第1章常用电容

1、第1章 电 容1.1 电容的基础知识电容器是一种储能元件，在电路中用于调谐、滤波、耦合、旁路、能量转换和延时。电容器通常叫做电容。1.1.1 主要性能指标1、标称容量和允许误差电容器容量指电容器储存电荷的能力，常用的单位是F、uF、pF。电容器上标有的电容量是电容器的标称容量。电容器的标称容量和它的实际容量会有误差。一般，电容器上都直接写出其容量，也有用数字来标志容量的，如有的电容上标有“332”（3300pF）三位有效数字，左起两位给出电容量的第一、二位数字，而第三位数字则表示在后加0的个数，单位是pF。常用固定电容允许误差的等级见表1-1：表1-1 电容误差等级允许误差等级符号使用范围&#

2、177;0.25pFC10pF以下±0.5pFD±1F10pF以上±5J±10K±20M+80% -20%Z2、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，就是电容的耐压，也叫做电容的直流工作电压。如果在交流电路中，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、1000V。3、绝缘电阻绝缘电阻表示当在电容器端子之间施加直流电压 (无纹波) 时，在设定时间 (比如60秒) 之后施

3、加电压和漏电流之间的比率。由于电容两极之间的介质不是绝对的绝缘体，它的电阻不是无限大，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，或者叫做漏电电阻，大小是额定工作电压下的直流电压与通过电容的漏电流的比值。漏电电阻越小，漏电越严重。电容漏电会引起能量损耗，这种损耗不仅影响电容的寿命，而且会影响电路的工作。因此，漏电电阻越大越好。为了评价大容量电容的绝缘情况而引入了时间常数，时间常数等于电容的绝缘电阻与容量的乘积。4、损耗角正切（tg）、损耗因子（D.F）、品质因数（Q）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。损耗角

4、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。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，电容器的损耗以漏电损耗的形式存在，一般较小，在交变电场的作用下，电容的损耗不仅与漏电有关，而且与周期性的极化建立过程有关。D.F.= Tan=1/Q=RsCs5、频率特性随着频率的上升，电容的电容量一般有下降的趋势。6. ESR和ESLESR是EquivalentSeriesResistance三个单词的缩写，翻译过来就是“等效串连电阻”。ESL就是等效电感. 理论上，一个完美的电容，自身不会产生任何能量损失，但是实际上，因为制造电容的材料有电阻，

5、电容的绝缘介质有损耗，各种原因导致电容变得不“完美”。这个损耗在外部，表现为就像一个电阻跟电容串连在一起，所以就起了个名字叫做“等效串连电阻”。 在多数场合，低ESR的电容，往往比高ESR的有更好的表现。ESR的高低，与电容器的容量、电压、频率及温度都有关连，当额定电压固定时，容量愈大 ESR愈低。有人习惯用将多颗小电容并接成一颗大电容以降低阻抗，其理论是电阻并联阻值降低。但若考虑电容接脚焊点的阻抗，以小并大，不见得一定会有收获。 反过来说，当容量固定时，选用高WV额定电压的品种也能降低 ESR；故耐压高确实好处多多。频率的影响：低频时ESR高，高频时ESR低；当然，高温也会造成ESR的提升。

6、 串联等效电阻ESR的单位是m，高级系列电容常是low ESR及low ESL。若比较低内阻及低漏电流两种特性，则低内阻容易达成，故标示low ESR的电容倒很常见。ESR与损失角有关联，ESRtan/(×Cs)，Cs是电容量。 有时电容器规格上会有Z，它与ESR的意义不同，但Z的计算示与ESR有关，同时也考虑到容抗及感抗，是真正的内阻。刚才提到电容的ESR单位是m，那是指大电容，若是220F小容量电容，其ESR单位就不是m而是。1.1.2 电容选用原则1、 选择合适的型号；2、 合理确定电容器的精度；3、 确定电容器的额定工作电压：对一般电路，电路的工作电压应为电容器额定电压的10

