硬件基礎(chǔ)知識(shí)---電容容量、尺寸及作用

電容就像水杯一樣，越大的水杯，裝的水越多。電容尺寸越大，容量越大。

電容的單位是F，F(xiàn)arad，法拉。這是個(gè)超大的單位，一般電容達(dá)不到這么大，基本單位為pF、nF和uF。1F=1012pF。

但是法拉并不是電容的絕對(duì)容量，而是相對(duì)值，代表相同電壓下能放出去多少電。即每放出一定的電量，電壓下降一個(gè)定值。

由此可以理解，電容中存儲(chǔ)的電量是“容值x電壓”。這個(gè)電壓指的是耐壓值，就是電容最高能充電充到多少伏。電量和容值成正比，和電壓成正比，和體積也成正比，價(jià)格嘛，也是越大越貴。

例如同樣都是100uF的電解電容，25V的有6x11mm，50V的有8x13mm，200V的有16x25mm。一顆1000uF、450V的電容，可達(dá)35x60mm，比一節(jié)一號(hào)電池還大。（直徑x高度）

電容的容值和精度

一般陶瓷電容最小有0.5pF的，常用的0402電容最大一般是10uF10V，0805的電容最大一般是47uF10V。電解電容都是10uF起步，沒(méi)有nF這么小的，常用的最大可以到10000uF左右。

通常選型的時(shí)候?yàn)榱撕貌少?gòu)、成本低，一般都不會(huì)頂格選電容，設(shè)計(jì)的時(shí)候推薦0402最大選4.7uF，0603最大選10uF，0805最大選22uF。至于電解電容，也是一樣的，先選定容值和耐壓值，然后去規(guī)格書上找常用的尺寸。

容值能不能做的更大，主要看體積。變壓器站用的高壓電容，有很多比一個(gè)箱子還要大。普通電解電容最大也可以做到手臂那么大顆。

那么能不能做的更小，比0.5pF還小呢？能，但是沒(méi)有意義。一個(gè)0402的電容的焊盤寄生電容就有接近1pF了。這么小的電容，主要是給射頻部分使用的。

陶瓷電容標(biāo)不下容值，一般通體黃色或褐色。電解電容的容值一般按照實(shí)際值標(biāo)注在外殼上，如220uF 25V的信息。鉭電容的容值標(biāo)在電容表面，用和電阻一樣的標(biāo)注方式，單位是pF。例如226，就是22x106pF=22uF。

電容的精度普遍都不高，陶瓷電容精度高一些的有5%的（J檔），普通的10%（K檔）、20%（M檔），還有些+80%～-20%（Z檔）。pF級(jí)別的5%比較多，nF級(jí)別的10%比較多，uF級(jí)別的普遍都是20%。電解電容普遍也都是20%。

為什么幾乎用不到高精度電容呢？因?yàn)殡娙荽蟛糠謺r(shí)候是用來(lái)給電源穩(wěn)壓的，容值差一點(diǎn)不影響使用效果。偶爾有射頻匹配和濾波網(wǎng)絡(luò)需要用到pF級(jí)別的電容，5%也足夠用了，不足以對(duì)濾波器的頻點(diǎn)造成影響。

電容的尺寸：對(duì)于陶瓷電容和鉭電容，其尺寸和電阻一樣，小尺寸的用英制，0201、0402、0603、0805，大尺寸的用公制，如2520、3525等。對(duì)于柱狀的電解電容，一般是用“直徑x高度”的方式來(lái)描述尺寸。

因此硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候，要考慮預(yù)留的電容的尺寸盡可能的大。如果你預(yù)留6x11的位置，一般最大也就用100uF 25V的了，想換小的節(jié)省成本沒(méi)有問(wèn)題，但想換大的就很難了，電容廠家做不出來(lái)6x11的470uF 25V的電容。同樣的問(wèn)題在陶瓷電容上也需要注意，例如預(yù)留一個(gè)0805的電容，一般最大也就能貼22uF 6.3V的了，想要更大容值或更高電壓就很難找到物料了。

電容的耐壓值，在弱電領(lǐng)域主要有4V、6.3V、10V、16V、20V、25V、35V、50V這些檔位。上百伏的電容主要用在強(qiáng)電上。耐壓值的選擇非常非常重要，選錯(cuò)了會(huì)有生命危險(xiǎn)。

如果把25V的電容，用在50V的電源上，會(huì)怎么樣？陶瓷電容有機(jī)會(huì)扛得住，也可能被燒掉短路了。電解電容一般扛不住，直接擊穿短路或干脆爆炸了。鉭電容一定扛不住，升起一團(tuán)煙火就燒掉了。

