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电容的选择技巧

2018-06-21
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 电容是我们在电路中经常用到的无源器件,经常见到的几种有铝电解电容,滤波电容,钽电容,贴片陶瓷电容等。由于每种电容的特性决定了相应的使用场合不同。所以本文先介绍电容的基础知识,然后通过比较几种电容的区别和特点,总结出了在实际电路中选择电容的技巧。


电容的基础知识

1.电容的分类和作用

  电容由两个金属极,中间夹有绝缘材料(介质)构成。由于绝缘材料的不同,所构成的电容器的种类也有所不同:

  (1)按结构可分为:固定电容,可变电容,微调电容。

  (2)按介质材料可分为:气体介质电容,液体介质电容,无机固体介质电容,有机固体介质电容电解电容。

  (3)按极性分为:有极性电容和无极性电容。 我们最常见到的就是电解电容。

  (4)电容在电路中具有隔断直流电,通过交流电的作用。


2.电容的符号

  电容的符号同样分为国内标表示法和国际电子符号表示法,但电容符号在国内和国际表示都差不多,唯一的区别就是在有极性电容上,国内的是一个空筐下面一根横线,而国际的就是普通电容加一个“+”符号代表正极。


  在电路图示中,电容一般用C符号标识。


3.电容的单位

  电阻的基本单位是:F (法),此外还有μF(微法)、nF(纳法)、pF(皮法),由于电容 F 的容量非常大,所以我们看到的一般都是μF、nF、pF,而不是F.  他们之间的具体换算如下:

  1F=1000000μF

  1μF=1000nF=1000000pF


4.电容的耐压 单位:V(伏特)

  每一个电容都有它的耐压值,这是电容的重要参数之一。普通无极性电容的标称耐压值有:63V、100V、160V、250V、400V、600V、1000V等,有极性电容的耐压值相对要比无极性电容的耐压要低,一般的标称耐压值有:4V、6.3V、10V、16V、25V、35V、50V、63V、80V、100V、220V、400V等。


5.电容的种类

  电容的种类有很多,可以从原理上分为:无极性可变电容、无极性固定电容、有极性电容等,从材料上可以分为:CBB电容(聚乙烯),涤纶电容、瓷片电容、云母电容、独石电容、电解电容、钽电容等。


电路中电容选择的技巧

有了上面的电容基础知识做铺垫,下面我们就来比较一下几种电容的区别和特点,总结一下在实际电路中选择电容的一些技巧。


(1)铝电解电容。其主要的组成部分就是铝箔和电解液。简单的了解铝电解电容的生产工艺,即把铝箔卷成柱状,注入液态电解质,再引出正负两个端子,然后把电容的芯材密封在金属外壳里。液态电解液中存在一定比例的水,当电容上有漏电流流过的情况下,水可以被分解为氢气和氧气,氧气通过氧化反应可以与阳极形成新的氧化膜,氢气通过电容的橡胶塞排出。这样不至于损坏电容。生产工艺简单,成本低是铝电解电容的一个特点。除此之外,铝电解电容还有以下特点:


a. 由于密封壳不是完全的密封,电解液会容易干涸,因此铝电解电容的使用寿命有限;


b. 由于电解液中水的存在,影响了铝电解电容在高温和低温环境下的使用性能;


c. 工艺特性原因,铝电解电容的ESR,ESL比较难做小,因此铝电解电容的自谐振频率点通常都比较低,大致在几十KHz到几MHz范围;


d. 铝电解电容的容量与铝箔的尺寸正相关,容量可以做的很大,容量越大电容尺寸越大。


根据以上特性,铝电解电容被广泛应用在低频的滤波场合,特别是在几十KHz到几MHz的环境,比如电源的输出滤波,我们经常看到的都是铝电解电容的身影。在使用铝电解电容的时候,要注意电容耐压满足电路需求。另外,在其他要求不严格的情况下,容量可以尽量选择大一些,容量越大ESR越小,更容易满足电路目标阻抗的要求。在某些高温使用环境,尽量避免选择小体积小容量的铝电解电容,以免由于温度过高电解液挥发干涸造成电容失效影响到整个电路的工作。

