电容的工作原理和基本类型

电容的工作原理一、基本原理电容器的基本原理可以用图1-1来描述当在两个正对的金属电极上施加电压时，电荷将据电压的大小被储存起来基本公式：Q=C*VW=1/2*C*V^2；di=C*dv/dt；C[F]=ε0·ε·S/tQ:电量(C)V:电压(V)C:电容量(F)S：电极面积[m2]t：介质厚度[m]ε：相对介电常数ε0:介质在真空状态下的介电常数(=8.85x10-12F/M)铝氧化膜的相对介电常数为7~8，要想获得更大的电容，可以通过增加表面积S或者减少其厚度t来获得。表1-1列出了电容器中常用的几种典型的介质的相对介电常数，在很多情况下，电容器的命名通常是根据介质所使用的材料来决定的，例如：铝电解电容器、钽电容器等。介质相对介电常数介质相对介电常数铝氧化膜7~8陶瓷10~120薄膜树脂3.2聚苯乙烯2.5云母6~8钽氧化膜10~20二、常见电容类型一般根据电极、电介质材料来分有如下：1、铝电解电容极性电容，它的正极、负极、电介质是什么呢？经常有人会混淆，其实分别是正极铝箔、三氧化二铝（附在正极铝箔的一面）、电解液（通过负极铝箔做引脚搭接）2、钽电解电容极性电容，正极、负极、电介质分别是：钽丝、二氧化锰MnO2（石墨、银层做引脚搭接）、五氧化二钽Ta2O5（在制造过程中形成）3、片状多层陶瓷电容（MLCC）无极性；贴片式；多层层叠；正负极为金属电极、电介质是陶瓷材料4、引线式多层陶瓷电容（独石电容）无极性；插脚式；是用MLCC电容焊接两个引脚，然后把芯用包封材料制造而成；CC41、CT41就属于这类5、圆形陶瓷电容（瓷介电容）无极性；单层；正负极为金属电极、电介质是陶瓷材料；个头比较大，一般为高压电容；CC81、CT81就属于这类6、薄膜电容无极性；多层层叠或卷绕；正负极为金属电极、电介质是有机薄膜材料；比如：聚乙烯、聚脂等7、安规电容实际上符合各国安规标准的圆形陶瓷电容或薄膜电容；常见的，Y1、Y2为圆形陶瓷电容；X1、X2为薄膜电容。总之：依据C[F]=ε0·ε·S/t；以及实际制造中电容的正、负极、电介质材料选型和根据材料特点选择的制造工艺可以得知：1、容量大的电容必须增加S，故个头大。耐压高的电容必须增加t，故一般较厚。2、铝电解、钽电容相对来说S大，故容量可以做到很大。3、MLCC电容的容量、耐压一般不大。4、圆形陶瓷电容容值不大，但耐压可以做到很大。5、薄膜电容容值不大，但耐压较高。根据应用场合和作用可分：1、旁路电容故名思义，是给交流信号提供一个对地的低阻抗通路。也可以称做滤波电容。2、藕合电容隔直流通交流，传递交流信号。根据di=C*dv/dt；不难理解。直流信号dv/dt=0，故无电流流过电容。3、退（去）藕电容在驱动电路中，如果负载变化很大，会对供应源产生电压或电流冲击，加退（去）藕电容就起缓冲作用。比如：IC的VCC，IC内部电子管的开、关高速动作引起VCC变化，如果有退（去）藕电容的话，其VCC变化不会延伸到供应VCC的电源端口。4、储能电容：根据W=1/2*C*V^2；不难理解电容的容量越大；工作电压越大储存的能量越大。比如在RTC时钟电路的备电中，通过一个大容量的电容在工作时贮存电能，在掉电时，这个电容就释放电能起到很好的备电作用。电容是板卡设计中必用的元件，其品质的好坏已经成为我们判断板卡质量的一个很重要的方面。①电容的功能和表示方法。由两个金属极，中间夹有绝缘介质构成。电容的特性主要是隔直流通交流，因此多用于级间耦合、滤波、去耦、旁路及信号调谐。电容在电路中用“C”加数字表示，比如C8，表示在电路中编号为8的电容。②电容的分类。电容按介质不同分为：气体介质电容，液体介质电容，无机固体介质电容，有机固体介质电容电解电容。按极性分为：有极性电容和无极性电容。按结构可分为：固定电容，可变电容，微调电容。③电容的容量。电容容量表示能贮存电能的大小。电容对交流信号的阻碍作用称为容抗，容抗与交流信号的频率和电容量有关，容抗XC=1/2πfc(f表示交流信号的频率，C表示电容容量)。