电容选型需要注意什么(电容的选型注意事项)

我是小七,今天给大家分享的是电容选型指南,满满的干货,大家不要错过。

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很常见的一个场景就是,现在工程师手头的电路中有一个标称电容,必须将电容与IC或者有源组件一起使用。一般来说大多数 IC,例如: 555、微控制器 IC ,在 datasheet 中针对不同的应用都会有一个推荐的电容值。但很多时候都是需要工程师判断,工程师自己去选择一个合适的电容。

这篇文章就从2个方面来讲一下怎么选择电容?

  • 电容基础知识详解-各类电容材料组成与应用特点
  • 电容选择需要注意什么?

电容基础知识详解-各类电容材料组成与应用特点

1、电解电容

当需要非常大的电容值,通常使用电解电容。电解电容不是使用非常薄的金属膜层作为电极之一,而是使用凝胶或糊状物形式的半液体电解质溶液作为第二电极

电解电容通常有两种基本形式:铝电解电容钽电解电容

1.1 铝电解电容

铝电解电容图1

铝电解电容优点:最适合用于耦合隔直旁路电路,铝电解电容内使用的电解质有助于修复损坏的极板,还具有对箔板进行再阳极氧化的能力。最常用于电源的去耦目的,即减少到达电路的电压纹波。它们还广泛用于DC/DC 开关电压转换器。

铝电解电容缺点:与普通类型相比,不能承受高直流电流容易极化,它们的公差范围也很大,高达 20%。铝电解电容的典型电容值范围为 1uF 至 47,000uF。

1.2 钽电解电容

钽电解电容

钽电解电容优点介电性能也比氧化铝好得多,具有更低的漏电流更好的电容稳定性,使其适用于阻断旁路去耦滤波定时应用,额定工作电压要低得多。固态钽电容器通常用于交流电压小于直流电压的电路中。

钽电解电容缺点:高度极化,具有灾难性的故障模式,可能由电压尖峰触发,甚至比额定电压略高。

2、陶瓷电容

陶瓷电容的结构非常简单。在两个金属盘之间放置一个薄陶瓷盘,这些端子焊接到金属盘上。一切都涂有绝缘保护涂层。

陶瓷实物图

陶瓷电容结构图

MLCC 和陶瓷圆盘电容都进一步分为两个应用类别:I 类陶瓷电容和II 类陶瓷电容。

1.1 I 类陶瓷电容

精确度 (+/- 5%)温度补偿电容随温度的变化非常小。非常稳定和准确,用于频率控制应用,例如无线电应用的谐振电路

1.2 II 类陶瓷电容

精度较低,但提供更高的体积密度(高达 F 范围),因此适用于平滑或去耦应用。 此外,它们具有较大的电压系数,在最大 VDC 的一半处电容值降低 50% 是常见的。

X5R :可在 -55C 至 85C 温度范围内运行,变化范围为 +/- 15%。

X7R :可在 -55C 至 125C 温度范围内运行,变化范围为 +/- 15% Y5V :可在 -30C 至 85C 温度范围内运行,变化范围为 +22/- 82%。

封装:0201、0402、0603、0805、1206 和 1812 封装最为常见。数字代表英制尺寸,0402 为 0.04 X 0.02 英寸,0603 为 0.06 X 0.03 英寸,依此类推。

3、纸电容

纸电容是电容的最简单形式。蜡纸保持在两个铝箔之间,即夹层。用蜡纸盖住铝箔。再次用另一张箔纸盖住这张蜡纸。现在,把它卷成一个圆柱体。在卷筒的两端放两个金属盖。整个组件被设置为封闭在一个外壳中。通过轧制,将大截面积的电容器组装在相当小的空间内。

纸电容结构图

纸电容应用: 由于其低漏电流稳定性高容量,它们通常用于依靠低漏电流实现长保持时间的采样和保持电路。由于尺寸更小且具有长期稳定性,它们也用于电源滤波

纸电容实物图

4、薄膜电容

薄膜电容非极化的 ,这使得它们适用于交流信号。具有低等效串联电阻 (ESR) 自感 (ESL),用于A/D 转换器。 它们可以处理高峰值电流 , 因此可以用作缓冲电容,以“缓冲”DC-DC 转换器中的感应反冲电压尖峰。

薄膜电容实物图

5、云母电容

云母电容无极性具有低损耗高稳定性良好的高频特性。主要用于功率射频电路高频调谐电路,例如:滤波器和振动器,

云母电容每片的成本可能比较低,逐渐被陶瓷电容取代,以用于低功率应用。

在某些应用中,银云母电容还是必不可少的。例如,电路设计人员仍将云母电容器用于射频发射器等大功率应用。由于云母的高击穿电压,银云母仍然广泛使用的另一个应用是高压应用。

