基本元器件——电容

基本元器件——电容

一、基本概念

电容：亦称作“电容量”，是指在给定电位差下的电荷储藏量。

电容器：

①定义1：电容器，顾名思义，是‘装电的容器’，是一种容纳电荷的器件;

②定义2：电容器，任何两个彼此绝缘且相隔很近的导体（包括导线）间都构成一个电容器。

电容值：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。在电路学里，给定电势差，电容器储存电荷的能力，称为电容（capacitance），标记为C。

电容单位：法拉，简称法，符号是F。

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）= 1000毫法（mF）=1000000微法（μF）

1微法（μF）= 1000纳法（nF）= 1000000皮法（pF）。

排容：由若干个电容 排列而成的电容阵列，若干个参数完全相同的电容，它们的一个引脚都连到一起，作为公共引脚，其余引脚正常引出。

二、电容分类

1、按结构

• 固定电容器：不能调节，我们称之为定值电容。
• 可变电容器：它由一组定片和一组动片组成，它的容量随着动片的转动可以连续改变。把两组可变电容装在一起同轴转动，叫做双连。可变电容的介质有空气和聚苯乙烯两种。空气介质可变电容体积大，损耗小，多用在电子管收音机中。聚苯乙烯介质可变电容做成密封式的，体积小，多用在晶体管收音机中。
• 微调电容器：半可变电容也叫做微调电容，它是由两片或者两组小型金属弹片，中间夹着介质制成。调节的时候改变两片之间的距离或者面积。它的介质有空气、陶瓷、云母、薄膜等。

2、按极性

有极性电容和无极性电容，有极性使用时要注意方向。

• 有极性电容：铝电解、钽电解、部分超级电容。
• 无极性电容：陶瓷电容、薄膜电容、云母电容、空气电容等。

3、按介质

这是最常见的分类方式，不同的介质决定了电容的性能和使用场景。

（1）CCB电容（聚丙烯电容）

工艺：以聚丙烯薄膜为介质，通过真空蒸镀工艺在薄膜表面沉积金属层（铝或锌铝合金）作为电极，采用无感式卷绕结构制成，外部用环氧树脂包封。

特点：

• 介质损耗极低（tanδ ≤ 0.001%），高频特性优异
• 绝缘电阻高（≥10¹²Ω），具有自愈特性（局部击穿后可自动恢复绝缘）
• 温度稳定性好（-55℃~+105℃容量变化小）
• 耐压范围宽（63V~2000V DC，交流可达500V AC以上）
• 容量范围0.001μF~100μF，精度高

用途：高频滤波电路（开关电源、5G基站）、电机启动（空调压缩机CBB60）、高压谐振（激光电源CBB81）、功率因数校正、音频耦合电路。

（2）涤纶电容（聚酯膜电容）

工艺：以聚酯薄膜为介质，电极分为箔式和金属化两种。金属化型采用真空蒸发工艺在薄膜上镀金属层，卷绕后两端喷金属消除电感。

特点：

• 介电常数较高（3.0-3.3），体积小、容量大（470pF~4.7μF）
• 工作温度范围广（-55℃~125℃）
• 金属化型具有自愈特性和无感特性
• 损耗角正切约0.3-0.7%，高于CBB电容
• 成本较低，性价比高

用途：直流和中低频脉动电路的旁路、耦合，电视机、收音机、仪器仪表的滤波电容，音响分频网络（金属化型为高保真首选）。

（3）瓷片电容

工艺：以陶瓷材料为介质，在陶瓷基片表面涂覆金属薄膜（通常为银层），经高温烧结后形成电极，外形为扁平圆片状。

特点：

• 分高频瓷介（NP0/C0G）和低频瓷介（Y5V/Z5U）两类
• 高频型损耗小、稳定性高，容量较小（通常pF~0.1μF）
• 低频型容量可做较大，但温度特性差、稳定性较低
• 耐压性能好，高压型可承受数千伏电压
• 绝缘性好，价格低廉