7、%20%；当有脉动电压时，工作电压应为脉动的最高电压。当应用于交流时，额定电压随频率的增加而要相应增大。当温度环境比较高时，额定电压还要选用更大的；4、 尽量选择绝缘电阻大的电容；5、 考虑温度系数和频率特性；6、 注意使用环境；各种电路中的选用可以参考表1-3：表1-3 电路与电容电路参考电容高频旁路陶瓷电容器、云母电容器、玻璃膜电容器、涤纶电容器、玻璃釉电容器低频旁路纸介电容器、陶瓷电容器、铝电解电容器、涤纶电容器滤 波铝电解电容器、纸介电容器、复合纸介电容器、液体钽电容器调 谐陶瓷电容器、云母电容器、玻璃膜电容器、聚苯乙烯电容器高频耦合陶瓷电容器、云母电容器、聚苯乙烯电容器低频耦合纸介电

8、容器、陶瓷电容器、铝电解电容器、涤纶电容器、固体钽电容器。1.2 电容的种类与特性电容器根据所用介质可以分为三类：电解电容器、无机介质电容器和有机介质电容器。下面分别介绍这三种电容器的特性：1.2.1 电解电容器电解电容器的一个电极是用固体和液体电解质而不是用金属极板制成，电容器的介质材料是用经过特殊工艺处理后生成的金属氧化物，利用其单向导电特性用作介质的，如AL2O3膜介质，Ta2O5膜介质；电容器的另一个电极是用金属制成，如钽和铝；而我们看到的另一个金属电极实际上是电解电容器阴极（固体和液体电解质的辅助电极，仅做“引出线”之用）。电解电容器的主要特点：电容大、体积小、质量轻，有自愈特性，单

9、位电容量的成本低。缺点：容量制造偏差大，介质损耗角正切大，绝缘特性比较差，上限额定工作电压不是很高。电解电容器根据阳极材料可以分为钽电解电容、铝电解电容和铌电解电容。. 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。电容量：0.4710000u额定电压：6.3450V优点：容量大，单位体积电容电压乘积较大，价格便宜；缺点：漏电大、高频特性和稳定性差；使用：有正负极性，不适宜用在高频和低温下，不适宜用在25kHz以上的频率，适宜用于电源滤波、低频旁路和耦合电路中。使用的时候，正负极不要

10、接反。铝电解电容主要品牌厂商：黑金刚、红宝石（Rubycon）、三洋、NICHICON、法拉电容（ELNA）、松下（PANASONIC）等.铝电解电容器是有极性的电容器，它的正极板用铝箔，将其浸在电解液中进行阳极氧化处理，铝箔表面上便生成一层三氧化二铝薄膜，其厚度一般为0.020.03m。这层氧化膜便是正、负极板间的绝缘介质。电容器的负极是由电解质构成的，电解液一般由硼酸、氨水、乙二醇等组成。为了便于电容器的制造，通常是把电解质溶液浸渍在特殊的纸上，再用一条原态铝箔与浸过电解质溶液的纸贴合在一起，这样可以比较方便地在原态铝箔带上引出负极，铝电解电容结构如下图a所示，正、负极按其中心轴卷绕，便构

11、成了铝电解电容器的芯子，然后将芯子放大铝外壳封装，便构成了铝电解电容器。为了保持电解质溶液不泄漏、不干涸，在铝外壳的口部用橡胶塞进行密封，如图一b所示铝电解电容器之所以有极性，是因为正极板上的氧化铝膜具有单向导电性，只有在电容器的正极接电源的正极，负极接电源的负极时，氧化铝膜才能起到绝缘介质的作用。如果将铝电解电容器的极性接反，氧化铝膜就变成了导体，电解电容器不但不能发挥作用，还会因有较大的电流通过，造成过热而损坏电容器。铝电解电容参数：1 额定电压（Rated voltage U R）：额定电压指电容器的设计最大连续正常工作电压；2直流电压（ DC Voltage UDC ）：直流电压指施加

12、于电容器件的直流电压的平均值3 交流叠加电压 / 纹波电压（ Superimposed AC VoltageUAC/ ripple voltage ）：交流叠加电压又称纹波电压 , 指叠加于直流电压上的最大交流电压成分。施加的 DC 电压与交流叠加电压 ( 纹波电压 ) 之和不能大于电容器的额定电压 , 既有关系式 :UAC+UDC UR 。4 额定反向电压（ Rated reversed voltage URE ）：额定反向电压指电解电容最大允许反向电压（非持续性）。电介质（氧化铝层）单向特性（ rectifying properties ）决定了电解电容具有很小的反向耐压特性。一般只有 1

