当前位置:首页 > 嵌入式 > 模电想说爱你不容易
[导读] 相比电阻,电容给我们的感觉总是有那么一丝丝的神秘,让人捉摸不透,这其中的主要原因还是因为电容具有“隔直通交”的特性,它不像电阻一样具有线性特征,而是具有非线性特征。电容作为电子电路中常用的元器件,它有哪些特点和应用注意事项呢?下面我们一起学习一下吧。

硬小妹:“哎呀!李工,这颗钽电容怎么炸了啊?板子电源正负极我没有接反啊?!”

油条李:“检查下钽电容的极性你是不是焊反了!”

硬小妹:“钽电容丝印的横杠不是负极吗?”

油条李:“呵呵,年轻人,做事不能想当然,万事万物总有特例的嘛!”


    相比电阻,电容给我们的感觉总是有那么一丝丝的神秘,让人捉摸不透,这其中的主要原因还是因为电容具有“隔直通交”的特性,它不像电阻一样具有线性特征,而是具有非线性特征。电容作为电子电路中常用的元器件,它有哪些特点和应用注意事项呢?下面我们一起学习一下吧。

一、电容的类别

    随着电子行业的发展,电容已有多种类型,其根据不同的分类方式可分为不同的类型:

根据电容生产加工材料的不同可分为多层片式陶瓷电容、引线陶瓷电容、铝电解电容、固体电解质钽电容、圆片瓷片电容、厚膜网络电容;根据电容应用场景的不同可分为通用型陶瓷电容、车用电容、高频电容、软端电极电容、微型化电容、排容、低感值电容、工业用电容。

1.陶瓷电容:陶瓷电容具有良好的稳定性、绝缘性、耐高压性的特点,广泛应用于消费类、工业、家电等行业,但其容量一般较小。

2.铝电解电容:铝电解电容器每单位体积有较大的电容值,可达几千uF甚至上万uf;由于电解电容器的静电电容大,使得它们特别适合于通过或绕过低频率的信号,并储存大量的能量。

3.钽电容:钽电容的电介质为金属钽,而不是电解液,因此适合在高温环境中使用,具有寿命长、精度高、滤波效果好的特点,但其价格相比铝电解电容也是高昂的,另外,钽电容的耐压值低、容量小、耐电流冲击性差,在使用时要注意降额使用。

4.导电聚合物电容:导电聚合物电容具有低ESR、低阻抗、大容量的特点,此外,静电容量具有无直流偏置特性,温度特性也十分稳定,在纹波吸收、平滑和瞬态响应方面具有极佳的性能。因此,十分适合用于平滑各种电路的输入输出电流,并可以作为备用装置在CPU周边设备的负载发生变化时使用,这将有助于减少元件数量、减小电路板的空间。

    以上几种类型的电容是我们经常使用的,它们的特性对比表如下图所示:

图源|村田官网

二、电容常见的品牌

    常见的电容品牌厂家主要有以下几种:

1.村田

2.三星

3.TDK

4.国巨

5.风华高科

6.华新科

7.太诱

8.基美

9.AVX

10.楼氏电子

    随着电容技术的进步,多层片式陶瓷电容MLCC成为主流的电容类型,其封装尺寸可以做到0201、01005、008004,以适应电子产品小型化的需求。在一些实际应用当中,MLCC电容以稳定的性能、低廉的价格以及良好的体积逐渐替代了铝电解电容。

三、陶瓷电容的分类

根据国际电工协会EIA RS-198标准,陶瓷电容根据其稳定性可分为三大类:

Class I陶瓷电容:该类陶瓷电容稳定性高、损耗低,具有温度补偿,可用于谐振电路;

Class II陶瓷电容:该类陶瓷电容具有较高的容量,但稳定性较差,没有温度补偿,可用于滤波、旁路、去耦和耦合等电路;

Class III陶瓷电容:该类陶瓷电容具有更高的容量,但稳定性更差,用于电源电路中;

Class IV陶瓷电容:该类陶瓷电容是代表界限不再标准的电容器。

1.陶瓷电容的容值编码

    贴片陶瓷电容的表面是没有丝印字符的,而插件陶瓷电容的表面有丝印字符,该字符指示了电容的容值和精度,其中前三位数字代表了容值,最后一位字母代表了电容的精度,比如丝印字符104K,则表示电容的容量为10x10000pF = 100nF = 0.1uF,精度为10%,具体的精度字母代表的含义如下图所示:

