电容原理及选用

天狼晓月

电容原理及选用

2011-02-13 11:18:22|  分类： 电子电脑 |  标签：电容器  安规  容量  电压  电解   
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陶瓷电容

制作原理　　

  

  

用高介电常数的电容器陶瓷〈钛酸钡一氧化钛〉挤压成圆管、圆片或圆盘作为介质，并用烧渗法将银镀在陶瓷上作为电极制成。它又分高频瓷介和低频瓷介两种。具有小的正电容温度系数的电容器，用于高稳定振荡回路中，作为回路电容器及垫整电容器。低频瓷介电容器限于在工作频率较低的回路中作旁路或隔直流用，或对稳定性和损耗要求不高的场合〈包括高频在内〉。这种电容器不宜使用在脉冲电路中，因为它们易于被脉冲电压击穿。

分类

　　它又分高频瓷介和低频瓷介两种。具有小的正电容温度系数的电容器，用于高稳定振荡回路中，作为回路电容器及垫整电容器。低频瓷介电容器限于在工作频率较低的回路中作旁路或隔直流用，或对稳定性和损耗要求不高的场合〈包括高频在内〉。这种电容器不宜使用在脉冲电路中，因为它们易于被脉冲电压击穿。

　　Important parameter：

　　1. Capacitance

　　2. Rated voltage

　　3. Tolerance

　　4. Size

　　C = (εoεr A) / d

　　εo is the permittivity of free space

　　εr is the relative dielectric constant

　　A is the area of a plate

　　d is the separation between the plates.

优缺点

　　优点：稳定，绝缘性好，耐高压 　　缺点：容量比较小

铝电解电容

  

  

铝电解电容

铝电解电容是由铝圆筒做负极，里面装有液体电解质，插入一片弯曲的铝带做正极制成。还需要经过直流电压处理，使正极片上形成一层氧化膜做介质。它的特点是容量大，但是漏电大，稳定性差，有正负极性，适宜用于电源滤波或者低频电路中。使用的时候，正负极不要接反。

铝电解电容选型要点
容量和额定工作电压

　　铝电解电容本体上标有的容量和耐压，这两个参数是很重要，是选用电容最基本的内容。

  

  

大容量铝电解电容

　　在实际电容选型中，对电流变化节奏快的地方要用容量较大的电容，但并非容量越大越好，首先，容量增大，成本和体积可能会上升，另外，电容越大充电电流就越大，充电时间也会越长。这些都是实际应用选型中要考虑的。

　　额定工作电压：在规定的工作温度范围内，电容长期可靠地工作，它能承受的最大直流电压。在交流电路中，要注意所加的交流电压最大值不能超过电容的直流工作电压值。常用的固定电容工作电压有6.3V、10V、16V、25V、50V、63V、100V、250V、400V、500V、630V。电容在电路中实际要承受的电压不能超过它的耐压值。

　　在滤波电路中，电容的耐压值不要小于交流有效值的1.42倍。另外还要注意的一个问题是工作电压裕量的问题，一般来说要在15％以上。

　　让电容器的额定电压具有较多的余裕，能降低内阻、降低漏电流、降低损失角、增加寿命。虽然说， 48V的工作电压使用50V的铝电解电容短时间不会出现问题，但使用久了，寿命就有可能降低。

介质损耗

　　电容器在电场作用下消耗的能量，通常用损耗功率和电容器的无功功率之比，即损耗角的正切值表示（在电容器的等效电路中，串联等效电阻 ESR 同容抗 1/ωC 之比称之为 Tan δ，这里的 ESR 是在 120Hz 下计算获得的值。显然，Tan δ随着测量频率的增加而变大，随测量温度的下降而增大）。损耗角越大，电容器的损耗越大，损耗角大的电容不适于高频情况下工作。散逸因数dissipationfactor(DF)存在於所有电容器中，有时DF值会以损失角tanδ表示。此参数愈低愈好。但铝电解电容此参数比较高。

　　DF值是高还是低，就同一品牌、同一系列的电容器来说，与温度、容量、电压、频率……都有关系；当容量相同时，耐压愈高的DF值就愈低。此外温度愈高DF值愈高，频率愈高DF值也会愈高。