(2)滤波电容。整流后由于滤波用的电容器容量较大,故必须使用电解电容。滤波电容用于功率放大器时,其值应为10000μF 以上,用于前置放大器时,容量为 1000μF 左右即可。当电源滤波电路直接供给放大器工作时,其容量越大音质越好。但大容量的电容将使阻抗从 10KHz 附近开始上升。这时应采取几个稍小电容并联成大电容同时也应并联几个薄膜电容,在大电容旁以抑制高频阻抗的上升。滤波电容的特点包括以下几个方面:


a. 谐波滤波器回路由电容器串联电抗器组成,在某一谐波阶次形成最低阻抗,用以吸收大量谐波电流,电容器的质量会影响谐波滤波器的稳定吸收效果,电容器的使用寿命跟温度有很大的关系,温度越高寿命越低,滤波全膜电容器具有温升低等特点,可以保证其使用寿命;


b. 损耗低,介质损耗角正切值(tgδ):≤0.0003;


c. 符合GB、IEC标准,内部单体电容器均附装保护装置;


d. 体积小且重量轻,搬运安装极为方便。


根据滤波电容的特点我们可以了解到滤波电容是并联在整流电源电路输出端,用以降低交流脉动波纹系数、平滑直流输出的一种储能器件。在使用将交流转换为直流供电的电子电路中,滤波电容不仅使电源直流输出平稳,降低了交变脉动波纹对电子电路的影响,同时还可吸收电子电路工作过程中产生的电流波动和经由交流电源串入的干扰,使得电子电路的工作性能更加稳定。


(3)钽电容。钽电容是另外一种使用广泛的电容,同铝电解电容一样,钽电容也是一种电解电容。其主要的工艺流程是将钽粉压制成型后烧结成多孔的实心块,经过阳极化处理形成氧化膜,然后覆上固体电解质,再覆上一层石墨及铅锡涂层,最后用树脂封装成型为固体的钽电容。钽电容具有如下特点:


a. 与铝电解电容不同,钽电容的电解质为固体,所以不存在电解液干涸的问题,寿命会有所提高;


b. 由于采用的固体电解质,其容量温度特性比较稳定,因此温度对电容容量的影响较小,高低温性能优于铝电解电容;


c. 钽电解电容可以做到较大容量下较小的封装,因此ESR,ESL都可以控制的比较小,其自谐振频率比铝电解电容要高;


d. 工艺上比铝电解电容复杂,成本较高。


通过比较我们可以发现,钽电容有很多铝电解电容不具备的优点,在某些滤波的使用场景钽电容可以很好的替代铝电解电容。但是有几个需要注意的点:由于钽电容的结构决定了,钽电容的耐压普遍不高,在实际电路重要注意钽电容的耐压要求,并留有一定余量。在对付电源上电瞬间大电流冲击和和大的电压瞬变方面钽电容没有铝电解电容优秀。温度对钽电容的影响很小,在实际使用中我们可以忽略温度对钽电容的影响。


(4)瓷片电容。瓷片电容是我们在实际电路中使用最多的电容,其结构比较简单,就是把瓷片交替叠在一起烧结而成。体积小成本低,使用广泛。其只要特点有:


a. 尺寸小。瓷片电容结构简单,尺寸可以做到很小,0402甚至0201封装的瓷片电容广泛应用在像手机这样对尺寸有严格要求的场合;


b. 电性能稳定,温度影响较小;


c. ESR,ESL值很低,自谐振频率较高,可应用于PCB上几MHz到1GHz的滤波要求;


d. 由于多层的结构特性和封装原因,抵抗弯曲能力较差,PCB弯曲变形有可能引起电容开裂失效。


根据以上器件特性,瓷片电容除了应用于滤波场景以外,还广泛应用于隔直,耦合,旁路等多种应用场合。其工作频率较电解电容有很大提高,能满足几MHz到1GHz的应用环境。


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