电容基础知识

发布 2019-08-27 11:48:20 阅读 7805

1什么是电容。

电容,就是容纳和释放电荷的电子元器件。电容的基本工作原理就是充电放电,当然还有整流、振荡以及其它的作用。另外电容的结构非常简单,主要由两块正负电极和夹在中间的绝缘介质组成,就像三明治一样,所以电容类型主要是由电极和绝缘介质决定的。

电容是电子设备中最基础也是最重要的元件之一。电容的产量占全球电子元器件产品(其它的还有电阻、电感等)中的40%以上。基本上所有的电子设备,小到闪盘、数码相机,大到航天飞机、火箭中都可以见到它的身影。

作为一种最基本的电子元器件,电容对于电子设备来说就象食品对于人一样不可缺少。

电容既不产生也不消耗能量,是储能元件。电容器在电力系统中是提高功率因数的重要器件;在电子电路中是获得振荡、滤波、相移、旁路、耦合等作用的主要元件。

电容的国际单位名称是法拉,用符号f表示。工程上多采用微法(μf)或皮法(pf)。它们之间关系是:

1法拉=103毫法=106微法=109纳法=1012皮法。

1pf=10-3nf=10-6uf=10-9mf=10-12f

电容器的识别方法与电阻的识别方法基本相同,分直标法、色标法和数标法3种。

1直标法是将电容的标称值用数字和单位在电容的本体上表示出来:如:220mf表示220uf;.

01uf表示0.01uf;r56uf表示0.56uf;6n8表示6800pf。

2不标单位的数码表示法。其中用一位到四位数表示有效数字,一般为pf,而电解电容其容量则为uf。如:

3表示3pf;2200表示2200pf;0.056表示0.056uf。

3数字表示法:一般用三为数字表示容量的大小,前两位表示有效数字,第三位表示10的倍幂。如102表示10*102=1000pf;224表示22*104=0.2uf。

2电容的用途。

1滤波作用:在电源电路中,整流电路将交流变成脉动的直流,而在整流电路之后接入一个较大容量的电解电容,利用其充放电特性,使整流后的脉动直流电压变成相对比较稳定的直流电压。在实际中,为了防止电路各部分供电电压因负载变化而产生变化,所以在电源的输出端及负载的电源输入端一般接有数十至数百微法的电解电容。

由于大容量的电解电容一般具有一定的电感,对高频及脉冲干扰信号不能有效地滤除,故在其两端并联了一只容量为的电容,以滤除高频及脉冲干扰。汹涌的河水流入到湖泊中,再让它流出来,那就显得平静而柔和了。电容就是充当了湖泊的作用。

让电流更纯净没有杂波。

2耦合作用: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。在低频信号的传递与放大过程中,为防止前后两级电路的静态工作点相互影响,常采用电容藕合。

为了防止信号中低频分量损失过大,一般总采用容量较大的电解电容。

3隔直通交:电容器主要用于交流电路及脉冲电路中,在直流电路中电容器一般起隔断直流的作用。

4旁路(去耦):为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。

5在接地线上,为什么有的也要通过电容后再接地?

答:在直流电路中是抗干扰,把干扰脉冲通过电容接地(在这的次要作用是隔直--电路中的电位关系);交流电路中也有这样通过电容接地的,一般容量较小,也是抗干扰和电位隔离作用。

6补尝功率因数:在工业上使用的负载主要是电动机感性负载,要并联电容这种容性负载才能使电网平衡。因为在电容上建立电压首先需要有个充电过程,随着充电过程,电容上的电压逐步提高,这样就会先有电流,后建立电压的过程,通常我们叫电流超前电压90度(电容电流回路中无电阻和电感元件时,叫纯电容电路)。

电动机、变压器等有线圈的电感电路,因通过电感的电流不能突变的原因,它与电容正好相反,需要先**圈两端建立电压,后才有电流(电感电流回路中无电阻和电容时,叫纯电感电路),纯电感电路的电流滞后。

电压90度。由于功率是电压乘以电流,当电压与电流不同时产生时(如:当电容器上的电压最大时,电已充满,电流为0;电感上先有电压时,电感电流也为0),这样,得到的乘积(功率)也为0!

