電容元件及其應(yīng)用

1、第二節(jié) 電容元件及其應(yīng)用 一、電容概述 電容器是一種儲能元件。是電子設(shè)備中大量使用的電子元件之一，廣泛應(yīng)用于隔直，耦合，旁路，濾波，調(diào)諧回路，能量轉(zhuǎn)換，控制電路等方面 。 特性：“通交流阻直流”,“充放電” 分類： 從結(jié)構(gòu)分：固定電容器、可變電容器和微調(diào)電容器。 從電解質(zhì)分：有機介質(zhì)電容、無機介質(zhì)電容、電解電容和空氣介質(zhì)電容等。 從用途分：高頻旁路、低頻旁路、濾波、調(diào)諧、高頻耦合、低頻耦合。 從構(gòu)造分:有極性電容：鋁電解電容、鉭電容等 無極性電容：云母電容、紙質(zhì)電容、瓷片電容 最初電容為平行板電容，電容量=×S / d。 式中，是介電系數(shù)， S是面積， d是距離。 增加介電系數(shù)、增大

2、面積、減小距離，都可以增大電容。平行板電容容量小，體積大。 改進：平行板2個平面卷繞，增大平行板面積； 將平行板進行表面腐蝕，增加表面積； 采用耐壓薄膜作為平行板間的隔離介質(zhì)，減小平行板距離； 采用增加電解液來增大介電常等。 目前已經(jīng)制作出5V的法拉級的電容. 二、電容等效電路 交流條件下電容元件總有一定介質(zhì)損耗，此外其引線也有一定電阻Rn和分布電感Ln，電容元件等效電路如下圖，其中C是元件的固有電容，Rc是介質(zhì)損耗的等效電阻（絕緣電阻）。其等效阻抗為 由于一般介質(zhì)損耗甚小可忽略(即Rc)，Ce可表示為 三、電容參數(shù) 1、標(biāo)稱電容量和允許偏差 標(biāo)稱電容量是標(biāo)志在電容器上的電容量。電容器實際電容

3、量與標(biāo)稱電容量的偏差稱誤差，在允許的偏差范圍稱精度。 精度等級與允許誤差對應(yīng)關(guān)系：00（01）-±1%、0（02）-±2%、-±5%、-±10%、-±20%、 -（+20%-10%）、-（+50%-20%）、-（+50%-30%） 一般電容器常用、級，電解電容器用、級，根據(jù)用途選取。 2、額定電壓 在最低環(huán)境溫度和額定環(huán)境溫度下可連續(xù)加在電容器的最高直流電壓有效值，一般直接標(biāo)注在電容器外殼上，如果工作電壓超過電容器的耐壓，電容器擊穿，造成不可修復(fù)的永久損壞。 常用固定電容器的額定直流工作電壓有： 1.6，4，6.3，10，16，25，32*，4

4、0，50，63，100，125*，160，250，300*，400，450*，500，630，1000V等（*者只限于電解電容器使用）。 3、絕緣電阻Rc 電容器兩極板之間的介質(zhì)并非絕對的絕緣體，直流電壓加在電容上，會產(chǎn)生漏電電流，兩者之比稱為絕緣電阻，其阻值不是無窮大，這個阻值就叫電容器的絕緣電阻或漏電阻，一般應(yīng)在數(shù)百兆歐以上，電解電容的絕緣電阻也應(yīng)在數(shù)百千歐以上。 漏電電阻愈小，漏電愈嚴(yán)重，漏電電流大，漏電損耗大，質(zhì)量就不好，壽命相應(yīng)也短。當(dāng)電容較小時，主要取決于電容的表面狀態(tài)，容量0.1uf時，主要取決于介質(zhì)的性能，絕緣電阻越大越好。 電容的時間常數(shù)：為恰當(dāng)?shù)脑u價大容量電容的絕緣情況而引

