電容的基礎(chǔ)知識-作用、參數(shù)和類型

作為三大基礎(chǔ)電子元件（電阻、電容和電感）之一，在實際應(yīng)用中幾乎找不到不含有電容的電路板。電容的組成其實非常簡單，只是由兩個極板中間夾著一層介質(zhì)組成，是中學(xué)教材中最早涉及的元件之一，電容的作用也非常簡單，無非就是充電和放電而已。

但是電容又是最為復(fù)雜的元件之一，雖然從初中就開始學(xué)習(xí)電容，但是一直到高中、大學(xué)甚至研究生的教材中都一直在講解電容的特性和應(yīng)用。尤其是在實際使用過程中，要考慮的遠遠不止課本中的容值這一參數(shù)，而且如果電容選擇的不當(dāng)，很有可能會使設(shè)計的電路無法正常工作。所以掌握好電容的基礎(chǔ)特性，對于電路的分析和設(shè)計是十分必要的。

一、電容的作用

電容的基本作用是充電和放電，且兩端電壓不能突變，基本性質(zhì)是通交流、阻直流，通高頻、阻低頻，根據(jù)這一性質(zhì)延伸出來旁路、去耦、儲能和耦合等不同作用。

1.旁路和去耦：

旁路和去耦都可以認為是濾波，只不過旁路電容一般放在信號的輸入端，用于濾除輸入信號中含有的噪聲，而去耦電容則主要用于信號的輸出端，用于濾除輸出信號中含有的噪聲。簡單來說，濾波就是使直流信號中的交流成分（噪聲）或者低頻信號中的高頻成分通過電容流向電源地。

去耦電容通常用于電源輸出端和開關(guān)器件輸出端，旁路電容通常用于IC的電源和信號輸入引腳。Layout時要盡量使濾波電容（旁路和去耦）靠近芯片的輸入或者輸出引腳，以最大程度地提高輸入信號的純凈度，并減少輸出信號中含有的噪聲對其他元件的干擾。

理論上容值越大，阻抗越低，通過的信號頻率也越高，但是實際上超過1μF的電容大多是電解電容，含有很高的電感成分，頻率升高后，阻抗會增大。所以會經(jīng)常在電路中看到一個大電容和小電容并聯(lián)，其中大電容主要用來濾除低頻噪聲，而小電容則用來濾除高頻噪聲。

2.儲能

超級電容器是專門用于存儲能量的電容，但是一般的電容也都有儲能的作用，比如旁路電容和去耦電容除了能夠濾除信號中的噪聲，還兼具儲能的作用，就像是一個電池，不斷地進行充電和放電。

3.耦合

主要利用電容器通交流、阻直流的特性，使電路中的交流信號傳遞到下一級，同時隔斷直流信號。

4.軟啟動

利用電容兩端電壓不能突變的特性，防止在打開開關(guān)的瞬間電壓或者電流過大，損壞后級電路。

除了以上作用，電容和電阻組合使用還可以構(gòu)成積分電路、微分電路、定時電路、自舉電路等，這些會在后續(xù)推文中詳細介紹。

二、電容的參數(shù)

標(biāo)稱容量、精度、額定電壓、溫度系數(shù)、等效串聯(lián)電阻、等效串聯(lián)電感、漏電流、絕緣電阻、損耗和頻率特性、工作溫度范圍、使用壽命等。

溫度系數(shù)：指在一定范圍內(nèi)，溫度每變化1℃，容值的相對變化值，與介質(zhì)材料和電容結(jié)構(gòu)有關(guān)。

漏電流：由于電容介質(zhì)并不是絕對不導(dǎo)電的，所以在一定電壓下，流過介質(zhì)的電流被稱為漏電流（一般很微弱）。與環(huán)境溫度、施加電壓、電容容量、制造工藝等有關(guān)。

絕緣電阻：指電容電壓與漏電流的比值。與介質(zhì)的介電常數(shù)、介質(zhì)厚度、介質(zhì)面積等有關(guān)。

電容損耗：在電場作用下，電容因發(fā)熱而消耗的能量，分為介質(zhì)損耗和金屬損耗，常用損耗角正切值表示。

等效串聯(lián)電阻（ESR）：理論上電容在充放電過程中不會有能量消耗，但是由于介質(zhì)損耗、端子引線等原因，會使電容消耗一部分能量，對外就類似一個電阻和電容串聯(lián)在一起，這個電阻就被稱為ESR。ESR的存在會使電容兩端的電壓發(fā)生突變，降低電容的濾波性能。是電容非常重要的參數(shù)之一