用途：高频型用于高稳定振荡回路、射频电路、温度补偿电路；低频型用于低频旁路、耦合及对稳定性要求不高的场合；高压型用于电源滤波、X/Y电容安规隔离。

（4）云母电容

工艺：以天然云母为介质，用金属箔或在云母片上喷涂银层作电极，将极板和云母一层层叠合后，压铸在胶木粉或封固在环氧树脂中制成。

特点：

• 容量范围较窄（10~51000pF）
• 稳定性极高、可靠性好，可制成高精度电容器
• 固有电感小，频率特性稳定，是优良的高频电容器
• 绝缘电阻高（1000~7500MΩ），损耗小
• 温度特性好（-55℃~+85℃）
• 价格较贵，逐渐被陶瓷电容和薄膜电容取代

用途：对稳定性和可靠性要求极高的场合，如航天、航空、航海、火箭、卫星、军用电子装备、石油勘探设备、精密仪器仪表。

（5）独石电容（MLCC）

工艺：多层陶瓷电容器的别称。由多层印刷好金属电极的陶瓷膜片，经过交替叠层、切割、高温烧结形成整体独石结构，再在两端包封金属电极制成。

特点：

• 根据材料分三类：NPO（C0G，超稳定型）、X7R（稳定型）、Y5V（高容量型）
• 温度特性好，频率特性好（容量随频率下降少）
• 体积小、容量大（MLCC可达100μF以上）
• ESR低，高频性能优异
• 无极性，寿命长

用途：NPO用于高频振荡、定时电路；X7R用于隔直、耦合、旁路、滤波；Y5R用于对稳定性要求不高的场合。广泛用于手机、基站、汽车电子、工业控制等。

（6）铝电解电容

工艺：以阳极铝箔（表面经腐蚀形成氧化铝介质层）、阴极铝箔、电解纸卷绕而成，浸渍液态或固态电解质，外壳为铝壳密封。

特点：

• 有极性，反接会导致损坏（爆炸）
• 单位体积容量大（0.1μF~法拉级）
• 额定电压较高（可达几百伏）
• ESR较大，高频特性差
• 液态型寿命受温度影响大（电解质会干涸）
• 固态型ESR更低、寿命更长、高频性能好

用途：电源滤波、低频耦合、储能、DC-DC输入输出电容、消费电子、工业产品、可再生能源设备。

（7）钽电容

工艺：以钽金属粉末压制成形后烧结成多孔体，通过阳极氧化在表面生成五氧化二钽介质层，再涂覆固态电解质（二氧化锰或导电聚合物），最后封装电极。

特点：

• 有极性，反接或过压易击穿起火
• 高容量密度（相同体积比铝电解容量大）
• 温度稳定性好，ESR低，漏电流小
• 耐压不易做高（通常50V以下）
• 价格较高，对浪涌敏感（尤其二氧化锰型）
• 故障模式较剧烈（可能短路、爆裂）

用途：移动通信设备（电源管理、信号滤波）、汽车电子（车载电源、发动机控制）、工业控制、医疗设备、军工航天（电源滤波、脉冲放电、高速数据处理）。

使用注意：钽电容需降额使用（通常降额50%以上），避免快速充放电和过压，以防炸裂起火。

（8）贴片多层陶瓷电容（MLCC）

这是应用最广泛的贴片电容，常被直接称为"贴片电容"。

工艺：采用多层叠层工艺——将陶瓷粉末与粘合剂混合制成浆料，通过流延工艺形成薄薄的陶瓷膜片；在膜片上印刷镍等内电极浆料，然后将数十至数百层这样的膜片交替叠压在一起，形成整体坯体；经过高温烧结使陶瓷和电极成为一体，再在两端涂敷铜等外电极，最后电镀镍和锡层，形成类似独石的结构。

