电容基础知识

认知电容—初级篇Frank.YaoAug.13,2007Frank1内容提纲概念定义电容的分类认识不同的电容不同种类电容的剖析电容的特性参赛电容的温度特性电容的频率特性电解电容的失效问题Frank2电容的定义

电容器就是一种存储电荷的容器，简称电容。它是一种储能元件，在电路中用于滤波、耦合、隔直、旁路、调谐、能量转换和延时等。属于全球用量最大的电子元器件之一，基本可以说有电路的地方就会有电容。

Frank3电容的定义

电容的基本公式是等效模型如下:显然，减小电容器极板之间的距离(d)和增加极板的截面积(A)将增加电容器的电容量。而低频时电感可忽略不计。Frank4电容的分类

根据不同的标准电容就会有不同的分类，比如可以按照安装形式可以分为插件和贴片，按照极性可以分为有极和无极等等，也可以根据材料分为铝电解、钽电解、瓷片、云母、涤纶等等。今天我们就以我们实验室能找到的电容做一个分类研究介绍：首先还是先看插件的，总共搜集了下图这么一堆，我们一个一个看看他们是哪一类？有什么特性？

Frank5分类介绍—认识电容1

名称：高频瓷介电容

符号：CC

电容量：1--6800p

额定电压：63--500V

主要特点：高频损耗小，稳定性好

应用：高频电路名称：低频瓷介电容

符号：CT

电容量：10p—4.7u

额定电压：50V--100V

主要特点：体积小，价廉，损耗大，稳定性差

应用：要求不高的低频电路Frank6分类介绍—认识电容2

名称：聚酯（涤纶）电容

符号：CL

电容量：40p--4u

额定电压：63--630V

主要特点：小体积，大容量，耐热耐湿，温度特性好，稳定性略差。

应用：要求不高的低频振荡电路Frank7分类介绍—认识电容3

名称：聚苯乙烯电容

符号：CB

电容量：10p--1u

额定电压：100V--30KV

主要特点：稳定，低损耗，体积较大

应用：对稳定性和损耗要求较高的电路Frank8分类介绍—认识电容4

名称：聚丙烯电容

符号：CBB

电容量：1000p--10u

额定电压：63--2000V

主要特点：性能与聚苯乙烯相似但体积小，稳定性略差

应用：代替大部分聚苯或云母电容，用于要求较高的电路。Frank9分类介绍—认识电容5

名称：云母电容

符号：CY

电容量：10p—0.1u

额定电压：100V--7kV

主要特点：高稳定性，高可靠性，耐高温，温度系数小

应用：高频振荡，脉冲或高温等要求较高的电路Frank10分类介绍—认识电容6

名称：铝电解电容

符号：CD

电容量：0.47u--10000u

额定电压：6.3--450V

主要特点：体积小，容量大，损耗大，漏电大

应用：电源滤波，低频耦合，去耦，旁路等Frank11分类介绍—认识电容7

名称：钽电解电容符号：CA

电容量：0.1--1000u

额定电压：6.3--125V

主要特点：体积小，损耗低、漏电小

应用：在要求高的电路中代替铝电解电容Frank12分类介绍—认识电容8*名称：独石电容

电容量：0.5PF--1UF主要特点：电容量大、体积小、可靠性高、电容量稳定，耐高温耐湿性好等。应用：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。独石又叫多层瓷介电容，分两种类型，1型

性能较好，但容量小，一般小于0.2U，另一种叫

II型，容量大，但性能一般。Frank13分类介绍—认识电容9*

名称：陶瓷介质微调电容器

符号：

可变电容量：0.3--22p

主要特点：损耗较小，体积较小

应用：精密调谐的高频振荡回路Frank14主要性能参数指标参数1.标称容量和允许误差2.额定工作电压3.绝缘电阻4.介质损耗特性参数温度特性电压特性频率特性Frank15主要性能参数标称容量和允许误差电容器储存电荷的能力，常用的单位是F、uF、nF

、

pF。电容器上标有的电容数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。常用固定电容允许误差的等级见下表1。常用固定电容的标称容量系列见表2。为了简便起见，大于100pF而小于1uF的电容常常不注单位。没有小数点的，它的单位是pF，有小数点的，它的单位是uF。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。

