电容元件及其应用

1、第二节 电容元件及其应用 一、电容概述 电容器是一种储能元件。是电子设备中大量使用的电子元件之一，广泛应用于隔直，耦合，旁路，滤波，调谐回路，能量转换，控制电路等方面 。 特性：“通交流阻直流”,“充放电” 分类： 从结构分：固定电容器、可变电容器和微调电容器。 从电解质分：有机介质电容、无机介质电容、电解电容和空气介质电容等。 从用途分：高频旁路、低频旁路、滤波、调谐、高频耦合、低频耦合。 从构造分:有极性电容：铝电解电容、钽电容等 无极性电容：云母电容、纸质电容、瓷片电容 最初电容为平行板电容，电容量=×S / d。 式中，是介电系数， S是面积， d是距离。 增加介电系数、增大

2、面积、减小距离，都可以增大电容。平行板电容容量小，体积大。 改进：平行板2个平面卷绕，增大平行板面积； 将平行板进行表面腐蚀，增加表面积； 采用耐压薄膜作为平行板间的隔离介质，减小平行板距离； 采用增加电解液来增大介电常等。 目前已经制作出5V的法拉级的电容. 二、电容等效电路 交流条件下电容元件总有一定介质损耗，此外其引线也有一定电阻Rn和分布电感Ln，电容元件等效电路如下图，其中C是元件的固有电容，Rc是介质损耗的等效电阻（绝缘电阻）。其等效阻抗为 由于一般介质损耗甚小可忽略(即Rc)，Ce可表示为 三、电容参数 1、标称电容量和允许偏差 标称电容量是标志在电容器上的电容量。电容器实际电容

3、量与标称电容量的偏差称误差，在允许的偏差范围称精度。 精度等级与允许误差对应关系：00（01）-±1%、0（02）-±2%、-±5%、-±10%、-±20%、 -（+20%-10%）、-（+50%-20%）、-（+50%-30%） 一般电容器常用、级，电解电容器用、级，根据用途选取。 2、额定电压 在最低环境温度和额定环境温度下可连续加在电容器的最高直流电压有效值，一般直接标注在电容器外壳上，如果工作电压超过电容器的耐压，电容器击穿，造成不可修复的永久损坏。 常用固定电容器的额定直流工作电压有： 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（*者只限于电解电容器使用）。 3、绝缘电阻Rc 电容器两极板之间的介质并非绝对的绝缘体，直流电压加在电容上，会产生漏电电流，两者之比称为绝缘电阻，其阻值不是无穷大，这个阻值就叫电容器的绝缘电阻或漏电阻，一般应在数百兆欧以上，电解电容的绝缘电阻也应在数百千欧以上。 漏电电阻愈小，漏电愈严重，漏电电流大，漏电损耗大，质量就不好，寿命相应也短。当电容较小时，主要取决于电容的表面状态，容量0.1uf时，主要取决于介质的性能，绝缘电阻越大越好。 电容的时间常数：为恰当的评价大容量电容的绝缘情况而引

5、入了时间常数，它等于电容的绝缘电阻与容量的乘积。 4、损耗 电容在电场作用下，在单位时间内因发热所消耗的能量叫做损耗。各类电容都规定了其在某频率范围内的损耗允许值，电容的损耗主要由介质损耗，电导损耗和电容所有金属部分的电阻所引起的。 在直流电场的作用下，电容器的损耗以漏导损耗的形式存在，一般较小，在交变电场的作用下，电容的损耗不仅与漏导有关，而且与周期性的极化建立过程有关。 频率特性 ESR：等效串联电阻Rn ESL：等效串联电感Ln 电容的阻抗随信号频率的增加逐渐变小，当达到最小阻抗点（谐振点）后，由于感抗的作用增强，总阻抗逐渐变大。电容变大谐振频率变小，电容串联电感Ln越小谐振频率越高，而