硬件設(shè)計(jì)選擇電容的時(shí)候，務(wù)必要考慮清楚線路的最高電壓，通常是折半使用，就是電容耐壓值要達(dá)到線路電壓的2倍或更多。例如5V電源上的電容要選擇10V的，而不是6.3V的。20V的電源上的電容要選擇50V的電容，而不是35V的。

經(jīng)驗(yàn)上看，陶瓷電容可以選擇略小一些的，因?yàn)樘沾呻娙輰?duì)高壓的耐受能力比較好。鉭電容一定要嚴(yán)格按照2倍以上來(lái)選擇，因?yàn)殂g電容比較容易被擊穿。電解電容推薦使用2倍以上，以避免供應(yīng)商品質(zhì)控制不嚴(yán)格帶來(lái)的隱患。

電容的方向：陶瓷電容不分正負(fù)極，電解電容和鉭電容都有正負(fù)極的區(qū)分。如果接反了，就會(huì)擊穿然后起火或者爆炸。

不巧的是，電解電容和鉭電容都是對(duì)稱的，正反都能焊接。在硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候，要從原理圖、PCB上明確區(qū)分電解電容和鉭電容的正負(fù)極，不能畫反了。SMT貼片的時(shí)候也要注意不能反著貼。

↑ 圖：電解電容的符號(hào)和陶瓷電容的符號(hào)

電解電容有標(biāo)識(shí)的是負(fù)極，鉭電容有標(biāo)識(shí)的是正極。兩個(gè)是相反的。

電容的作用

電容的計(jì)算公式：C=εS/4πkd，實(shí)話說(shuō)，我也記不得這是干什么的了>_<||| ，自從高考完，再也沒(méi)用過(guò)，早就還給老師了。在工作的十幾年中，壓根用不到這些最理論化的計(jì)算。

那么電容在硬件設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)怎么用呢？前面講到了電容的基本特性就是儲(chǔ)能，一個(gè)水杯，不斷的充水放水、充電放電。電容的一切應(yīng)用都是圍繞著這個(gè)基本特性來(lái)開展的。

電阻一般不是用來(lái)分壓的，同樣電容一般也不是用來(lái)儲(chǔ)能的。純粹用來(lái)儲(chǔ)能的場(chǎng)景非常少，這么多年以來(lái)，我記得只有一個(gè)場(chǎng)景是用來(lái)儲(chǔ)能的。

電感用的最多的地方：電源穩(wěn)壓、去耦、濾波、去干擾、射頻調(diào)諧、最后才是儲(chǔ)能。

電容的在交流電下的特性

看案例之前，要先了解一下電容這個(gè)“水杯”在接水放水狀態(tài)下的特點(diǎn)：隔絕直流，通過(guò)交流。

電容兩端的電壓恒定之后，電容就無(wú)法繼續(xù)充電，也無(wú)法放電。因此電壓恒定不變的直流電無(wú)法穿過(guò)電容。這就是電容“隔絕直流”的作用。

如果電容兩端的電壓是變化的，外部電壓低的時(shí)候內(nèi)部對(duì)外放電，外部電壓高的時(shí)候?qū)?nèi)部充電，變化的部分能夠穿過(guò)電容。這就是電容“通過(guò)交流”的作用。

↑ 圖：并聯(lián)電容濾波

電容并聯(lián)在信號(hào)線或電源線上的時(shí)候，起到濾波的作用，交流信號(hào)導(dǎo)入地上，直流分量通過(guò)電容到另一側(cè)。

↑ 圖：串聯(lián)電容隔直

電容串聯(lián)在信號(hào)線上，起到隔直的作用。交流分量穿過(guò)電容，直流分量被阻擋下來(lái)。

↑ 圖： 實(shí)際電容在高頻下的等效電路

↑ 圖： 實(shí)際電容的頻率響應(yīng)，在特定頻率范圍的等效電阻最小

↑ 圖：1pF電容的高頻頻率響應(yīng)

一個(gè)理論的電容，能夠通過(guò)所有高頻的信號(hào)。但實(shí)際上的電容是有寄生電感的，構(gòu)成了一個(gè)LC諧振電路，這個(gè)電路在諧振點(diǎn)周圍的等效電阻最小。

就是說(shuō)，電容能夠通過(guò)特定頻段范圍的交流信號(hào)，阻斷或部分阻斷其他頻段的交流信號(hào)。電容越大，能夠?yàn)V除的頻段越低。

如果有個(gè)無(wú)限大的電容，永遠(yuǎn)充不滿電的電容，那么連直流（0Hz的交流）也可以完全濾除掉。

因此在使用過(guò)程中，要根據(jù)信號(hào)的頻率，來(lái)選擇合適的電容。濾除低頻噪聲用大電容，濾除高頻噪聲用小電容。

審核編輯：符乾江