这就是无功。那么,电容的电压与电流之间的关系正好与电感的电压与电流的关系相反,就用电容来补偿电感产生的无功,这就是无功补偿的原理。

7温度补偿:针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响,而进行补偿,改善电路的稳定性。

8计时:电容器与电阻器配合使用,确定电路的时间常数。

9调谐:对与频率相关的电路进行系统调谐,比如手机、收音机、电视机。

10整流:在预定的时间开或者关半闭导体开关元件。

11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。如今某些电容的储能水平已经接近锂电池的水准,一个电容储存的电能可以供一个手机使用一天。

3电容的种类。

刚才我们说过,电容就是两块导体(阴极和阳极)中间夹着一块绝缘体(介质)构成的电子元件。电容的种类首先要按照介质种类来分。这当中可分为无机介质电容器、有机介质电容器和电解电容器三大类。

不同介质的电容,在结构、成本、特性、用途方面都大不相同。

1双电层电容器:这种电容的电容量特别大,可以达到几百f (1f=106μf)。因此这种电容可以做ups的电池用,作用是储存电能。

说句题外话,如果把地球算做一个孤立导体的话,那么它的容量只有700μf,还不如主板上用的一个铝电容。

2纸介电容:是由两层正负锡箔电极和一层夹在锡箔中间的绝缘蜡纸组成,并拆叠成扁体长方形。额定电压一般在63v~250v之间,容量较小,基本上是pf(皮法)数量级。

现代纸介电容由于采用了硬塑外壳和树脂密封包装,不易老化,又因为它们基本工作在低压区,且耐压值相对较高,所以损坏的可能性较小。万一遭到电损坏,一般症状为电容外表发热。

3瓷介电容:是在一块瓷片的两边涂上金属电极而成,普遍为扁圆形。其电容量较小,都在pμf(皮微法)数量级。

又因为绝缘介质是较厚瓷片,所以额定电压一般在1~3kv左右,很难会被电损坏,一般只会出现机械破损。在计算机系统中应用极少,每个电路板中分别只有2~4枚左右。

4电解电容:结构与纸介电容相似,不同的是作为电极的两种金属箔不同(所以在电解电容上有正负极之分,且一般只标明负极),两电极金属箔与纸介质卷成圆柱形后,装在盛有电解液的圆形铝桶中封闭起来。因此,如若电容器漏电,就容易引起电解液发热,从而出现外壳鼓起或爆裂现象。

电解电容都是圆柱形,体积大而容量大,在电容器上所标明的参数一般有电容量(单位:微法)、额定电压(单位:伏特),以及最高工作温度(单位:

℃)其中,耐压值一般在几伏特~几百伏特之间,容量一般在几微法~几千微法之间,最高工作温度一般为85℃~105℃。指明电解电容的最高工作温度,就是针对其电解液受热后易膨胀这一特点的。所以,电解电容出现外壳鼓起或爆裂,并非只有漏电才出现,工作环境温度过高同样也会出现。

电解电容的性能特点:

电解电容特点一:单位体积的电容量非常大,比其它种类的电容大几十到数百倍。

电解电容特点二:额定的容量可以做到非常大,可以轻易做到几万μf甚至几f(但不能和双电层电容相比)。

电解电容特点三:**比其它种类具有压倒性优势,因为电解电容的组成材料都是普通的工业材料,比如铝等等。制造电解电容的设备也都是普通的工业设备,可以大规模生产,成本相对比较低。

目前,新型的电解电容发展的非常快,某些产品的性能已达到无机电容器的水准,电解电容正在替换某些无机和有机介质电容器。电解电容的使用范围相当广泛,基本上,有电源的设备都会使用到电解电容。例如通讯产品,数码产品,汽车上音响、发动机、abs、gps、电子喷油系统以及几乎所有的家用电器。

由于技术的进步,如今在小型化要求较高的军用电子对抗设备中也开始广泛使用电解电容。

4滤波电容、去耦电容、旁路电容。

滤波电容用在电源整流电路中,用来滤除交流成分。使输出的直流更平滑。去耦电容用在放大电路中不需要交流的地方,用来消除自激,使放大器稳定工作。

旁路电容用在有电阻连接时,接在电阻两端使交流信号顺利通过。

4.1关于去耦电容蓄能作用的理解。

我们经常可以看到,在电源和地之间连接着去耦电容,它有三个方面的作用:一是作为本集成电路的蓄能电容;二是滤除该器件产生的高频噪声,切断其通过供电回路进行传播的通路;三是防止电源携带的噪声对电路构成干扰。

1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=j*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藕电容,这样交流分量就从这个电容接地。)