6、等效串联电阻Rn越小其谐振点阻抗越小。好的电容应具备较小的ESR和ESL。 串联电感变小 谐振频率点变大 电容变大 - 谐振频率点变小 串联电阻不影响谐振频率，在选用滤波电容时一般期望电容谐振频率高些，因此可选用一大容量和一小容量两个电容，分别滤去低频和高频噪声，以达到最佳效果。 四、电容种类和特点 铝电解电容器（CD） 结构：极性铝电解电容是将附有氧化膜的铝箔（正极）和浸有电解液的衬垫纸，与阴极（负极）箔叠片一起卷绕而成。铝电解电容的全温度范围的内阻变化达到3倍，低温时内阻远大于同规格的钽电解电容，高温时反而内阻小于同规格的钽电解电容。安装方式有直插式和表贴式。 优点：容量范围大（110 0

7、00 F），额定工作电压范围为6.3 V450 V。成本是钽电解电容的1/3或更低； 缺点：介质损耗、容量误差大， 耐高温性较差，存放时间长容易失效。漏电流是钽电解电容的数倍以上； 缺点：介质损耗、容量误差大， 耐高温性较差，存放时间长容易失效。漏电流是钽电解电容的数倍以上； 用途： 通常在直流电源电路或中、低频电路中起滤波、退耦、信号耦合及时间常数设定、隔直流等作用。注意:不能用 于交流电源电路。在直流电源中作滤波电容使用时极性不能接反。 钽电解电容器（CA） 结构：有两种形式：1. 箔式钽电解电容器 内部采用卷绕芯子,负极为液体电解质，介质为氧化钽。型号有 CA30、CA31、CA35、C

8、Ak35等系列。 2. 钽粉烧结式 阳极（正极）用颗粒很细的钽粉压块后烧结而成。封装形式有多种。型号有CA40 、CA41、CA42、CA42H、CA49、CA70（无极性）等系列。 优点：介质损耗小、频率特性好、漏电流小、体积小、容量大、性能稳定、寿命长、温度特性好 缺点：生产成本高、耐压低。 用途： 应用于通信、航天、军工及家用电器上各种中 、低频电路和时间常数设置电路中要求较高的设备中。 涤纶电容（CL11、CL21系列） 结构：涤纶电容器，是用有极性聚脂薄膜为介质制成的具有正温度系数（即温度升高时，电容量变大）的无极性电容。 优点：耐高温、耐高压、耐潮湿、价格低。 用途： 一般应用于中

9、、低频电路中。 聚丙乙烯电容（CBB） 结构：用无极性聚丙烯薄膜为介质制成的一种负温度系数无极性电容。有非密封式（常用有色树脂漆封装）和密封式（用金属或塑料外壳封装）两种类型。 优点：损耗小，性能稳定，绝缘性好，容量大。 用途：仪器仪表等 瓷介电容 结构：用陶瓷材料作介质，在陶瓷表面涂覆一层金属（银）薄膜，再经高温烧结后作为电极而成。 瓷介电容器又分: 1 类电介质（NPO、CCG） 2 类电介质（X7R、2X1） 3 类电介质（Y5V、2F4）瓷介电容器。 特点：1 类瓷介电容器具有温度系数小、稳定性高、损耗低、耐压高等优点。最大容量不超过1 000 pF，常用的有CC1、 CC2 、CC1

10、8A、CC11、CCG等系列。 用途：主要应用于高频电路中。 特点： 2、3 类瓷介电容器其特点是材 料的介电系数高，容量大（最大可达0.47 F)、体积小 、 损耗和绝缘性能较 1 类的差。 用途：广泛应用于中、低频电路中作隔直、耦合、旁路和滤波等电容器使用。常用的有CT1、CT2、CT3等三种系列。 云母电容（CY、CYZ系列） 结构：云母电容器是采用云母作为介质，在云母表面喷一层金属膜（银）作为电极，按需要的容量叠片后经浸渍压塑在胶木壳（或陶瓷、塑料外壳）内构成。 优点：稳定性好、分布电感小、精度高、损耗小、绝缘电阻大、温度特性及频率特性好、工作电压高（50 V7 kV）等优点 。 用途