④电容的容量单位和耐压。电容的基本单位是F（法），其它单位还有：毫法（mF）、微法（uF）、纳法（nF）、皮法（pF）。由于单位F的容量太大，所以我们看到的一般都是μF、nF、pF的单位。换算关系：1F＝1000000μF，1μF=1000nF=1000000pF。每一个电容都有它的耐压值，用V表示。一般无极电容的标称耐压值比较高有：63V、100V、160V、250V、400V、600V、1000V等。有极电容的耐压相对比较低，一般标称耐压值有：4V、6.3V、10V、16V、25V、35V、50V、63V、80V、100V、220V、400V等。⑤电容的标注方法和容量误差。电容的标注方法分为：直标法、色标法和数标法。对于体积比较大的电容，多采用直标法。如果是0.005，表示0.005uF=5nF。如果是5n，那就表示的是5nF。数标法：一般用三位数字表示容量大小，前两位表示有效数字，第三位数字是10的多少次方。如：102表示10x10x10PF=1000PF，203表示20x10x10x10PF。色标法，沿电容引线方向，用不同的颜色表示不同的数字，第一、二种环表示电容量，第三种颜色表示有效数字后零的个数（单位为pF）。颜色代表的数值为：黑=0、棕=1、红=2、橙=3、黄=4、绿=5、蓝=6、紫=7、灰=8、白=9。电容容量误差用符号F、G、J、K、L、M来表示，允许误差分别对应为±1%、±2%、±5%、±10%、±15%、±20%。⑥电容的正负极区分和测量。电容上面有标志的黑块为负极。在PCB上电容位置上有两个半圆，涂颜色的半圆对应的引脚为负极。也有用引脚长短来区别正负极长脚为正，短脚为负。当我们不知道电容的正负极时，可以用万用表来测量。电容两极之间的介质并不是绝对的绝缘体，它的电阻也不是无限大，而是一个有限的数值，一般在1000兆欧以上。电容两极之间的电阻叫做绝缘电阻或漏电电阻。只有电解电容的正极接电源正（电阻挡时的黑表笔），负端接电源负（电阻挡时的红表笔）时，电解电容的漏电流才小（漏电阻大）。反之，则电解电容的漏电流增加（漏电阻减小）。这样，我们先假定某极为“+”极，万用表选用R*100或R*1K挡，然后将假定的“+”极与万用表的黑表笔相接，另一电极与万用表的红表笔相接，记下表针停止的刻度（表针靠左阻值大），对于数字万用表来说可以直接读出读数。然后将电容放电（两根引线碰一下），然后两只表笔对调，重新进行测量。两次测量中，表针最后停留的位置靠左（或阻值大）的那次，黑表笔接的就是电解电容的正极。⑦电容使用的一些经验及来四个误区。一些经验：在电路中不能确定线路的极性时，建议使用无极电解电容。通过电解电容的纹波电流不能超过其充许范围。如超过了规定值，需选用耐大纹波电流的电容。电容的工作电压不能超过其额定电压。在进行电容的焊接的时候，电烙铁应与电容的塑料外壳保持一定的距离，以防止过热造成塑料套管破裂。并且焊接时间不应超过10秒，焊接温度不应超过260摄氏度。四个误区：●电容容量越大越好。很多人在电容的替换中往往爱用大容量的电容。我们知道虽然电容越大，为IC提供的电流补偿的能力越强。且不说电容容量的增大带来的体积变大，增加成本的同时还影响空气流动和散热。关键在于电容上存在寄生电感，电容放电回路会在某个频点上发生谐振。在谐振点，电容的阻抗小。因此放电回路的阻抗最小，补充能量的效果也最好。但当频率超过谐振点时，放电回路的阻抗开始增加，电容提供电流能力便开始下降。电容的容值越大，谐振频率越低，电容能有效补偿电流的频率范围也越小。从保证电容提供高频电流的能力的角度来说，电容越大越好的观点是错误的，一般的电路设计中都有一个参考值的。●同样容量的电容，并联越多的小电容越好，耐压值、耐温值、容值、ESR(等效电阻)等是电容的几个重要参数，对于ESR自然是越低越好。ESR与电容的容量、频率、电压、温度等都有关系。当电压固定时候，容量越大，ESR越低。在板卡设计中采用多个小电容并连多是出与PCB空间的限制，这样有的人就认为，越多的并联小电阻，ESR越低，效果越好。