外型尺寸

　　外型尺寸与重量及接脚型态相关。single ended是径向引线式，screw是锁螺丝式，另外还有贴片铝电解电容等。至於重量，同容量同耐压，但品牌不同的两个电容做比较，重量一定不同；而外型尺寸更与外壳规划有关。一般来说，直径相同、容量相同的电容，高度低的可以代用高度大的电容，但是长度高的替代低的电容时就要考虑机构干涉问题。

ESR

　　一只电容器会因其构造而产生各种阻抗、感抗。ESR等效串联电阻及ESL等效串联电感是一对重要参数─这就是容抗的基础。一个等效串联电阻（ESR）很小的电容相对较大容量的外部电容能很好地吸收快速转换时的峰值（纹波）电流。用 ESR 大的电容并联更具成本效益。然而,这需要在 PCB 面积、器件数目与成本之间寻求折衷。

纹波电流和纹波电压

　　也称作涟波电流和涟波电压，其实就是 ripple current，ripple voltage。含义就是电容器所能耐受纹波电流/电压值。纹波电压等于纹波电流与ESR的乘积。

　　当纹波电流增大的时候，即使在 ESR 保持不变的情况下，纹波电压也会成倍提高。换言之，当纹波电压增大时，纹波电流也随之增大，这也是要求电容具备更低 ESR 值的原因。叠加入纹波电流后，由于电容内部的等效串连电阻（ESR）引起发热，从而影响到电容器的使用寿命。一般的，纹波电流与频率成正比，因此低频时纹波电流也比较低。

　　额定纹波电流是在最高工作温度条件下定义的数值。而实际应用中电容的纹波承受度还跟其使用环境温度及电容自身温度等级有关。规格书目通常会提供一个在特定温度条件下各温度等级电容所能够承受的最大纹波电流。甚至提供一个详细图表以帮助使用者迅速查找到在一定环境温度条件下要达到某期望使用寿命所允许的电容纹波量。

漏电流

　　电容器的介质对直流电流具有很大的阻碍作用。然而，由于铝氧化膜介质上浸有电解液，在施加电压时，重新形成的以及修复氧化膜的时候会产生一种很小的称之为漏电流的电流。通常，漏电流会随着温度和电压的升高而增大。它的计算公式大致是:I＝K×CV。漏电流I的单位是μA，K是常数。一般来说，电容器容量愈高，漏电流就愈大。从公式可得知额定电压愈高，漏电流也愈大，因此降低工作电压亦可降低漏电流。

寿命

　　首先要明确一点，铝电解电容一定会坏，只是时间问题。影响电容寿命的原因有很多，过电压，逆电压，高温，急速充放电等等，正常使用的情况下，最大的影响就是温度，因为温度越高电解液的挥发损耗越快。需要注意的是这里的温度不是指环境或表面温度，是指铝箔工作温度。厂商通常会将电容寿命和测试温度标注在电容本体。

　　因电容的工作温度每增高10℃寿命减半，所以不要以为2000小时寿命的铝电解电容就比1000小时的好，要注意确认寿命的测试温度。每个厂商都有温度和寿命的计算公式，在设计电容时要参照实际数据进行计算。需要了解的是要提高铝电解电容的寿命，第一要降低工作温度，在PCB上远离热源，第二考虑使用最高工作温度高的电容，当然价格也会高一些。

阻抗

　　在特定的频率下，阻碍交流电流通过的电阻即为所谓的阻抗。它与电容等效电路中的电容值、电感值密切相关，且与 ESR 也有关系。电容的容抗在低频率范围内随着频率的增加逐步减小，频率继续增加达到中频范围时电抗降至ESR的值。当频率达到高频范围时感抗变为主导，所以阻抗是随着频率的增加而增加。

　　开关电源中的输出滤波电解电容器，其锯齿波电压频率高达数十kHz，甚至是数十MHz，这时电容量并不是其主要指标，衡量高频铝电解电容优劣的标准是“阻抗-频率”特性，要求在开关电源的工作频率内要有较低的等效阻抗，同时对于半导体器件工作时产生的高频尖峰信号具有良好的滤波作用。

独石电容

1.一类为温度补偿类NPO电介质

2.二类为高介电常数类X7R电介质

3.三类为半导体类Y5V电介质

适用场合

　　简介　独石电容器是多层陶瓷电容器的别称，根据所使用的材料，可分为三类

  