11、：一般在高频电路中作信号耦合、旁路、调谐等使用。 常用的有CY、CYZ、CYRX等系列。 独石电容 又叫多层瓷介电容，分两种类型，I 型性能好，但容量小，一般小于0.2U，另一种叫II 型，容量大，但性能一般。独石电容特点：电容量大、体积小、可靠性高、电容量稳定，耐高温耐湿性好等，缺点是温度系数很高。 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：0.5PF-1UF 耐压：二倍额定电压。 就温漂而言:独石为正温糸数+130 左右,CBB 为负温系数-230,用适当比例并联使用,可使温漂降到很小。 就价格而言:钽,铌电容最贵,独石,CBB 较便宜,瓷片最

12、低,但有种高频零温漂黑点瓷片稍贵.云母电容Q 值较高,也稍贵. 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uF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。 安规电容应用 Y电容 X电容 由于火线与0线直接电容，受电压峰值的影响，避免短路， X电容注重耐压等级，采用塑封的方形高压CBB电容,电容值上没有定限制值。 火线与地线直接

13、电容要涉及到漏电安全的问题，因此Y电容注重绝缘等级 X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 X2 2.5kV X3 1.2kV Y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/ Y3 基本绝缘或附加绝缘 150V 250V Y4 基本绝缘或附加绝缘 <150V 五、电容的应用 旁路 去藕 滤波 储能 隔直 1.旁路 旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件，它能使稳压器的输出均匀化，降低负载需求。 就像小型可充电电池一样，旁路电容能够被充电，并向器件进行放电。 为尽量减少阻抗，旁路

14、电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。 这能够很好地防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。地弹是地连接处在通过大电流毛刺时的电压降。 2.去藕 又称解藕。从电路来说，总是可以区分为驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容比较大，驱动电路要把电容充电、放电，才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时候，电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感，电阻（特别是芯片管脚上的电感，会产生反弹），这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作，这就是所谓的“耦合”。 电源和地之间的去耦电容作用： 一、是作为本集成电路的蓄能电容； 二、是滤除该器件产生的高频

15、噪声，切断其通过供电回路进行传播的通路； 三、是防止电源携带的噪声对电路构成干扰 旁路和去藕区别：将旁路电容和去藕电容结合起来将更容易理解。旁路电容实际也是去藕合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提供一条低阻抗泄防途径。高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般取0.1F、0.01F 等；而去耦合电容的容量一般较大，可能是10F 或者更大，依据电路中分布参数、以及驱动电流的变化大小来确定。旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源。这应该是他们的本质区别. 3.滤波 从理论上（即假设电容为纯电容）说，电容越大，阻抗越小，

16、通过的频率也越高。但实际上超过1F 的电容大多为电解电容，有很大的电感成份，所以频率高后反而阻抗会增大。有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电容，这时大电容通低频，小电容通高频。电容的作用就是通高阻低，通高频阻低频。电容越大低频越容易通过。具体用在滤波中,大电容（1000F）滤低频，小电容（20pF）滤高频。曾有人形象地将滤波电容比作“水塘”。由于电容的两端电压不会突变，由此可知，信号频率越高则衰减越大，可很形象的说电容像个水塘，不会因几滴水的加入或蒸发而引起水量的变化。它把电压的变动转化为电流的变化，频率越高，峰值电流就越大，从而缓冲了电压。滤波就是充电，放电的过程。 4.储能 储

17、能型电容器通过整流器收集电荷，并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。 电压额定值为40450VDC、电容值在220150 000F 之间的铝电解电容器（如EPCOS 公司的 B43504 或B43505）是较为常用的。根据不同的电源要求，器件有时会采用串联、并联或其组合的形式， 对于功率级超过10KW 的电源，通常采用体积较大的罐形螺旋端子电容器。 5.隔直 本质是截止频率比较低的高通滤波器。 电容的命名 1、直接标注法 例：CY-8、620pF、200V 表示云母电容，标称容量620pF，额定电压200V 2、字母与数字混合标注法 24位数字和一个字母混合表示，数字表示有效数值，字母表示数值量级和小数点， m（毫法） （微法）n（纳法）p（皮法） 数字前加R或P表示零点几微法或皮法。 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位数字表示法 一般为三位数码表示电容器的容量，单位pF 。 其中前两位数码为电容量的有效数字， 第三位为倍乘数，但第三位倍乘数是9时表示×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