理论上是如此，但是要考虑到电容接脚焊点的阻抗，采用多个小电容并联，效果并不一定突出。●ESR越低，效果越好。结合我们上面的提高的供电电路来说，对于输入电容来说，输入电容的容量要大一点。相对容量的要求，对ESR的要求可以适当的降低。因为输入电容主要是耐压，其次是吸收MOSFET的开关脉冲。对于输出电容来说，耐压的要求和容量可以适当的降低一点。ESR的要求则高一点，因为这里要保证的是足够的电流通过量。但这里要注意的是ESR并不是越低越好，低ESR电容会引起开关电路振荡。而消振电路复杂同时会导致成本的增加。板卡设计中，这里一般有一个参考值，此作为元件选用参数，避免消振电路而导致成本的增加。●好电容代表着高品质。“唯电容论”曾经盛极一时，一些厂商和媒体也刻意的把这个事情做成一个卖点。在板卡设计中，电路设计水平是关键。和有的厂商可以用两相供电做出比一些厂商采用四相供电更稳定的产品一样，一味的采用高价电容，不一定能做出好产品。衡量一个产品，一定要全方位多角度的去考虑，切不可把电容的作用有意无意的夸大.除电阻外，电容（Capacitor）是第二种最常用的元件。电容的主要物理特征是储存电荷。由于电荷的储存意味着能的储存，因此也可说电容器是一个储能元件，确切的说是储存电能。两个平行的金属板即构成一个电容器。电容也有多种多样，它包括固定电容，可变电容，电解电容，瓷片电容，云母电容，涤纶电容，钽电容等，其中钽电容特别稳定。电容有固定电容和可变电容之分。固定电容在电路中常常用来做为耦合，滤波，积分，微分，与电阻一起构成RC充放电电路，与电感一起构成LC振荡电路等。可变电容由于其容量在一定范围内可以任意改变，所以当它和电感一起构成LC回路时，回路的谐振频率就会随着可变电容器容量的变化而变化。一般接受机电路就是利用这样一个原理来改变接收机的接收频率的。所谓电容，就是容纳和释放电荷的电子元器件。电容的基本工作原理就是充电放电，当然还有整流、振荡以及其它的作用。另外电容的结构非常简单，主要由两块正负电极和夹在中间的绝缘介质组成，所以电容类型主要是由电极和绝缘介质决定的。电容的用途非常多，主要有如下几种：1．隔直流：作用是阻止直流通过而让交流通过。2．旁路（去耦）：为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。3．耦合：作为两个电路之间的连接，允许交流信号通过并传输到下一级电路4．滤波：这个对DIY而言很重要，显卡上的电容基本都是这个作用。5．温度补偿：针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响，而进行补偿，改善电路的稳定性。6．计时：电容器与电阻器配合使用，确定电路的时间常数。7．调谐：对与频率相关的电路进行系统调谐，比如手机、收音机、电视机。8．整流：在预定的时间开或者关半闭导体开关元件。9．储能：储存电能，用于必须要的时候释放。例如相机闪光灯，加热设备等等。（如今某些电容的储能水平已经接近锂电池的水准，一个电容储存的电能可以供一个手机使用一天。关于滤波电容、去耦电容、旁路电容作用滤波电容用在电源整流电路中，用来滤除交流成分。使输出的直流更平滑。去耦电容用在放大电路中不需要交流的地方，用来消除自激，使放大器稳定工作。旁路电容用在有电阻连接时，接在电阻两端使交流信号顺利通过。1.关于去耦电容蓄能作用的理解1）去耦电容主要是去除高频如RF信号的干扰，干扰的进入方式是通过电磁辐射。而实际上，芯片附近的电容还有蓄能的作用，这是第二位的。你可以把总电源看作密云水库，我们大楼内的家家户户都需要供水，这时候，水不是直接来自于水库，那样距离太远了，等水过来，我们已经渴的不行了。实际水是来自于大楼顶上的水塔,水塔其实是一个buffer的作用。如果微观来看，高频器件在工作的时候，其电流是不连续的，而且频率很高，而器件VCC到总电源有一段距离，即便距离不长，在频率很高的情况下，阻抗Z＝i*wL+R，线路的电感影响也会非常大，会导致