独石电容

独石电容器的三种分类
一类为温度补偿类NPO电介质

　　这种电容器电气性能最稳定，基本上不随温度、电压、时间的改变，属超稳定型、低损耗电容材料类型，适用在对稳定性、可靠性要求较高的高频、特高频、甚高频电路中。

二类为高介电常数类X7R电介质

　　。由于X7R是一种强电介质，因而能制造出容量比NPO

　　介质更大的电容器。这种电容器性能较稳定，随温度、电压时间的改变，其特有的性能变化并不显著，属稳定电容材料类型，使用在隔直、耦合、傍路、滤波电路及可靠性要求较高的中高频电路中。

三类为半导体类Y5V电介质

　　。这种电容器具有较高的介电常数，常用于生产比容较大、标称容量较高的大容量电容器产品。但其容量稳定性较X7R差，容量、损耗对温度、电压等测试条件较敏感，主要用在电子整机中的振荡、耦合、滤波及傍路电路中。

　　独石电容比一般瓷介电容器大（10pF~10μF），且电容量大、体积小、可靠性高、电容量稳定，耐高温，绝缘性好，成本低等优点，因而得到广泛的应用。独石电容器不仅可替代云母电容器和纸介电容器，还取代了某些钽电容器，广泛应用在小型和超小型电子设备(如液晶手表和微型仪器)中。

　　独石电容的特点：

　　温度特性好，频率特性好。一般电容随着频率的上升,电容量呈现下降的规律，独石电容下降比较少，容量比较稳定。

适用场合

　　应用范围：

　　广泛应用于电子精密仪器。各种小型电子设备作谐振、耦合、滤波、旁路。

　　容量范围：

　　10pF~10μF

　　耐压：二倍额定电压。

安规电容

安规电容是指用于这样的场合，即电容器失效后，不会导致电击，不危及人身安全. 它包括了X电容和Y电容。 x电容是跨接在电力线两线（L-N）之间的电容，一般选用金属薄膜电容；Y电容是分别跨接在电力线两线和地之间（L-E，N-E）的电容，一般是成对出现。基于漏电流的限制，Y电容值不能太大，一般X电容是级，Y电容是nF级。X电容抑制差模干扰，Y电容抑制共模干扰。

1.抑制电源电磁干扰用电容器

2.不允许将直流电容器用作跨线电容器使用

安规电容安全等级

　　安规电容安全等级 应用中允许的峰值脉冲电压 过电压等级（IEC664）

　　

  

  

X1 >2.5kV ≤4.0kV Ⅲ

　　X2 ≤2.5kV Ⅱ

　　X3 ≤1.2kV ——

　　安规电容安全等级 绝缘类型 额定电压范围

　　Y1 双重绝缘或加强绝缘 ≥ 250V

　　Y2 基本绝缘或附加绝缘 ≥150V ≤250V

　　Y3 基本绝缘或附加绝缘 ≥150V ≤250V

　　Y4 基本绝缘或附加绝缘 <150V

　　Y 电容的电容量必须受到限制，从而达到控制在额定频率及额定电压作用下，流过它的漏电流的大小和对系统EMC性能影响的目的。GJB151规定Y电容的容量应不大于0.1。Y电容除符合相应的电网电压耐压外，还要求这种电容器在电气和机械性能方面有足够的安全余量，避免在极端恶劣环境条件下出现击穿短路现象，Y电容的耐压性能对保护人身安全具有重要意义。

注意事项
抑制电源电磁干扰用电容器

　　当在电源跨线电路中使用电容器来消除噪音时，不仅仅只有正常电压，还必须考虑到异常的脉冲电压（如闪电）的产生，这可能会导致电容器冒烟或者起火。所以，跨线电容器的安全标准对于在不同国家有严格规定，故必须使用经过安全认证的电容器。

不允许将直流电容器用作跨线电容器使用

　　对于X2类抑制电源电磁干扰用电容器应适用于在电容器失效时不会导致电击危险的场合，如电源跨线路连接，可承受2.5kV的脉冲电压。

　　对于Y2类抑制电源电磁干扰用电容器应适用于在电容器失效时不会导致电击危险的场合，用于电源跨线路连接时，能承受5kV的脉冲电压冲击，不致发生击穿现象。

　　安规电容，采用 IEC 标准，先进的生产技术和严谨的质量保证体系。

　　根据IEC 60384-14，电容器分为X电容及Y电容， 1. X电容是指跨于L-N之间的电容器， 2. Y电容是指跨于L-G/N-G之间的电容器。 (L=Line, N=Neutral, G=Ground)