云母电容实物图

6、聚合物电容

由于其低 ESR,聚合物电容用于允许大纹波电流的应用中。这种应用的一个例子是开关直流-直流转换器降压升压降压-升压转换器,它们使电容上的电压保持相对恒定,但会产生高纹波电流。在这种情况下,最好使用具有低 ESR 的电容器,以提高电源效率并提高过载和过热情况下的安全性

固态聚合物电容可用于平滑从电源到敏感电路的电压,从而降低电源噪声。在此类应用中,只要工作电压足够低,它们就可以轻松替代标准电解电容。

还可用于电源旁路信号去耦,以减少设备产生的信号噪声和电源噪声,否则这些噪声会转移到电源并可能影响连接到该电源的其他设备。

聚合物电容通常可以在计算机主板上找到,尤其是更高质量的主板,例如服务器主板,它们在很大程度上取代了湿电解电容。

聚酯电容实物图

7、可变电容

可变电容中,电容可以重复并有意地以电子或机械方式改变。具体的如下图所示,可以改变电容。

可变电容溶质变化图(来源于网络)

可变电容主要限于交流电路,大多数应用需要高频高功率低损耗特性。常用于设置谐振频率 的 LC 电路可变电容用于调谐收音机。它也被称为调谐电容器或调谐电容器或可变电抗,它还用于天线调谐器中的阻抗匹配。

可变电容实物图

电容选型需要注意参数

1、标称电容(C)

电容的标称值,电容的 C 是所有电容特性中最重要的。通常皮法拉 (pF)、纳法拉 (nF) 或微法拉 (F) 为单位测量,并以数字、字母或彩色条带的形式标记在电容主体上。

电容的电容值随着电路频率 (Hz) y 和环境温度的变化而变化。较小的陶瓷电容可以具有低至 1 皮法拉 (1pF) 的标称值,而较大的电解电容可以具有高达 1 法拉 (1F) 的标称电容值。

电容的选择由电路配置决定,但在电容一侧读取的值可能不一定是其实际值。

标称电压值

2、工作电压

工作电压是另一个重要的电容特性,在其工作寿命期间可以施加到电容上而不会出现故障的最大直流或交流电压。通常,印在电容本体侧面的工作电压是指其直流工作电压(WVDC)。

电容的直流和交流电压值通常不同,因为交流电压值指的是 rms 值,而不是 1.414 倍的最大值或峰值。此外,规定的直流工作电压在一定的温度范围内有效,通常为 -30C 至 +70C。

任何超过其工作电压的直流电压或过多的交流纹波电流都可能导致故障。因此,如果在凉爽的环境中并在其额定电压内运行,电容器将具有更长的工作寿命。

常见的工作直流电压有 10V、16V、25V、35V、50V、63V、100V、160V、250V、400V 和 1000V,并印在电容的主体上。

3、精度-容差

与电阻一样,电容也有一个正负值,也就是精度-容差。对于通常小于 100pF 的低值电容,以皮法 (pF) 表示,对于通常高于 100pF 的较高值电容,以百分比 (%)表示

容差值允许实际电容与其标称值变化的程度,范围可以从 -20% 到 +80%。因此,具有 20% 容差的 100F 电容器可以合法地从 80F 变化到 120F,并且仍保持在容差范围内。

电容的额定值根据它们与额定标称电容相比与实际值的接近程度来确定的,并带有用于指示其实际容差的彩色条带或字母。电容最常见的容差变化是 5% 或 10%,但一些塑料电容的额定值低至 1%。

4、漏电流

电容内部用于分隔导电板的电介质不是完美的绝缘体,当施加到电容时,由于极板上的电荷建立的强大电场的影响,会导致非常小的电流流过或“泄漏”通过电介质。

这种在纳安 ( nA )范围内流动的小直流电流称为电容漏电流。泄漏电流是电子物理穿过介电介质、围绕其边缘或穿过其引线的结果,如果电源电压被移除,随着时间的推移,这将使电容完全放电。

漏电流图

当泄漏非常低时,例如在薄膜或箔型电容中,它通常被称为“绝缘电阻”(R p ),并且可以表示为与电容并联的高值电阻,如上图所示。当漏电流像电解液一样高时,它被称为“漏电流”,因为电子直接流过电解液。

电容漏电流放大器耦合电路或电源电路中的一个重要参数,耦合和/或存储应用的最佳选择是聚四氟乙烯和其他塑料电容类型(聚丙烯、聚苯乙烯等),因为介电常数越低,绝缘电阻越高。

另一方面,电解型电容(钽和铝)可能具有非常高的电容,但由于其绝缘电阻差,它们也具有非常高的泄漏电流(通常约为 5-20 A/F),并且因此不适合存储或耦合应用。此外,铝电解液的漏电流会随着温度的升高而增加。