5、入了時間常數(shù)，它等于電容的絕緣電阻與容量的乘積。 4、損耗 電容在電場作用下，在單位時間內(nèi)因發(fā)熱所消耗的能量叫做損耗。各類電容都規(guī)定了其在某頻率范圍內(nèi)的損耗允許值，電容的損耗主要由介質(zhì)損耗，電導(dǎo)損耗和電容所有金屬部分的電阻所引起的。 在直流電場的作用下，電容器的損耗以漏導(dǎo)損耗的形式存在，一般較小，在交變電場的作用下，電容的損耗不僅與漏導(dǎo)有關(guān)，而且與周期性的極化建立過程有關(guān)。 頻率特性 ESR：等效串聯(lián)電阻Rn ESL：等效串聯(lián)電感Ln 電容的阻抗隨信號頻率的增加逐漸變小，當(dāng)達(dá)到最小阻抗點（諧振點）后，由于感抗的作用增強，總阻抗逐漸變大。電容變大諧振頻率變小，電容串聯(lián)電感Ln越小諧振頻率越高，而

6、等效串聯(lián)電阻Rn越小其諧振點阻抗越小。好的電容應(yīng)具備較小的ESR和ESL。 串聯(lián)電感變小 諧振頻率點變大 電容變大 - 諧振頻率點變小 串聯(lián)電阻不影響諧振頻率，在選用濾波電容時一般期望電容諧振頻率高些，因此可選用一大容量和一小容量兩個電容，分別濾去低頻和高頻噪聲，以達(dá)到最佳效果。 四、電容種類和特點 鋁電解電容器（CD） 結(jié)構(gòu)：極性鋁電解電容是將附有氧化膜的鋁箔（正極）和浸有電解液的襯墊紙，與陰極（負(fù)極）箔疊片一起卷繞而成。鋁電解電容的全溫度范圍的內(nèi)阻變化達(dá)到3倍，低溫時內(nèi)阻遠(yuǎn)大于同規(guī)格的鉭電解電容，高溫時反而內(nèi)阻小于同規(guī)格的鉭電解電容。安裝方式有直插式和表貼式。 優(yōu)點：容量范圍大（110 0

7、00 F），額定工作電壓范圍為6.3 V450 V。成本是鉭電解電容的1/3或更低； 缺點：介質(zhì)損耗、容量誤差大， 耐高溫性較差，存放時間長容易失效。漏電流是鉭電解電容的數(shù)倍以上； 缺點：介質(zhì)損耗、容量誤差大， 耐高溫性較差，存放時間長容易失效。漏電流是鉭電解電容的數(shù)倍以上； 用途： 通常在直流電源電路或中、低頻電路中起濾波、退耦、信號耦合及時間常數(shù)設(shè)定、隔直流等作用。注意:不能用 于交流電源電路。在直流電源中作濾波電容使用時極性不能接反。 鉭電解電容器（CA） 結(jié)構(gòu)：有兩種形式：1. 箔式鉭電解電容器 內(nèi)部采用卷繞芯子,負(fù)極為液體電解質(zhì)，介質(zhì)為氧化鉭。型號有 CA30、CA31、CA35、C

8、Ak35等系列。 2. 鉭粉燒結(jié)式 陽極（正極）用顆粒很細(xì)的鉭粉壓塊后燒結(jié)而成。封裝形式有多種。型號有CA40 、CA41、CA42、CA42H、CA49、CA70（無極性）等系列。 優(yōu)點：介質(zhì)損耗小、頻率特性好、漏電流小、體積小、容量大、性能穩(wěn)定、壽命長、溫度特性好 缺點：生產(chǎn)成本高、耐壓低。 用途： 應(yīng)用于通信、航天、軍工及家用電器上各種中 、低頻電路和時間常數(shù)設(shè)置電路中要求較高的設(shè)備中。 滌綸電容（CL11、CL21系列） 結(jié)構(gòu)：滌綸電容器，是用有極性聚脂薄膜為介質(zhì)制成的具有正溫度系數(shù)（即溫度升高時，電容量變大）的無極性電容。 優(yōu)點：耐高溫、耐高壓、耐潮濕、價格低。 用途： 一般應(yīng)用于中

9、、低頻電路中。 聚丙乙烯電容（CBB） 結(jié)構(gòu)：用無極性聚丙烯薄膜為介質(zhì)制成的一種負(fù)溫度系數(shù)無極性電容。有非密封式（常用有色樹脂漆封裝）和密封式（用金屬或塑料外殼封裝）兩種類型。 優(yōu)點：損耗小，性能穩(wěn)定，絕緣性好，容量大。 用途：儀器儀表等 瓷介電容 結(jié)構(gòu)：用陶瓷材料作介質(zhì)，在陶瓷表面涂覆一層金屬（銀）薄膜，再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后作為電極而成。 瓷介電容器又分: 1 類電介質(zhì)（NPO、CCG） 2 類電介質(zhì)（X7R、2X1） 3 類電介質(zhì)（Y5V、2F4）瓷介電容器。 特點：1 類瓷介電容器具有溫度系數(shù)小、穩(wěn)定性高、損耗低、耐壓高等優(yōu)點。最大容量不超過1 000 pF，常用的有CC1、 CC2 、CC1