13、V 左右的容许量。5 浪涌电压（ Surge voltage US ）：浪涌电压指允许短时间内施加于电解电容的最大电压值。按 IEC 60384-4 规定，电电解电容应具有这样的浪涌电压值：对于 UR 315 V 的电解电容， US = 1.15 X UR ； 对于 UR 315 V 的电解电容， US = 1.10 X UR 。浪涌电压允许持续的时间和发生的频率请参阅具体规格书目。6 电容温度特性温度对电解电容的容量影响较大，温度降低时，电解液的粘性增大，导电性降低。损耗系数也随着温度的增加而减少。7 频率特性电解电容的频率特性如下图所示，随着频率的增加，电容值下降较快，等效串联电阻也会随着

14、频率的增加而降低8 阻抗电解电容可以等效为以下模型：电解电容的阻抗来自于各部分等效电阻：容量C的容性阻抗1/C；电解液及接线端子的介电损耗和欧姆阻抗ESR；电容绕线及接线端子的感性电抗ESL；频率较低时，容性阻抗起支配作用；随着频率的增加，容性阻抗减小直到电解液的阻抗等级；频率更高时，电解液的阻抗起主要作用；频率达到一定程度时，电容绕制及接线端子的感抗起主要作用；电解电容的阻抗随频率变化趋势如下图所示：. 钽电解电容钽电容器的工作介质是在钽金属表面生成的一层极薄的五氧化二钽膜。此层氧化膜介质完全与组成电容器的一端极结合成一个整体，不能单独存在。因此单位体积内所具有的电容量特别大。

15、即比容量非常高，特别适宜于小型化。在钽电容器工作过程中，具有自动修补或隔绝氧化膜中的疵点所在的性能，使氧化膜介质随时得到加固和恢复其应有的绝缘能力，而不致遭到连续的累积性破坏。这种独特自愈性能，保证了其长寿命和可靠性的优势。电容量：0.11000u额定电压：6.3125V优点：固体钽电容的体积小、容量大、性能稳定、寿命长、绝缘电阻大、温度特性好。缺点：价格昂贵；使用：高精度电源滤波、信号级间耦合、音响电路。钽电容主要品牌：KEMET，AVX，NICHICON，NEC等，钽电容外形有黄色（美国）和黑色两种（日本）钽电容结果如下图所示，先将钽引线埋入已混合粘合剂的钽粉中 ,加压成形并烧结，形成正电

16、极，然后通过电化学方法进行阳极氧化处理，使其表面形成电介质氧化膜，即Ta2O5。通过硝酸锰的热分解反应，其表面又形成一层固体电解质二氧化锰。形成电容的负极。钽电容目前主要有两种：钽聚合物电容和钽二氧化锰电容：钽二氧化锰电容组成示意图：钽聚合物电容组成示意图：两种钽电容的特性：1、 串联等效电阻（ESR）从上图可以看出，钽聚合物电容的ESR<钽二氧化锰电容ESR<铝电解电容的ESR；而ESR与频率的关系可参考下图，图中T491为KEMET钽电容系列中的MnO2产品，目前市面上KEMET产品中最常见的工业级电容，T495为KEMET MnO2电容中的低ESR和高浪涌电流系统产品，T52

17、0则是钽聚合物电容；2、 钽电容的电容与频率特性从上图可以看出，钽聚合物电容高频特性要好于钽二氧化锰电容，在100KHz时钽聚合物电容值开始下降，而钽二氧化锰电容值已经下降到原来的1/3；3、 两种钽电容的安全性：一个是安静包容一个是火爆易怒钽二氧化锰电容会爆炸：当电容遇到反向电压（就是交流电或生产时搞错了极性）或突发大电流时，由于热量迅速增加，阴极二氧化锰会释放出大量的氧气，氧气通过介质五氧化二钽的裂缝或空隙遇到阳极钽，氧气遇到钽再加高热，就是皮厚的坦克也怕遇见，之后就是轰的一声爆炸；钽聚合物电容不会爆炸：当钽聚合物电容碰到极性相反的电压或巨大的电流时，高热首先会让部分阴极聚合物挥发，即使有