Frank16主要性能参数标称容量和允许误差（表1）

允许误差±2%±5%±10%±20%(+20%-30%)(+50%-20%)(+100%-10%)级别

02ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ常用固定电容允许误差的等级

Frank17主要性能参数标称容量和允许误差（表2）

电容类别允许误差容量范围标称容量系列纸介电容、金属化纸介电容、纸膜复合介质电容、低频（有极性）有机薄膜介质电容5%

±10%

±20%100pF-1uF1.01.52.23.34.76.81uF-100uF1246810152030

506080100高频（无极性）有机薄膜介质电容、瓷介电容、玻璃釉电容、云母电容5%1pF-1uF1.11.21.31.51.61.82.0

2.42.73.03.33.63.94.3

4.75.15.66.26.87.58.29.110%1.01.21.51.82.22.7

3.33.94.75.66.88.220%1.01.52.23.34.76.8铝、钽、铌、钛电解电容10%

±20%

+50/-20%

+100/-10%1uF-1000000uF1.01.52.23.34.76.8

(容量单位uF)Frank18主要性能参数2.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、630V、1000V。

Frank19主要性能参数3.绝缘电阻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。

Frank20主要性能参数4.介质损耗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。

Frank21常用电容的主要性能参数

电容种类容量范围直流工作电压（V）运用频率（MHz）准确度漏电电阻（>MΩ）中小型纸介电容470pF-0.22uF63-6308以下-Ⅲ>5000金属壳密封纸介电容0.01uF-10uF250-1600直流，脉动直流Ⅰ>-Ⅲ>1000-5000中小型金属化纸介电容0.01uF-0.22uF160、250、4008以下Ⅰ>-Ⅲ>2000金属壳密封金属化纸介电容0.22uF-30uF160-1600直流，脉动电流Ⅰ>-Ⅲ>30-5000薄膜电容3pF-0.1uF63-500高频、低频Ⅰ>-Ⅲ>10000云母电容10pF-0.51uF100-700075-250以下02-Ⅲ>10000瓷介电容1pF-0.1uF63-630低频、高频02-Ⅲ>10000铝电解电容1uF-10000uF4-500直流，脉动直流ⅣⅤ

钽、铌电解电容0.47uF-1000uF6.3-160直流，脉动直流ⅢⅣ

瓷介微调电容2/7pF-7/25pF250-500高频

>1000-10000可变电容7pF-1100pF100以上低频，高频

>500Frank22电容剖析1瓷片

Frank23电容剖析1瓷片

Frank24电容剖析2涤纶

Frank25电容剖析4聚丙稀

Frank26电容剖析5云母

Frank27电容剖析6电解

Frank28电容剖析7钽电解

Frank29电容剖析8独石

Frank30电容温度特性研究--瓷片Frank31电容温度特性研究--瓷片Frank32电容温度特性研究--瓷片从上面两个瓷片电容的温度特性可以发现103瓷片的电容值25oC时12.63nF,到100oC时却只有4.36nF,下降了65.4%.而102的瓷片电容25oC时位1061pF,到100oC时为918pF,下降13.5%.都是瓷片,为什么温度特性就有这么大的差异呢?!Frank33电容温度特性研究--瓷片图解区别Frank34电容温度特性研究--瓷片从上面几张图片可以发现几个问题;1.102内部电极比103的还要大2.102中的介质是黄色的,而103中的介质是黑色的.3.回头看看外观,发现103的颜色比102深.所有我们可以作出如下结论:这两个电容中使用了不同的电介质,所以具有不同的温度特性.我们这个结论有没有其它依据呢?Frank35电容温度特性研究--瓷片陶瓷电容器种类:

依照细部材质,形状,及功能特性可再区分为Class-1(T.C.Type)温度补偿型,Class-2(Hi-KType)高诱电型,Class-3(S.C.Type)半导体型等.

按照行业的名称分为NPO材质系列；X7R材质系列；Y5V材质系列；X5R材质系列；Z5U材质系列

NPO材质系列

NPO(COG):一类电介质（Class-1），电气性能最稳定，基本上不随温度、电压与时间的改变而改变，适用于对稳定性要求高的高频电路。事实上我们经常说到的精密电容，就是这一种，因为其他材质电容的容值随温度变化误差较大。

NPO材质电容温度特性－55°～＋125°|容值变化|<30PPM/°C(PPM为百万分之一)。Frank36电容温度特性研究--瓷片X7R材质系列

X7R(2X1):二类电介质，电气性能较稳定，在温度电压与时间改变时性能的变化并不显著，适用于隔直，偶合旁路与对容量稳定性要求不太高的全频鉴电路。由于X7R是一种强电介质，因而能造出容量比NPO介质更大的电容。