特点：

• 体积小、重量轻：最小可做到0201（0.6mm×0.3mm）甚至更小
• 无极性：安装不用考虑方向
• 高频特性好：ESR低、ESL低，自谐振频率高
• 容量范围宽：从pF级到上百μF（低压MLCC）
• 机械强度高：适合自动化贴装
• 缺点：II类介质（X7R、Y5V）容量随直流偏压下降明显

用途：几乎无处不在——手机、电脑、基站、汽车电子、工业控制中的滤波、去耦、旁路、谐振、耦合。

三、按用途分类

用途	典型要求	推荐电容类型
电源滤波	大容量、低ESR、耐压足够	铝电解、固态电容、MLCC（并联）
高频去耦	低ESL、低ESR、高频特性好	MLCC（特别是小封装的）
信号耦合	线性好、漏电流小、无极性	薄膜电容、C0G陶瓷电容
定时/振荡	高稳定性、低温度系数	C0G陶瓷电容、云母电容、聚丙烯电容
储能（大电流脉冲）	高功率密度、低内阻	超级电容、脉冲电容（薄膜类）
交流电机启动	耐压高、能过交流大电流	金属化聚丙烯电容（CBB）
EMI滤波	抑制噪声、安全等级	X/Y安规电容（薄膜类）

四、电容选购指南

在实际项目中选择电容，通常需要权衡以下几个因素：

1. 容量和耐压：首先满足电路的基本需求，同时留有余量（一般降额 20%~50%）。
2. 温度特性：根据工作环境温度范围选择合适温度系数的电容（如汽车级需要 -55℃~125℃）。
3. 频率特性：高频电路需选择低 ESR、低 ESL 的电容（如 MLCC、薄膜电容）。
4. 寿命与可靠性：铝电解电容寿命有限，钽电容怕浪涌，固态电容和薄膜电容寿命较长。
5. 体积与成本：在性能满足的前提下，尽量选用小型化、成本低的电容。
6. 极性：交流通路必须用无极性电容，直流偏置可选用极性电容。

五、常见封装尺寸

英制	公制	长×宽（mm）	常见应用
0201	0603	0.6×0.3	手机、可穿戴设备
0402	1005	1.0×0.5	智能手机、模块
0603	1608	1.6×0.8	通用消费电子
0805	2012	2.0×1.25	通用电路
1206	3216	3.2×1.6	电源、工业控制
1210	3225	3.2×2.5	大容量场合

六、电容器的使用

1、电容的作用
电容的作用有很多，我们只介绍常用的几种。

①隔直流：作用是阻止直流通过而让交流通过。

　　隔直流：电容对直流电有隔直作用，是指在直流电流对电容充电完成以后，电路中没有电流流动了。在直流电源刚加到电容上时，电路中是有电流流动的，这一电流是对电容的充电电流。这一电流流动的过程很快就会结束，具体时间长短与电路中电阻和电容的大小有关，两者大小乘积越大充电时间就越长，反之越短。充电完成后，电容两端的电压等于直流电源电压的大小。

　　通交流：在交流电的一个周期内，由于对电容的正反向充电，流过电路中的电流方向是改变的，但由于对电容的反复充放电，就会使电路中始终有电流通过，等效于电容能够让交流电通过，这就是电容的通交特性。

②旁路（去耦）：为交流电路中某些并联的组件提供低阻抗通路。

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，会导致器件在需要电流的时候，不能被及时供给。而去耦电容可以弥补此不足。这也是为什么很多电路板在高频器件VCC管脚处放置小电容的原因之一（在vcc引脚上通常并联一个去耦电容，这样交流分量就从这个电容接地。）

　　每个集成电路(IC)都必须使用电容将各电源引脚连接到器件上的地，原因有二：防止噪声影响其本身的性能，以及防止它传输噪声而影响其它电路的性能。

　　电容器通过将高频信号旁路到地而实现去耦作用。因此，数字芯片电源引脚旁边100nF的小电容，你可以称之为去耦电容，也可以称之为旁路电容。

　