18、些聚合物释放出氧气也没关系，其它聚合物会吸收氧气并膨胀，这样从根本上杜绝氧气与钽粉接触，没有了氧气这个氧化剂，爆炸怎么发生呢？由此看出钽聚合物电容还有自愈特性，即使碰到恶劣条件还能继续工作，所以可靠性特别高。小熊在线www.beareyes.c4、 两种钽电容的价格：普通钽二氧化锰电容是不贵，约几毛钱至一元多钱一片，钽聚合物电容每颗要几美元；5、 钽电容值随温度的变化：钽电容容值随温度变化如下图所示； 6、KEMET（基美）钽电容介绍：美国KEMET电子公司生产的KEMET系列固体钽电容， 在 0.1uF1000uF的范围内，根据不同需要分成若干系列， 可供使用者选择:（1） T491系列 （

19、工业级）：该系列是目前使用表面安装元件设计的主选产品，该产品在性能要求上符合或超过EIA标准535BAAC，其引线和尺寸符合全球标准。（2） T492系列 （军品级）：T492 系列电容通过了MIL_C_55365/8的认可，其元件失效率为0.001%/1000小时，它是T491系列产品的军用版。（3） T494系列（低等效串联电阻ESR，工业级）：T494系列是工业级低等效串联电阻系列， 尺寸及电容和额定电压乘积CV值与T491系列相同， 该系列电容主要用于输出滤波等。（4） T495系列（低等效串联电阻， 强浪涌型）：T495系列是特别为开关电源和 DC-DC 变换器而设计的输出滤波电容，

20、具有非常低的等效串联电阻， 可承受很高的纹波电流， 稳定性好。该系列电容容量范围在4.7uF470uF 额定工作电压为 650V。（5） T496 系列（带保险装置）：T496系列是一种能提供“自动防故障装置” 的钽电容。 在电容内部装有保险元件， 当在电路中出现了较高的故障电流时，可提供很好的保护。该系列电容容量范围在0.15uF470uF， 额定工作电压为650V，标准容值误差为±20%和±10%；（6） T510系列（超低等效串联电阻）：该系列是新型超低等效串联电阻的钽电容，具有超低等效串联电阻和高纹波电流承载能力，可用于高速微处理器 SMPS滤波和电源去耦。（7）

21、T520系列(KO电容)：该系列采用钽阳极和Ta2O5电介质， 使用一种传导性良好的聚合物替代MnO2作为电容器的阴极，使得该种电容器具有非常低的等效串联电阻（比标准钽电容要小50%以上），且适合在高频条件下使用。1.2.2 MLCCMLCC (Multi-Layer Ceramic Capacitor) 电容：多层陶瓷电容器，在英文表达中又有Chip Monolithic Ceramic Capacitor。两种表达都是以此类电容器外形和内部结构特点进行，也就是内部多层、整体独石(单独细小的石头)的结构，独石电容包括多层陶瓷电容器、圆片陶瓷电容器等，由于元件小型化、贴片化的飞速发展，常规圆片

22、陶瓷电容器逐步被多层陶瓷电容器取代，人们把多层陶瓷电容器简称为独石电容或贴片电容。图1表明，片式叠层陶瓷电容器是一个多层叠合的结构，其实质是由多个简单平行板电容器的并联体。因此，该电容器的电容量计算公式为C=NKAt式中，C为电容量；N为电极层数；K为介电常数(俗称K值)；A为相对电极覆盖面积；t为电极间距(介质厚度)。由此式可见，为了实现片式叠层陶瓷电容器大容量和小体积的要求。只要增大N(增加层数)便可增大电容量。当然采用高K值材料(降低稳定性能)、增加A(增大体积)和减小t(降低电压耐受能力)也是可以采取的办法。这里特别说一说介电常数K值，它取决于电容器中填充介质的陶瓷材料。电容器使用的环