三、電容的類型

按照介質(zhì)、作用和封裝形式等可以將電容分為多個不同的類型，這里主要討論不同介質(zhì)類型的電容。主要有陶瓷電容、紙介電容、云母電容、獨石電容、薄膜電容、金屬化紙介電容、油浸紙介電容、鋁電解電容、鉭電解電容。

陶瓷電容：指以陶瓷為介質(zhì)的電容，原材料豐富，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，容量范圍寬（幾pF~幾百μF），體積小，損耗小，因此應(yīng)用非常廣泛，分為高頻瓷介電容和低頻瓷介電容。

紙介電容：用很薄的特制電容紙作為介質(zhì)，鋁箔或錫箔作為電極并卷繞成型，然后接出引線，再經(jīng)過漫漬處理，用外殼封裝或環(huán)氧樹脂灌封而成。具有體積小，容量較大（10pF~幾十μF），工作范圍寬（最高可達6.3kV），成本低，但是固有電感和介質(zhì)損耗比較大，穩(wěn)定性差。多用于低頻電路。

云母電容：在云母片上噴涂銀層制成電極板，將電極板和云母介質(zhì)疊合后，再壓鑄在膠木粉或封固在環(huán)氧樹脂中制成。具有介質(zhì)損耗小、絕緣電阻大、溫度系數(shù)小、精度高等特點，適用于高頻電路，但是體積大，容量?。?.5~10^4^pF）。

獨石電容：又稱多層陶瓷電容器，簡稱MLCC，由多層絕緣介質(zhì)加兩個導(dǎo)電的金屬電極組成。根據(jù)美國電工協(xié)會（EIA）的標(biāo)準(zhǔn)，可以根據(jù)溫度穩(wěn)定性將不同介質(zhì)材料的MLCC分為三類：超穩(wěn)定級（I類），如COG或NPO；穩(wěn)定級（II類），如X7R；能用級（III類），如Y5V。其中，NPO的穩(wěn)定性最好，幾乎不隨溫度、時間和電壓的改變而改變，但是容量最大只有100 nF，適用于對穩(wěn)定性和可靠性要求較高的高頻、特高頻電路中。

X7R又被稱為溫度穩(wěn)定型陶瓷電容器，當(dāng)溫度在-55℃+125℃時其容量變化為±15%，但是容量并不是呈線性變化的，容量范圍為300pF3.3μF。Y5V的穩(wěn)定性比X7R差，在-30℃ ~ +85℃范圍內(nèi)容量變化為-82%~+22%。

薄膜電容：以金屬箔為電極，電子級塑料薄膜作為介質(zhì)。根據(jù)介質(zhì)材料的不同又分為聚乙酯電容、聚丙烯電容、聚苯乙烯電容、聚碳酸酯電容和滌綸電容等。其中，聚苯乙烯電容的絕緣電阻高達100GΩ，漏電流極低，介質(zhì)損耗小，精度高，可在部分高頻電路中替代云母電容，但是體積較大，工作溫度。

聚丙烯電容（CBB電容）與聚苯乙烯電容的性能類似，但是體積較小，價格低，溫度系數(shù)略大于聚苯乙烯。

滌綸電容具有介電常數(shù)較高，體積小，容量大，穩(wěn)定性較好等特點，適宜做旁路電容。

鋁電解電容：最常見的電容之一，由鋁圓筒做負極，里面裝有液體電解質(zhì)，插入一片彎曲的鋁帶做正極制成。容量大（可以做到F級），成本極低，但是漏電流大，穩(wěn)定性差，有正負極在電源濾波和低頻電路中應(yīng)用非常廣泛。

鉭電解電容：是所有電容中體積小而又能達到較大容量的產(chǎn)品，但是由于鉭原料稀缺，所以價格較昂貴。鉭電容的絕緣電阻大，漏電流小，溫度特性好，有正負極，多用于要求較高的場合。

安規(guī)電容：指失效后，不會導(dǎo)致電擊，不危及人身安全的電容器，主要用在開關(guān)電源中，分為X電容和Y電容。X電容是指跨接在零線和火線之間的電容，主要用于差模濾波。Y電容是指零線與地、火線與地之間的電容，主要用于共模濾波。