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

什么是耦合电容？

在电子电路中，我们经常需要将交流信号从一个电路环节传递到下一个环节，但又不能让前后两个环节的直流工作状态相互影响。这时候就需要用到耦合电容。

耦合电容，顾名思义，就是起“连接”和“传递”作用的电容。它像一扇只能通过交流、阻断直流的“门”，让有用的交流信号顺利通过，同时把不需要的直流成分挡在门外。

④滤波：这个对电路而言很重要，MCU背后电容基本都是这个作用。即在MCU每个电源输入口出都会摆放这样一个电容，如下图所示。

即频率f越大，电容的阻抗Z越小。当低频时，电容C由于阻抗Z比较大，有用信号可以顺利通过；当高频时，电容C由于阻抗Z已经很小了，相当于把高频噪声短路到GND上去了。

⑤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。

⑥防止电压突变：主要用于负载突然增大或电源输入能力下降时，稳定电路，如下图中C324 C325等电容。

七、电解电容的爆裂的原因

电容器爆炸的情况又分钽电容和电解电容，设计的时候特别注意，所以现在很多设计避免用钽电容，而电解电容使用也要特别注意。

爆炸的直接原因无非是温度升高后，导致电容内部的电解液急速汽化膨胀，冲破外壳束缚而爆发。但造成这一问题的原因可能有以下这些：

1、电压过高，导致电容击穿，通过电容的电流在瞬间急速增加；

2、环境温度过高，超过电容的允许工作温度，引起电解液沸腾；

3、电容极性接反，造成与1同样的结果。

还有其他原因也会导致电容爆裂：

⑴由于制造质量差等原因，电容器的内部元件击穿。
⑵由于套管密封不良而进入潮气，降低了绝缘电阻；由于渗、漏油、油面下降，从而导致对外壳放电或元件击穿。
⑶内部游离和鼓肚。当电容器内部产生电晕、击穿放电和严重游离时，电容器在过电压作用下，会产生一系列物理、化学、电气效应，加速绝缘老化、分解而产生气体，形成恶性循环，以致箱壳压力增大，造成箱壁外鼓进而导致爆炸。
⑷绝缘损坏，尤其是高压侧引出线制造工艺不良、边缘不平、有毛刺或严重变折时，尖端容易产生电晕，电晕使油分解、箱壳膨胀、油面下降而造成元件击穿。此外，在封盖时如果转角处烧焊时间过长，破坏了内部绝缘，降低了击穿电压，也易导致电容器损坏，进而引起爆炸事故。
⑸当进行带电合闸时，在合闸的瞬间，电压极性可能与电容器残留电荷的极性相反，因而引起爆炸。
⑹通风不良、温升过高、严重过电压和电压谐波分量大，也会引起爆炸。

八、电容的串并联

并联电容器组的等效电容比电容器组中任何一个电容器的电容都要大，但各电容器上的电压却是相等的，因此电容器组的耐压能力受到耐压能力最低的那个电容器的限制。

串联电容器组的等效电容比电容器组中任何一个电容器的电容都要小，但由于总电压分配到各个电容器上，所以电容器组的耐压能力比每个电容器都提高了。

并联电容器组各电容器的两极板间电压U相同，电容器组所带的总电最Q为各个电容器所带电量之和，即并联电容器组的等效电容等于电容器组中各电容之和。

串联电容器组各电容器所带电量相等，就是电容器组的总电量Q、总电压U等于各电容器电压之和。串联电容器组等效电容的倒数等于电容器组中各电容倒数之和。

所以，电容并联，容量增加（各容量相加），耐压以最小的计。

串联电容：串联个数越多，电容量越小，但耐压增大，其容量关系：1/C＝1/C1＋1/C2＋1/C3

并联电容：并联个数越多，电容量越大，但耐压不变，其容量关系：C＝C1＋C2＋C3。

参考资料：电容详解 - 轻轻的吻 - 博客园(https://www.cnblogs.com/yuanqiangfei/p/11306741.html)