23、境温度、工作电压和频率、以及工作的时间(长期工作的稳定性)等对不同的介质会有不同的影响。通常介电常数(K值)越大，稳定性、可靠性和耐用性能越差。常用的陶瓷介质的主要成分是MgTiO3、CaTiO3、SrTiO3和TiO2再加入适量的稀土类氧化物等配制而成。其特点是介质系数较大、介质损耗低、温度系数小、环境温度适用范围广和高频特性好，用在要求较高的场合(I类瓷介电容器)中。另一类是低频高介材料称为强介铁电陶瓷，常用作类瓷介电容器的介质，一般以BaTiO3为主体的铁电陶瓷，其特点是介电系数特别高，达到数千，甚至上万；但是介电系数随温度呈非线性变化，介电常数随施加的外电场也有非线性关系。目前最常用的

24、多层陶瓷电容器介质有三个类型：COG或NPO是超稳定材料，K值为10100；X7R是较稳定的材料，K值为2 0004 000；Y5V或Z5U为一般用途的材料，K值为5 00025 000。在我国的标准里则分为I类陶瓷(C C 4和CC41)及类陶瓷(CT4和CT41)两种。上述材料中，COG和NPO为超稳定材料，在-55+125范围内电容器的容量变化不超过± 30ppm。其余材料是按其工作温度的范围和电容量的变化率来命名的。详见表1。几种常用的片式电容器的介质材料中：X7R代表使用温度范围为-50至+125；在此范围内的电容量变化可达到±15。Z5U代表使用温度范围为+10

25、至+85；在此范围内的电容量变化从-56%至+22%。Y5V代表使用温度范围为-30至+85；在此范围内的电容量变化从-82%至+22%。主要品牌有：日系：MURATA（村田），TDK（东京电气化学），TAIYO YUDEN（太阳诱电），KYOCERA（京瓷） 台系：YAGEO（国巨），WALSIN（华新科），HOLY STONE（禾伸堂） 韩系：SAMSUNG（三星） 陆系：FENGHUA（风华）。MLCC电容的特性：温度特性：X7R的温度特性如下图所示，在1KHz、1Vrms测试条件下X7R的容量变化在±10%内，而Y5V的容量变化为+30%-80%，损耗因子也随着温度发生变化。

26、交流特性：在25，1KHz的测量条件下，X7R和Y5V的交流特性如下图所示，X7R容量的最大变化率在5%内，而Y5V的容量根据交流电压值的不同最大能下降50%，Y5V的损耗因子也与交流电压值有很大关系，而X7R的损耗因子变化很小。直流特性：在25，1Vrms,1KHz的测量条件下，X7R和Y5V的直流特性如下图所示，随着直流电压值的不同，X7R的容量下降达50%，而Y5V的容量下降最大达90%。损耗因子也随着电压的上升开始下降。频率特性：X7R和Y5V的频率特性如下图所示，尽管X7R和Y5V的容量随频率变化较小，但损耗因子随着频率的上升明显。由此可见，电容的容量与损耗因子与温度、电压、频率有很

27、大关系，进行设计时需要考虑到这三方面对容量和损耗因子的影响。MLCC电容选型可参考下图：. NPO电容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±0.3C。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

28、性也不同，大封装尺寸的要比小封装尺寸的频率特性好。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-0.033F 1000pF-0.018F 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。. X7RX7R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

29、间的变化而变化，大约每10年变化1%C，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-0.056F 330pF-0.012F 1206 1000pF-0.15F 1000pF-0.047F 1210 1000pF-0.22F 1000pF-0.1F 2225 0.01F-1F 0.01F-0.56F . Y5VY5V电容器是一种有一定温度限制的通用电容器，在-30

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4.7F电容器。 Y5V电容器的取值范围如下表所示封 装 DC=25V DC=50V 0805 0.01F-0.39F 0.01F-0.1F 1206 0.01F-1F 0.01F-0.33F 1210 0.1F-1.5F 0.01F-0.47F 2225 0.68F-2.2F 0.68F-1.5F . Z5UZ5U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 0.01F-0.12F 0.01F-0.1F 1206 0.01F-0.33F 0.01F-0.27F 1210 0.01F-0.68F 0.01F-0.47F 2225 0.01F-1F 0.01F-1F1.2.3 无机介质电容器. 陶瓷电容器陶瓷电容器