2有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。去耦电容的主要功能就是提供一个局部的直流电源给有源器件,以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地。

4.2旁路电容和去耦电容的区别。

去耦:去除在器件切换时从高频器件进入到配电网络中的rf能量。去耦电容还可以为器件供局部化的dc电压源,它在减少跨板浪涌电流方面特别有用。

旁路:从元件或电缆中转移出不想要的共模rf能量。这主要是通过产生ac旁路消除无意的能量进入敏感的部分,另外还可以提供基带滤波功能(带宽受限)。

在电子电路中,去耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的作用,电容所处的位置不同,称呼就不一样了。对于同一个电路来说,旁路。

bypass)电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象,把前级携带的高频杂波滤除,而去耦(decoupling)电容也称退耦电容,是把输出信号的干扰作为滤除对象。

在一个大的电容上还并联一个小电容的原因:

所谓退耦,既防止前后电路网络电流大小变化时,在供电电路中所形成的电流冲动对网络的正常工作产生影响。换言之,退耦电路能够有效的消除电路网络之间的寄生耦合。

退耦滤波电容的取值通常为47~200μf,退耦压差越大时,电容的取值应越大。所谓退耦压差指前后电路网络工作电压之差。

如下图为典型的rc退耦电路,r起到降压作用:

大家看到图中,在一个大容量的电解电容c1旁边又并联了一个容量很小的无极性电容c2。原因很简单,因为在高频情况下工作的电解电容与小容量电容相比,无论在介质损耗还是寄生电感等方面都有显著的差别(由于电解电容的接触电阻和等效电感的影响,当工作频高于谐振频率时,电解电容相当于一个电感线圈,不再起电容作用)。在不少典型电路,如电源退耦电路,自动增益控制电路及各种误差控制电路中,均采用了大容量电解电容旁边并联一只小电容的电路结构,这样大容量电解电容肩负着低频交变信号的退耦,滤波,平滑之作用;而小容量电容则以自身固有之优势,消除电路网络中的中,高频寄生耦合。

在这些电路中的这一大一小的电容均称之为退耦电容。

大电容由于容量大,所以体积一般也比较大,且通常使用多层卷绕的方式制作,这就导致了大电容的分布电感比较大(也叫等效串联电感,英文简称esl)。大家知道,电感对高频信号的阻抗是很大的,所以,大电容的高频性能不好。而一些小容量电容则刚刚相反,由于容量小,因此体积可以做得很小(缩短了引线,就减小了esl,因为一段导线也可以看成是一个电感的),而且常使用平板电容的结构,这样小容量电容就有很小esl这样它就具有了很好的高频性能,但由于容量小的缘故,对低频信号的阻抗大。

所以,如果我们为了让低频、高频信号都可以很好的通过,就采用一个大电容再并上一个小电容的方式。常使用的小电容为0.1uf的瓷片电容,当频率更高时,还可并联更小的电容,例如几pf,几百pf的。

而在数字电路中,一般要给每个芯片的电源引脚上并联一个0.1uf的电容到地(这个电容叫。

做退耦电容,当然也可以理解为电源滤波电容,越靠近芯片越好),因为在这些地方的信号主要是高频信号,使用较小的电容滤波就可以了。

旁路电容不是理论概念,而是一个经常使用的实用方法,电子管或者晶体管是需要偏置的,就是决定工作点的直流供电条件。例如电子管的栅极相对于阴极往往要求加有负压,为了在一个直流电源下工作,就在阴极对地串接一个电阻,利用板流形成阴极的对地正电位,而栅极直流接地,这种偏置技术叫做“自偏”,但是对(交流)信号而言,这同时又是一个负反馈,为了消除这个影响,就在这个电阻上并联一个足够大的电容,这就叫旁路电容。

旁路电容实际也是去耦合的,只是旁路电容一般是指高频旁路,也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。高频旁路电容一般比较小,根据谐振频率一般是0.1u,0.

01u等,而去耦合电容一般比较大,是10u或者更大,依据电路中分布参数,以及驱动电流的变化大小来确定。

旁路是把前级或电源携带的高频杂波或信号滤除;去藕是为保正输出端的稳定输出(主要是针对器件的工作)而设的“小水塘”,在其他大电流工作时保证电源的波动范围不会影响该电路的工作;补充一点就是所谓的藕合:是在前后级间传递信号而不互相影响各级静态工作点的元件。

电容的基础知识和检测方法

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