电容
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而累积在金属板上,衡量金属板上储存电荷的能力称之为电容,相应的器件称为电容器。
电容(Capacitance)亦称作“电容量”,是指在给定电位差下自由电荷的储藏量,记为C,国际单位是法拉(F)。一般来说,电荷在电场中会受力而移动,当导体之间有了介质,则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上,造成电荷的累积储存,储存的电荷量则称为电容。
电容是指容纳电荷的能力。
计算公式
定义式:
电容器所带电量Q与电容器两极间的电压U的比值,叫电容器的电容。电容的符号是C。
单位及转换
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:
1法拉(F)= 103 毫法(mF)=106 微法(μF)=109 纳法(nF)=1012 皮法(pF)=1015 fF
法拉(F)是一个很大的单位,平时很少用到
电容表示方法
有标注的例如云母电容就按照上面标注的读,上面会写明容值,例如68uF。贴片的没标注的只能测试。电容的读法和电阻一样,例如104,是10乘以10的四次方,100000pF,注意单位是pF。
电子电容上的104用的是数字计数法,这种计数法一般是3位数字,最左边的第一位和中间的一位数字是有效数字,最右边的一位数字是表示倍数,也就是10的多少次方,如果没有标明单位,一般默认是pF。如果是带小数点的数字,同时没有标明单位,则单位是uF。
1、数字计数法
例如104,那么它的大小就是:10X10^4=100000pF,也就是0.1uF=100nF,这种电容一般是瓷片电容
2、直标法
直标法就是用数字以及单位直接标出来。例如:1.5uF表示1.5微法,这样直接表示。在有些电容当中会用大写字母“R”代表小数点,同时位于数字前面,例如R47uF表示0.47uF,这类表示方法比较少见。
3、色标法
顾名思义就是用色环的方法,与电阻的色环表示方法一样。
电容误差一般用不同的字母表示:
B表示误差在0.1%
C表示误差在0.25%
D表示误差在0.5%
F表示误差在1%
J表示误差在5%
K表示误差在10%
M表示误差在20%
4、文字符号表示
就是用数字和文字符号组合起来读数的一种方法。例如p47表示4.7pF、3p0表示3pF等。
用万用表蜂鸣器档检测电容
利用数字万用表的蜂鸣器档,可以快速检查电解电容器的质量好坏。将数字万用表拨至蜂鸣器档,用两支表笔分别与被测电容器C的两个引脚接触,应能听到一阵短促的蜂鸣声,随即声音停止,同时显示溢出符号“1”。接着,再将两支表笔对调测量一次,蜂鸣器应再发声,最终显示溢出符号“1”,此种情况说明被测电解电容基本正常。此时,可再拨至20MΩ或200MΩ高阻档测量一下电容器的漏电阻,即可判断其好坏
原理图中电容表示方法
C3和C4表示有极性的电容,如电解电容,钽电容
电容的主要特点
“充电” “放电” “隔直” “通交”
充电:
电源输出电流经电容器,在电容上获得大量电荷的过程称为电容的“充电”
放电:
电容一个极板上的正电荷经一定的途径流到另一个极板,中和该极板上的负电荷的过程称为电容器的“放电”
隔直:
将电容器串联到一个由直流电源、开关、灯泡的电路中,刚开始直流电源对电容器充电而通过电容器,该过程很短,充电结束后,直流电无法通过电容器,这就是电容的隔直性质
通交:
将电容器串联到一个由交流电源、开关、灯泡的电路中,交流电源的极性不断变化,使得电容的充电和反充电交替进行,从而始终有电流流过电容器。
电容的所有用途基本都是围绕这四个特性进行的。
注意:电容内部有绝缘介质,内部不会导通,通交流是应用电容的充放电功能,从外部看,感觉导通了而已。
充放电有个过程,电容两端电压不能突变,如果突变,将会产生很大的充放电电流,设计时需要避免,可以通过电阻,电感等器件进行限流。
电容的作用
1、储能
储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40~450VDC、电容值在220~150 000uF之间的铝电解电容器(如ERCOS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电解电容一般有正负极之分,注意区分
2、滤波
从理论上(即假设电容为纯电容)说,电容越大,阻抗越小,通过的频率也越高。但实际上超过1μF 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**大电容滤低频,小电容滤高频。电容的作用就是通交流隔直流,通高频阻低频。**电容越大高频越容易通过。具体用在滤波中,**大电容(1000μF)滤低频,小电容(20pF)滤高频。**曾有网友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。
3、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。这能够很好的防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。地电位是地连接处在通过大电流毛刺时的电压降。
4、去耦
去耦,又称解耦。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”。
去耦电容就是起到一个“电池”的作用,满足驱动电路电流的变化,避免相互间的耦合干扰,在电路中进一步减小电源与参考地之间的高频干扰阻抗。
将旁路电容和去耦电容结合起来将更容易理解。
旁路电容实际也是去耦合的,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放途径。高频旁路电容一般比较小,根据谐振频率一般取0.1μF、0.01μF 等;
而去耦合电容的容量一般较大,可能是10μF 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。这是他们的本质区别。
5、LC谐振
电容值
根据电路,选择合适的电容值。
电容值从几pF到几百几千uF不等,确定方法如下:
电容串联与并联
电容串联:耐压增大,容值减小
电容并联:耐压不变,容值增大
电容串并联公式
电容类型
根据电路,合理选择电容类型
按容值:
一般小于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,一般选择铝电解电容
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,都可以选择
陶瓷电容
优点:无极性、耐压较好、耐温好、ESR小,滤波效果好
缺点:容值小,一般使用10uF以下的,容值大,耐压高的价格贵
铝电解电容
优点:容值大,耐压好,价格便宜
缺点:ESR大,耐温差
钽电解电容
优点:容值大,耐温好,ESR小
缺点:价格贵,耐压差
正负极
常规器件,有丝印标记的一端一般为负极,比如二极管,铝电解电容;但钽电解电容有丝印标记的为正极,如果接反了,会烧毁。
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,钽电解电容较差(要求耐压为承受电压的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,也可以选用47uF/10V的B型钽电解电容。
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
常用袒钽电解电容封装:A型,B型,C型,D型,E型等
寿命
铝电解电容较差,内部电解质受温度影响较大,但因为耐压可以,容值较大,价格便宜,使用较多,设计时避免靠近热源,不要在高温环境使用
其他方面
价格:钽电容较贵,插件铝电解电容便宜,容值大的陶瓷也较贵,在满足需求的情况下,尽量选择低成本的。
ESR(等效串联电阻):陶瓷电容与钽电解电容都较小,滤波效果好。铝电解电容可以通过并联容值小的陶瓷电容降低ESR,提升滤波效果。