　　X电容底下又分为X1, X2, X3，主要差别在于: 1. X1耐高压大于2.5 kV, 小于等于4 kV, 2. X2耐高压小于等于2.5 kV, 3. X3耐高压小于等于1.2 kV

　　Y电容底下又分为Y1, Y2, Y3，Y4, 主要差别在于: 1. Y1耐高压大于8 kV, 2. Y2耐高压大于5 kV, 3. Y3耐高压 n/a 4. Y4耐高压大于2.5 kV

　　X,Y电容都是安规电容,火线零线间的是X电容,火线与地间的是Y电容.它们用在电源滤波器里,起到电源滤波作用,分别对共模,差模工扰起滤波作用.安规电容是指用于这样的场合，即电容器失效后，不会导致电击，不危及人身安全. 安规电容安全等级 应用中允许的峰值脉冲电压 过电压等级（IEC664） X1 >2.5kV ≤4.0kV Ⅲ X2 ≤2.5kV Ⅱ X3 ≤1.2kV —— 安规电容安全等级 绝缘类型 额定电压范围 Y1 双重绝缘或加强绝缘 ≥ 250V Y2 基本绝缘或附加绝缘 ≥150V ≤250V Y3 基本绝缘或附加绝缘 ≥150V ≤250V Y4 基本绝缘或附加绝缘 <150V Y电容的电容量必须受到限制，从而达到控制在额定频率及额定电压作用下，流过它的漏电流的大小和对系统EMC性能影响的目的。GJB151规定Y电容的容量应不大于0.1。Y电容除符合相应的电网电压耐压外，还要求这种电容器在电气和机械性能方面有足够的安全余量，避免在极端恶劣环境条件下出现击穿短路现象，Y电容的耐压性能对保护人身安全具有重要意义

　　在滤波电路上有X电容，就是跨接L-N线；Y电容就是N-G线。在安规标准上有按脉冲电压分X1,X2,X3电容；按绝缘等级来分Y1,Y2,Y3来分。（这些都不是按什么材质来分的，以后多学习。）至于安规标准各个国家有一些差别，但额定电压无非就是250和400。各大厂家做的安规电容就是要满足这个安规标准的需求，一个安规电容可以满足Y电容的要求，也有可以做成满足X电容要求。所以就有的安规电容上标X1Y1,X1Y2...

　　火线与0线之间接个电容就是是X,而火线与地线之间接个电容像个Y。由于火线与0线直接电容，受电压峰值的影响，避免短路，比较注重的参数就是耐压等级，在电容值上没有定限制值。火线与地线直接电容要涉及到漏电安全的问题，因此它注重的参数就是绝缘等级，正如 james bai所说的，太大的容值电容会在电源断电后对人对器件产生影响。

贴片电容

  

贴片电容

贴片电容 全称：多层（积层，叠层）片式陶瓷电容器，也称为贴片电容，片容。英文缩写：MLCC。

简介

　　贴片电容(单片陶瓷电容器)是目前用量比较大的常用元件，就AVX公司生产的贴片电容来讲有NPO、X7R、Z5U、Y5V等不同的规格，不同的规格有不同的用途。下面我们仅就常用的NPO、X7R、Z5U和Y5V来介绍一下它们的性能和应用以及采购中应注意的订货事项以引起大家的注意。不同的公司对于上述不同性能的电容器可能有不同的命名方法，这里我们引用的是AVX公司的命名方法，其他公司的产品请参照该公司的产品手册。

区别

　　NPO、X7R、Z5U和Y5V的主要区别是它们的填充介质不同。在相同的体积下由于填充介质不同所组成的电容器的容量就不同，随之带来的电容器的介质损耗、容量稳定性等也就不同。所以在使用电容器时应根据电容器在电路中作用不同来选用不同的电容器。

不同种类介绍
一 NPO电容器

　　NPO是一种最常用的具有温度补偿特性的单片陶瓷电容器。它的填充介质是由铷、钐和一些其它稀有氧化物组成的。

　　NPO电容器是电容量和介质损耗最稳定的电容器之一。在温度从-55℃到 125℃时容量变化为0±30ppm/℃，电容量随频率的变化小于±0.3ΔC。NPO电容的漂移或滞后小于±0.05%，相对大于±2%的薄膜电容来说是可以忽略不计的。其典型的容量相对使用寿命的变化小于±0.1%。NPO电容器随封装形式不同其电容量和介质损耗随频率变化的特性也不同，大封装尺寸的要比小封装尺寸的频率特性好。下表给出了NPO电容器可选取的容量范围。