X7R材质电容温度特性－55°～＋125°|容值变化|<15%老化特性10年小于1%

X5R材质系列

X5R:二类电介质，类似X7R

Frank37电容温度特性研究--瓷片Y5V&Z5U材质系列

Y5V(2F4)(Z5U):三类电介质，具有较高的介电常数，常用于生产比容较大的、标称容量较高的大容量电容器产品，但其容量稳定性较X7R差，容量、损耗对温度、电压等测试条件较敏感。

温度特性：－30°～85°－82%<容值变化<+22%

老化特性：10年5%

以上可见1类材料最好,那为什么不都用一类材料来做呢?!Frank38电容温度特性研究--瓷片

陶瓷电容器容量范围

a、T/Ctype(一类材料)的电容量范围为1pF-680pF,测试频率为1MHz.

b、Hi-Ktype(二类材料)的电容量范围为100pF-0.047uF,测试频率为1KHz.

c、S/Ctype(三类材料)的电容量范围为0.01uF-0.33uF.

Frank39电容温度特性研究—涤纶Frank40电容温度特性研究—涤纶

涤纶电容的温度特性

可见涤纶电容的温度特性比较平坦,超过70oC的时候才开始略有上升,25oC时容量为3.45nF,而100oC时为3.79nF,变化率为9.85%.Frank41电容温度特性研究—聚丙稀Frank42电容温度特性研究—聚丙稀

聚丙稀电容的温度特性

可见聚丙稀电容的温度特性也很好,25oC时3.54nF,而100oC时为3.70nF,变化率仅为4.52%,超过了涤纶电容.Frank43电容温度特性研究—独石Frank44电容温度特性研究—独石Frank45电容温度特性研究—独石

独石电容的温度特性

可见两种独石电容也是温度差距非常大,绿色的204从25oC到100oC变化了18.7%,而黄色的224从25oC到100oC则变化了70%.

这就是1类材料和2类材料的问题。Frank46电容温度特性研究—其它类别25oC容量100oC容量变化率云母100pF102.8pF108.8pF5.84%蓝色高压瓷片331/1KV292pF300pF2.74%橙色0.1uF106.0nF106.2nF0.02%蓝色224/400V0.227uF0.231uF1.76%黄色CBB154/275VAC0.147uF0.144uF-2.04%电解电容10uF/25V10.75uF11.32uF5.30%电解电容100uF/16V108.4uF118.6uF9.41%黑色钽电容47uF/16V49.2uF52.4uF6.50%黄色钽电容47uF47.5uF50.8uF6.95%Frank47电容温度特性研究—曲线比较Frank48电容温度特性研究—资料回顾Frank49电容频率特性研究

对于不同的频率电容特性会不会有所改变呢？不同的电容频率特性又如何呢？我们使用中应该如何选择呢？电容真的和右图等效吗？

Frank50电容频率特性研究-102Frank51电容频率特性研究-103Frank52电容频率特性研究-104Frank53电容频率特性研究-104LFrank54电容频率特性研究-104L104104L（长腿）Frank55电容频率特性研究电容谐振频率独石1051.21MHz瓷片104（长腿）6.10MHz瓷片10411.16MHz瓷片10329.34MHz瓷片10250.99MHz瓷片100p155.92MHz瓷片20p380.23MHz瓷片5p（长腿）423.96MHz注：以上数据使用的HP4195网络分析仪测试得出，能测试的频率范围是100KHz到500MHzFrank56电容频率特性研究-资料资料来自现任中国电子学会电子产业战略研究分会委员，清华大学工程物理系兼职教授,北京交通大学兼职教授白同云的电磁兼容讲义。Frank57电解电容的失效问题电解电容的概况重要性：多用于电源滤波，一旦短路，后果严重优点：电容量大，价格低缺点：寿命短，漏电流大，易燃延长寿命的方法：降温使用，选用标称温度高的产品Frank58电解电容的失效问题--十度法则温度应力－时间模型的简化：十度法则

内容：从室温算起，温度每升高10度，寿命减半。应用举例：推算铝电解电容寿命105C，寿命1000h（标称值）55C,寿命1000*2e5=32000h35C，寿命1000*2e7=128000h