10、8A、CC11、CCG等系列。 用途：主要應(yīng)用于高頻電路中。 特點： 2、3 類瓷介電容器其特點是材 料的介電系數(shù)高，容量大（最大可達(dá)0.47 F)、體積小 、 損耗和絕緣性能較 1 類的差。 用途：廣泛應(yīng)用于中、低頻電路中作隔直、耦合、旁路和濾波等電容器使用。常用的有CT1、CT2、CT3等三種系列。 云母電容（CY、CYZ系列） 結(jié)構(gòu)：云母電容器是采用云母作為介質(zhì)，在云母表面噴一層金屬膜（銀）作為電極，按需要的容量疊片后經(jīng)浸漬壓塑在膠木殼（或陶瓷、塑料外殼）內(nèi)構(gòu)成。 優(yōu)點：穩(wěn)定性好、分布電感小、精度高、損耗小、絕緣電阻大、溫度特性及頻率特性好、工作電壓高（50 V7 kV）等優(yōu)點 。 用途

11、：一般在高頻電路中作信號耦合、旁路、調(diào)諧等使用。 常用的有CY、CYZ、CYRX等系列。 獨石電容 又叫多層瓷介電容，分兩種類型，I 型性能好，但容量小，一般小于0.2U，另一種叫II 型，容量大，但性能一般。獨石電容特點：電容量大、體積小、可靠性高、電容量穩(wěn)定，耐高溫耐濕性好等，缺點是溫度系數(shù)很高。 應(yīng)用范圍：廣泛應(yīng)用于電子精密儀器。各種小型電子設(shè)備作諧振、耦合、濾波、旁路。 容量范圍：0.5PF-1UF 耐壓：二倍額定電壓。 就溫漂而言:獨石為正溫糸數(shù)+130 左右,CBB 為負(fù)溫系數(shù)-230,用適當(dāng)比例并聯(lián)使用,可使溫漂降到很小。 就價格而言:鉭,鈮電容最貴,獨石,CBB 較便宜,瓷片最

12、低,但有種高頻零溫漂黑點瓷片稍貴.云母電容Q 值較高,也稍貴. 安規(guī)電容：是指用于這樣的場合，即電容器失效后，不會導(dǎo)致電擊，不危及人身安全. 它包括了X電容和Y電容。 X電容是跨接在電力線兩線（L-N）之間的電容，一般選用金屬薄膜電容；Y電容是分別跨接在電力線兩線和地之間（L-E，N-E）的電容，一般是成對出現(xiàn)?；诼╇娏鞯南拗疲琘電容值不能太大，一般X電容是uF級，Y電容是nF級。X電容抑制差模干擾，Y電容抑制共模干擾。 安規(guī)電容應(yīng)用 Y電容 X電容 由于火線與0線直接電容，受電壓峰值的影響，避免短路， X電容注重耐壓等級，采用塑封的方形高壓CBB電容,電容值上沒有定限制值。 火線與地線直接

13、電容要涉及到漏電安全的問題，因此Y電容注重絕緣等級 X安規(guī)電容安全等級 應(yīng)用中允許的峰值脈沖電壓 過電壓等級（IEC664） X1 >2.5kV 4.0kV X2 2.5kV X3 1.2kV Y安規(guī)電容安全等級 絕緣類型 額定電壓范圍 Y1 雙重絕緣或加強絕緣 250V Y2/ Y3 基本絕緣或附加絕緣 150V 250V Y4 基本絕緣或附加絕緣 <150V 五、電容的應(yīng)用 旁路 去藕 濾波 儲能 隔直 1.旁路 旁路電容是為本地器件提供能量的儲能器件，它能使穩(wěn)壓器的輸出均勻化，降低負(fù)載需求。 就像小型可充電電池一樣，旁路電容能夠被充電，并向器件進行放電。 為盡量減少阻抗，旁路