图源|维基百科

2.陶瓷电容的温度系数

    陶瓷电容的温度系数由三个字符组成,不同类别的陶瓷电容字符的含义有所不同,Clas I类的陶瓷电容的前两位字符表示电容的容值温漂大小,单位为ppm/℃,最后一位字母表示容值误差大小,此数据是在25~85摄氏度的条件下测到的,如下表所示:

图源|维基百科

比如,陶瓷电容温度系数标识为C0G,则表示其温漂为0x(-1)= 0 ppm/℃,误差为正负30ppm/℃;标识P3K,则表示其温漂为1.5 x(-1000)=-1500ppm/℃,误差为正负250ppm/℃。

Class II类陶瓷电容和Class III类陶瓷电容的温度系数标识的第一位表示工作温度的下限,第二位表示工作温度的上限,第三位表示容值精度,如下表所示:

图源|维基百科

比如,陶瓷电容温度系数标识为X5R,则表示其工作温度为-55~+85摄氏度,容差为正负15%;标识Y5V,则表示其工作温度为-30~+85摄氏度,容差为+22~-82%。

四、陶瓷电容的特性

    电容的参数是随着电压和频率的变化而变化的,因此电容的参数都是在一定条件下测定的,下图是三星公司的MLCC电容参数测试条件:

图源|三星官网

    在实际电路应用当中,我们除了关注陶瓷电容的容值大小、封装尺寸之外,还需要关注陶瓷电容的其他相关参数,下面就以三星公司的Class II类陶瓷电容型号CL21B104KBCNFN为例一起学习一下吧,该型号的具体参数为100nF,0805封装,X7R,额定电压50V。

1.耐压值。陶瓷电容的最高耐压值与其封装大小有直接的关系,其封装尺寸越大最高耐压值也就越高,比如,1206封装尺寸的陶瓷电容的耐压值可达2000V;陶瓷电容常用的耐压值有16V、25V、50V等等,另外,相同封装尺寸的陶瓷电容也会有不同的耐压值可供选择。

2.损耗角正切(DF)。该参数表征的是电容能量损耗的大小,其计算公式为DF = 电容损耗能量/电容存储能量,DF的值越小,代表电容越稳定,越接近理想的电容。

3.品质因子(Q)。在高频电路中,由于频率较高,电容的DF值较小,因此采用品质因子来表征电容的高频特性,即Q = 1/DF。

4.绝缘电阻(IR)。电容的绝缘电阻值受环境因素影响较大,特别是潮湿环境会极大影响其绝缘电阻的大小,因此应注意产品的防潮处理。

5.直流电压特性。Class I类陶瓷电容是比较稳定的,其容值不会随着直流电压的变化而变化;而Class II、III类陶瓷电容的容值则会随着直流电压的变化而变化,直流电压越接近电容的额定工作电压其容值变化越大,因此在实际应用当中,我们要降额使用,一般不宜超过电容额定电压的一半,电容CL21B104KBCNFN的直流电压特性如下图所示:

图源|三星官网

6.交流电压特性。Class I类陶瓷电容是比较稳定的,其容值基本不会随着施加的交流电压的变化而变化;而Class II、III类陶瓷电容的容值则会随着施加的交流电压的变化而变化,电容CL21B104KBCNFN的交流电压特性如下图所示:

图源|三星官网

7.等效电感。在高频信号下,电容会表现出一定的电感特性,且电感量较小,一般为nH级别,电容CL21B104KBCNFN的等效电感特性如下图所示,当信号频率为25Mhz左右时,等效电感量约为0.45nH。

图源|三星官网

8.等效阻抗和等效串联电阻。由于电容存在等效电感和等效串联电阻,因此每个电容都会有一个谐振频率点,电容值越大,其谐振频率越小;电容值越小,其谐振频率越大。电容CL21B104KBCNFN为100nF的电容,其谐振频率点大约为25.7Mhz,此时电容的等效阻抗是最小的,大约为28.5mΩ,对该谐振频率点附近的信号通过性是最佳的,这也就是电容滤波的基本原理。电容CL21B104KBCNFN的等效阻抗(红线)和等效串联电阻(蓝线)如下图所示:

图源|三星官网

9.温升。电容的温升大小与信号的频率和纹波电流是有关系的,频率越低、纹波电流越大其温升也就也大,电容CL21B104KBCNFN的温升特性曲线如下图所示,其中红线是信号频率100Khz,蓝线是信号频率500Khz,黄线是信号频率1000Khz。