　　封 装 DC=50V DC=100V

　　0805 0.5---1000pF 0.5---820pF

　　1206 0.5---1200pF 0.5---1800pF

　　1210 560---5600pF 560---2700pF

　　2225 1000pF---0.033μF 1000pF---0.018μF

　　NPO电容器适合用于振荡器、谐振器的槽路电容，以及高频电路中的耦合电容。

二 X7R电容器

　　X7R电容器被称为温度稳定型的陶瓷电容器。当温度在-55℃到 125℃时其容量变化为15%，需要注意的是此时电容器容量变化是非线性的。

　　X7R电容器的容量在不同的电压和频率条件下是不同的，它也随时间的变化而变化，大约每10年变化1%ΔC，表现为10年变化了约5%。

　　X7R电容器主要应用于要求不高的工业应用，而且当电压变化时其容量变化是可以接受的条件下。它的主要特点是在相同的体积下电容量可以做的比较大。下表给出了X7R电容器可选取的容量范围。

　　封 装 DC=50V DC=100V

　　0805 330pF---0.056μF 330pF---0.012μF

　　1206 1000pF---0.15μF 1000pF---0.047μF

　　1210 1000pF---0.22μF 1000pF---0.1μF

　　2225 0.01μF---1μF 0.01μF---0.56μF

三 Z5U电容器

　　Z5U电容器称为“通用”陶瓷单片电容器。这里首先需要考虑的是使用温度范围，对于Z5U电容器主要的是它的小尺寸和低成本。对于上述三种陶瓷单片电容起来说在相同的体积下Z5U电容器有最大的电容量。但它的电容量受环境和工作条件影响较大，它的老化率最大可达每10年下降5%。

　　尽管它的容量不稳定，由于它具有小体积、等效串联电感（ESL）和等效串联电阻（ESR）低、良好的频率响应，使其具有广泛的应用范围。尤其是在退耦电路的应用中。下表给出了Z5U电容器的取值范围。

　　封 装 DC=25V DC=50V

　　0805 0.01μF---0.12μF 0.01μF---0.1μF

　　1206 0.01μF---0.33μF 0.01μF---0.27μF

　　1210 0.01μF---0.68μF 0.01μF---0.47μF

　　2225 0.01μF---1μF 0.01μF---1μF

　　Z5U电容器的其他技术指标如下：

　　工作温度范围 10℃ --- 85℃

　　温度特性 22% ---- -56%

　　介质损耗 最大 4%

四 Y5V电容器

　　Y5V电容器是一种有一定温度限制的通用电容器，在-30℃到85℃范围内其容量变化可达 22%到-82%。

　　Y5V的高介电常数允许在较小的物理尺寸下制造出高达4.7μF电容器。

　　Y5V电容器的取值范围如下表所示

　　封 装 DC=25V DC=50V

　　0805 0.01μF---0.39μF 0.01μF---0.1μF

　　1206 0.01μF---1μF 0.01μF---0.33μF

　　1210 0.1μF---1.5μF 0.01μF---0.47μF

　　2225 0.68μF---2.2μF 0.68μF---1.5μF

　　Y5V电容器的其他技术指标如下:

　　工作温度范围 -30℃ --- 85℃

　　温度特性 22% ---- -82%

　　介质损耗 最大 5%

　　贴片电容器命名方法可到AVX网站上找到。不同的公司命名方法可能略有不同。

法拉电容

  

  

简介

　　法拉电容

　　法拉电容也是超级电容.

　　法拉电容的容量比通常的电容器大得多。由于其容量很大，对外表现和电池相同，因此也有称作“电容电池”。

　　法拉电容属于双电层电容器，它是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种，其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。

特点

　　超级电容的特点：

　　（1）充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95％以上；

　　（2）循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1~50万次，没有“记忆效应”；

　　（3）大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%；

　　（4）功率密度高，可达300W/KG~5000W/KG，相当于电池的5~10倍；

　　（5）产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；

　　（6）充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；

　　（7）超低温特性好，温度范围宽-40℃～+70℃；

　　（8）检测方便，剩余电量可直接读出；

　　（9）容量范围通常0.1F--1000F。