中。

 

Kemet的A758BG106M1EDAE070是一款10µF、25V 径向引线铝聚合物电容器,在广泛的温度范围内具有更长的寿命和更高的稳定性。该器件适用于手机充电器、医疗电子设备等工业和商业应用。

 

钽电容器是电解电容器的另一种形式。该器件在钽箔上以化学方式形成一层氧化钽。其体积效率优于铝电解电容器,但最大电压水平通常较低。与铝电解电容器相比,钽电容器具有更低的ESR和更高的温度耐受性,这意味着它们能够更好地承受焊接过程。

 

Kemet的T350E106K016AT是一款10µF、容差10%、16V、径向引线钽电容器。它具有小尺寸、低漏电流和低耗散因数等优点,适合滤波、旁路、交流耦合和定时应用。

 

最后一种电解电容器类型是氧化铌电解电容器。铌电解电容器是在钽短缺的情况下发展起来的,它以铌和五氧化二铌代替钽作为电解质。由于介电常数较高,其单位电容封装尺寸较小。

 

氧化铌电解电容器的一个示例是来自AVX Corp.的NOJB106M010RWJ,这是一款采用表面贴装配置的10µF、容差20%、10V电容器。与钽电解电容器一样,它也用于滤波、旁路和交流耦合应用。


云母电容器


云母电容器(多为银云母)的特点是电容容差小 (±1%)、电容温度系数低(通常为50ppm/°C)、耗散因数极低、电容随施加电压的变化小。该器件具有紧公差和高稳定性,适用于射频电路。云母电介质在两侧喷涂银层以提供导电表面。云母是一种稳定的矿物质,不会与大多数常见的电子污染物发生相互作用。

 

Cornell Dubilier Electronics的MC12FD101J-F是一款100pF、容差5%、500 V云母电容器,采用表面贴装配置(图6)。该器件用于MRI、移动无线电、功率放大器和振荡器等射频应用。额定工作温度范围为-55°C至125°C。


图 6:Cornell Dubilier Electronics MC12FD101J-F是一款面向射频应用的表面贴装云母电容器。(图片来源:Cornell Dubilier Electronics)


本文小结


电容器是电子设计中必不可少的元件。多年来,人们开发出了各种类型的电容器,它们特性各异,有些电容器技术只是适合特定的应用。对于设计人员来说,值得花时间掌握各种电容器类型、配置和规格知识,只有这样才能确保为既定应用选择到最佳的器件。

 

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