5、允许损耗

运行损耗可能是电路需要节能的一个重要因素(如电池供电的电路)。对于此类电路,应仔细选择电容,考虑其耗散因数(以百分比表示的典型能量损失)、介电吸收漏电流绝缘电阻以及自感。必须将所有这些损耗降至最低,以提高电路的效率和电池寿命

6、波纹电流、脉冲电压

电路必须针对脉动电压和最大纹波电流的可能性进行操作。然后,应选择具有适当纹波电流和工作电压额定值的电容。

7、频率相关性

许多电容的电容取决于频率,可能不适用于特定的频率范围,取决于电路,电容的频率依赖性应该被主要考虑。

8、工作温度

由于介电特性的变化,电容周围的温度变化会影响电容值。如果空气或环境温度变热或变冷,电容的电容值可能会发生很大变化,从而影响电路的正确运行。大多数电容的正常工作范围是 -30 ℃ 到 +125 ℃,标称额定电压适用于不超过 +70 ℃ 的工作温度,尤其是塑料电容类型。

通常对于电解电容,尤其是铝电解电容,在高温下(超过+85 ℃ 时,电解液中的液体会因蒸发而流失,电容的主体(尤其是小尺寸)可能会因内部压力而变形并且直接泄漏。此外,电解电容不能在低于-10 ℃ 的低温下使用,因为电解质会结冰

9、温度系数

电容的温度系数其电容在指定温度范围内的最大变化。电容的温度系数通常线性表示为每摄氏度的百万分之几 (PPM/ ℃),或在特定温度范围内的百分比变化。一些电容是非线性的,它们的值会随着温度升高而增加,从而赋予它们一个以正 “P” 表示的温度系数。

一些电容会随着温度升高而降低其值,从而为它们提供一个以负“N”表示的温度系数。例如,“P100”是 +100 ppm/ ℃ 或“N200”,即 -200 ppm/ ℃等。

但是,有些电容不会改变它们的值并在一定的温度范围内保持恒定,这样的电容具有零温度系数或 “NPO” 。这些类型的电容(例如云母或聚酯)通常称为 1 类电容。

大多数电容,尤其是电解电容,在变热时会失去电容,但温度补偿电容的可用范围至少为 P1000 到 N5000(+1000 ppm/ ℃到 -5000 ppm/ ℃)。也可以将具有正温度系数的电容器与具有负温度系数的电容串联或并联连接,最终结果是两种相反的效果将在一定的温度范围内相互抵消。

温度系数电容的另一个有用应用是使用它们来消除温度对电路中其他组件(例如电感或电阻等)的影响。

10、极化和反向电压

电容极化通常是指电解型电容,但主要是铝电解电容,就其电气连接而言。大多数电解电容是有极性的,即连接到电容端子的电压必须具有正确的极性,即正极对正极,负极对负极。

电容标记

如图所示,大多数电解电容的负极-ve端子在其一侧清楚地标有黑色条纹箭头 V 字形,以防止与直流电源的任何错误连接。

这里电解电容正负极性的区别可以参考李工的文章,我觉得总结得很到位:

一些较大的电解电容的金属罐或主体连接到负极端子,但高压类型的金属罐绝缘,电极被引出以分离铲形或螺钉端子以确保安全。

此外,在电源平滑电路中使用铝电解电容时,应注意防止峰值直流电压和交流纹波电压之和成为“反向电压”。

11、等效串联电阻

电容的等效串联电阻ESR电容在高频下使用时的交流阻抗,包括电介质材料的电阻端子引线的直流电阻、电介质连接的直流电阻和电容极板电阻均在特定频率和温度下测量。

ESR模型

在某些方面,ESR 与绝缘电阻相反,绝缘电阻表现为与电容并联的纯电阻(无容抗或感抗)。理想的电容只有电容,但 ESR 表现为与电容串联的纯电阻(小于 0.1)(因此称为等效串联电阻),它取决于频率,使其成为“动态”量。

由于 ESR 定义了电容 “等效” 串联电阻的能量损失,因此它必须确定电容的整体 I2R热损失,尤其是在用于电源和开关电路时。

具有相对较高 ESR 的电容由于其较长的充电和放电RC时间常数,因此将电流从其极板传递到外部电路的能力较低。随着电解液变干,电解电容的 ESR 会随着时间的推移而增加。具有非常低 ESR 额定值的电容可供使用,并且最适合将电容用作滤波器。

最后一点,小电容(小于 0.01F)的电容通常不会对人体造成太大危险。然而,当它们的电容开始超过 0.1F 时,触摸电容引线可能会令人震惊。

即使在没有电路电流流动的情况下,电容也能够以电压的形式存储电荷,从而为它们提供一种存储器。

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图片来源于小红书

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