14、電容要盡量靠近負(fù)載器件的供電電源管腳和地管腳。 這能夠很好地防止輸入值過大而導(dǎo)致的地電位抬高和噪聲。地彈是地連接處在通過大電流毛刺時的電壓降。 2.去藕 又稱解藕。從電路來說，總是可以區(qū)分為驅(qū)動的源和被驅(qū)動的負(fù)載。如果負(fù)載電容比較大，驅(qū)動電路要把電容充電、放電，才能完成信號的跳變，在上升沿比較陡峭的時候，電流比較大，這樣驅(qū)動的電流就會吸收很大的電源電流，由于電路中的電感，電阻（特別是芯片管腳上的電感，會產(chǎn)生反彈），這種電流相對于正常情況來說實際上就是一種噪聲，會影響前級的正常工作，這就是所謂的“耦合”。 電源和地之間的去耦電容作用： 一、是作為本集成電路的蓄能電容； 二、是濾除該器件產(chǎn)生的高頻

15、噪聲，切斷其通過供電回路進行傳播的通路； 三、是防止電源攜帶的噪聲對電路構(gòu)成干擾 旁路和去藕區(qū)別：將旁路電容和去藕電容結(jié)合起來將更容易理解。旁路電容實際也是去藕合的，只是旁路電容一般是指高頻旁路，也就是給高頻的開關(guān)噪聲提供一條低阻抗泄防途徑。高頻旁路電容一般比較小，根據(jù)諧振頻率一般取0.1F、0.01F 等；而去耦合電容的容量一般較大，可能是10F 或者更大，依據(jù)電路中分布參數(shù)、以及驅(qū)動電流的變化大小來確定。旁路是把輸入信號中的干擾作為濾除對象，而去耦是把輸出信號的干擾作為濾除對象，防止干擾信號返回電源。這應(yīng)該是他們的本質(zhì)區(qū)別. 3.濾波 從理論上（即假設(shè)電容為純電容）說，電容越大，阻抗越小，

16、通過的頻率也越高。但實際上超過1F 的電容大多為電解電容，有很大的電感成份，所以頻率高后反而阻抗會增大。有時會看到有一個電容量較大電解電容并聯(lián)了一個小電容，這時大電容通低頻，小電容通高頻。電容的作用就是通高阻低，通高頻阻低頻。電容越大低頻越容易通過。具體用在濾波中,大電容（1000F）濾低頻，小電容（20pF）濾高頻。曾有人形象地將濾波電容比作“水塘”。由于電容的兩端電壓不會突變，由此可知，信號頻率越高則衰減越大，可很形象的說電容像個水塘，不會因幾滴水的加入或蒸發(fā)而引起水量的變化。它把電壓的變動轉(zhuǎn)化為電流的變化，頻率越高，峰值電流就越大，從而緩沖了電壓。濾波就是充電，放電的過程。 4.儲能 儲

17、能型電容器通過整流器收集電荷，并將存儲的能量通過變換器引線傳送至電源的輸出端。 電壓額定值為40450VDC、電容值在220150 000F 之間的鋁電解電容器（如EPCOS 公司的 B43504 或B43505）是較為常用的。根據(jù)不同的電源要求，器件有時會采用串聯(lián)、并聯(lián)或其組合的形式， 對于功率級超過10KW 的電源，通常采用體積較大的罐形螺旋端子電容器。 5.隔直 本質(zhì)是截止頻率比較低的高通濾波器。 電容的命名 1、直接標(biāo)注法 例：CY-8、620pF、200V 表示云母電容，標(biāo)稱容量620pF，額定電壓200V 2、字母與數(shù)字混合標(biāo)注法 24位數(shù)字和一個字母混合表示，數(shù)字表示有效數(shù)值，字母表示數(shù)值量級和小數(shù)點， m（毫法） （微法）n（納法）p（皮法） 數(shù)字前加R或P表示零點幾微法或皮法。 例：100m表示100毫法即100000微法 3p3表示3.3pF R22表示0.22微法 P50表示0.5pF 3、3位數(shù)字表示法 一般為三位數(shù)碼表示電容器的容量，單位pF 。 其中前兩位數(shù)碼為電容量的有效數(shù)字， 第三位為倍乘數(shù)，但第三位倍乘數(shù)是9時表示×10 1。 如： 101 表示：10 ×101 = 100 pF 102 表示：10 ×102 = 1 000 pF 103 表示：10 ×103 = 0. 01F 104 表示