一、电容理论基础
1.电容的本质
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。
两个相互靠近的金属板中间夹一层绝缘介质组成的器件,当两端存在电势差时,由于介质阻碍了电荷移动累积在金属板上,衡量金属板上存储电荷的能力称之为电容,相应的器件称为电容器。
2.电容量的大小
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。
C = Q / U
Q:电容器上所带的电荷量,单位为库伦(q)
U:电容器两端的电压差,单位为伏特(V)
C:电容器存储电荷的能力,单位为法拉(F)
(1)电容的单位
在国际单位制里,电容的单位是法拉,简称法,符号是F,由于法拉这个单位太大,所以常用的电容单位有毫法(mF)、微法(μF)、纳法(nF)和皮法(pF)等,换算关系是:
(2)电容量的决定式
一个电容器,如果带1库的电量时两级间的电势差是1伏,这个电容器的电容就是1法拉,
即:C = Q / U ,但电容的大小不是由Q(带电量)或U(电压)决定的,即电容的决定式为:
化简之后:
3.电容的特点
电容器的本质就是充放电,在电路中起到隔直流通交流的作用。
电容内部是绝缘物质,内部不会导通,通交流时应用电容的充放电功能,从外部看,感觉上导通而已。
隔直流:只充电,不放电。充满后无法放电,断开状态。
通交流:循环充电与放电。按交流信号频率循环充放电,导通状态。
4.电容的串并联
5.电容器的类型
电容器的本质就是储能,充放电,常见有滤波电容,旁路电容,耦合电容,退耦电容,自举电容等
6.电容实际的电路模型
电容作为基本元器件之一,实际生产的电容都不是理想的,会有寄生电感,等效串联电阻存在,同时因为电容两极板间的介质不是绝对绝缘的,因此存在数值较大的绝缘电阻。
二、电容器的选型
1.安装方式
安装方式有插件跟贴片两种如图:
陶瓷电容,铝电解电容,钽电解电容一般选择贴片的,安规电容一般是插件的,铝电解电容,为了降低成本,也有选择插件的。
2.电容值
在电路设计的过程中,根据我们的需求我们可确定容值
如:在每芯片的供电电源上,我们通常会并联一个0.1uF的电容,几个芯片的供电电源上并联一个10uF的电容,作用是保证芯片的可持续供电和滤掉高频杂波得到平滑的电源,当线路上的电源还没到达芯片时,可由旁路的0.1uf电容对芯片进行供电,保证芯片的工作。
①计算取值 :晶体震荡电路, LC 滤波电容等, 可以通过计算取值;
②手册取值 :设计电路时, 参考手册应用电路, 按建议取值
③经验取值 :滤波电容, 储能电容等,— 般凭经验取值, 再根据实际测试进行调整。
3.电容的类型
根据电路,合理选择电容类型。
按容值:
- — 般小千10uF的 , 优先选择陶瓷电容
- 小于几百uF的 , 可以选择铝电解电容与钽电解电容
- 大于几百uF的 ,— 般选择铝电解电容
按环境温度:
- 高温环境,一般选择陶瓷电容与钽电容, 因为铝电解电容里面是电解液,高温环境对寿命影响较大
- 低温环境,一般不选铝电解电容,因为铝电解电容低温特性差
4.耐压、封装
根据电路,确定电容耐压值,再选择封装,封装越大,耐压越大。
耐压方面,陶瓷电容较好,钽电解解电容较差(要求耐压为承受压电的2倍)
例如:给5V 电源滤波, 可以选用10uF/ 6.3V的陶瓷电 容,100uF/ 6.3V的铝电解电容,需要选用47uF/ 10V的钽电解电容。
常用陶瓷电容封装: 0402 , 0603, 0805, 1206 等
常用贴片铝电解电容封装: 5* 5.5,6.3* 7.7等
常用钽电解电容封装: A型, B型 , C型 , D型, E型等
5.阻抗-频率特性
由此可知,电容在谐振频率处阻抗最低,滤波效果最好。
那么各种规格的电容的谐振频率是多少呢,下图是常用电容的谐振频率表:
C增大,谐振频率表减小
C增大,ESR减小
6.等效串联电阻ESR
从左图我们知道,整个阻抗曲线呈大V 型,只有在谐振频率点附近的阻抗才比较低。所以,实际的去耦电容都有一定的工作频率范围,只有在谐振频率附近,电容才有很好的去耦作用。
从右图来看下常规的 MLCC 陶瓷电容的曲线图。可以看出,不同的电容,曲线是不同的,容量大的 ESR 要小写,谐振频率低些,主要滤低频。容量小的ESR 要大些,谐振频率要高些,主要滤高频。
7.电容器的温度特性
在设计电路的时候,需要考虑不同电容的温度系数,按照使用场景选择符合要求的电容。在一些对电容容量由要求的地方,就不能选择Y 或者Z 系列的电容。
不同类型的电容的工作温度范围是不同的、并且其容量随温度的变化也不同,相差非常大,如:
一篇了解电容的使用-2
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