图源|三星官网

五、电容的应用及注意事项

    电容的种类多种多样,不同类型的电容其作用也会有所差异,常见的电容应用场景主要有以下几种:

1.储能。由于电解电容的能够存储的能量较大,故可以用来作为系统掉电后的备用电源,以保证系统存储数据的完整性。

2.滤波。不同容值的电容对不同频率信号的阻抗不同,通过选择合适容值的电容可以将干扰信号、噪声信号等过滤掉,以使电源更稳定、信号更平滑。

3.耦合。利用电容隔直通交的特性,能够有效滤除信号的直流分量而保留交流分量,使信号传递到下一级电路。

4.调谐。通过LC谐振电路能够产生一定频率的波形,而改变电容值的大小则可以改变谐振频率的大小,以实现到我们需要的信号频率。

5.延时。电容的充放电是具有一定时间的,容量越大其充放电时间也就越长,根据此原理可以实现简单的电路延时功能。

6.失效分析。电容的失效主要包括开路、短路以及参数漂移三种类型,其中短路是我们常见的失效现象,特别是在电源电路应用当中,电容短路是非常危险的,极易引起发热起火的事故,因此要做好电路板的防护以及电容参数的降额使用。

7.啸叫分析。在MLCC电容应用当中有时会出现电容啸叫的现象,这种现象被称为“电致伸缩”现象,此现象是由于MLCC电容的强介电陶瓷材料在电压的作用下发生了机械变形,此形变是非常微小的,一般为1pm~1nm,该形变传递到了电路板上导致基板振动,如果此振动频率刚好在人耳的可听范围之内就能够被我们听到,就好像电容在啸叫一样。解决的办法之一是更换低介电常数材料的电容,因为电容的介电常数越低,“电致伸缩”效应也就越小。


    阻容器件作为电子电路的基础元器件,串联起了电路板的方方面面,进而形成了庞大的电子世界;而电容就像一位神奇的魔法师,改变着信号的相位、波形、频率,去除杂波,留取精华,把信号的使者送往远方,使其开花结果!

声明:本文仅代表作者本人观点,不代表本站观点,如有问题请联系站方处理。
换一批
延伸阅读

电子数据互换(electronic data interchange,EDI)亦称电子数据交换,是一种综合了计算机应用、通信和现代管理技术的电子化贸易手段。

关键字: 数据交换 电子 通信

【2022 年 1 月13日,德国慕尼黑讯】英飞凌科技股份公司(FSE: IFX / OTCQX: IFNNY)近日发布了该公司第五代CAPSENSE™电容和电感式触摸感应人机界面(HMI)技术。新一代CAPSENSE解...

关键字: 英飞凌 微控制器 电容

1月6日消息,近日,厦门海沧区2022年第一季度7个项目正式动工,总投资43.5亿元,士兰微电子的12英寸芯片产能扩产项目在列。

关键字: 芯片 士兰微 电子

2021年11月全球半导体销售额保持强劲,所有主要区域市场和半导体产品类别同比大幅增长

关键字: 半导体 芯片 电子

改善状态监控和诊断并实现整体系统优化,是当今人们在使用机械设施和技术系统时面临的部分核心挑战。这个话题不仅在工业领域,在任何使用机械系统的地方都愈加重要。

关键字: 传感器 维修 ADI

1827年,欧姆大叔经过严谨的实验和数据分析发现:导体两端的电压与通过导体的电流成正比,这一结论奠定了早期电子发展史的基础,而电阻作为电路学中典型的元件,其特性在一定条件内遵守欧姆定律。在电子电路中,电阻是我们常见的元...

关键字: 工程师 物联网 嵌入式 硬件 模拟电子 电子

近期,有位网友说出了对苹果手机目前状态的一些解答,称以前感觉苹果iPhone是绝对的存在,几乎没有任何手机厂商可以进行抗衡,实力非常的出色。

关键字: 苹果 硬件 iPhone SE3

(全球TMT2021年12月13日讯)2021年12月7-8日,STIF 2021国际科创节暨2021数字服务大会在天津举办。本次大会以“数智引领未来”为主题,吸引了超过400家全球最具科创精神的公司前来参会,会上展示...

关键字: 电子元器件 数字化 华强 电子

模电想说爱你不容易

7 篇文章

关注

发布文章

编辑精选

技术子站

关闭