【电赛新兵训练营 】电子工程训练基础知识讲座_第2课时_常用电子元件2(电容类)

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由于电容在集成电路中难以集成,所以在芯片的周围,我们总能看到有大量的电容,如图1所示。在这些高集成度的电路板上,电容的数量甚至远大于电阻的数量。

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图1 集成电路周围的电容

电容和电阻相比,有两个特点。
  • 第一个特点就是精度远不及电阻。电容甚至有 +80%~-20%精度的,这在电阻里面是不可想象的。
  • 第二个特点是电容的主要额定参数是耐压,而电阻的主要额定参数是功率。

依据实际购买电容常用的种类,我们将分别介绍以下电容及其特性:
  • MLCC电容
  • 瓷片电容
  • 薄膜电容
  • 安规电容
  • 电解电容
  • 超级电容

1、MLCC电容

图1右图所示的大量小型贴片电容就是MLCC电容,全称是Multi-layer Ceramic Capacitors片式多层陶瓷电容器,它的内部结构如图1.1所示。所有电容的基本构造都是金属板级之间间隔电介质(绝缘体),陶瓷就是良好的电介质,MLCC的多层结构可以增大电容值,在非常小的体积可以做到数十μF甚至100μF电容量,等效串联电阻ESR较小,因此纹波电流引起的发热也小。

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图1.1  MLCC片式多层陶瓷电容器结构图

MLCC贴片电容的尺寸与贴片电阻类似,也有0201/0402/0603/0805/1206等尺寸,当然贴片电容要比贴片电阻厚一些。针插型的MLCC多称独石电容,如图1.2左所示,如果我们将黄色外壳切开,可以发现里面其实就是MLCC贴片电容焊上引脚。

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图1.2 独石电容外形

MLCC选型的有一个重要指标,那就是介质材料不同导致的不同温度特性。按温度稳定性可以分为两类,即Ⅰ类陶瓷电容器和Ⅱ类陶瓷电容器, NP0/C0G属于Ⅰ类陶瓷,而其他的X7R、X5R、Y5V、Z5U等都属于Ⅱ类陶瓷。
  • Ⅰ类陶瓷的温度容量特性(TCC)非常小,在ppm/℃量级,适用于要求损耗小和电容量稳定的电路。
  • II类陶瓷电容的命名方法如表1.1所示,三个字符分别表示使用的温度下限、温度上限和电容变化率。X7R即代表-55℃~+125℃,±15%的陶瓷电容。

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表1.1 II类陶瓷电容命名方法

随着陶瓷电介质层的薄层化和积层技术的进步,单个电容的容量已可做到100μF(如图1.3所示为TDK公司C5750X5R1A107MT000E电容),但MLCC电容整体上额定电压比较低。0603和0805封装,100nF以下容量的MLCC电容耐压多在50V,可以满足一般信号级电路的使用。而体积缩小或是容量增大的MLCC耐压将明显低于50V,这时必须查清电容的耐压值才能使用。

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图1.3 TDK公司的单体100μF/10V X5R MLCC电容(标尺1mm)

2、瓷片电容
瓷片电容和MLCC电容都是陶瓷电容,区别是MLCC由多层电介质和多对电极构成的,瓷片电容一般是由一层电介质和一对电极构成的。
瓷片电容高频特性好,比MLCC便宜,容量小于MLCC,一般最大0.1μF,耐压高。如图2.1所示为低压瓷片电容的一些外观和颜色,这些未标注的瓷片电容一般耐压为50V。

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图2.1 低压瓷片电容

瓷片电容相比MLCC电容容量小而耐压高的原因很简单,瓷片电容只有一层电介质和一对电极,所以不如多层结构的MLCC容量大。但是多层电介质带来的副作用就是电介质薄,所以耐压不高。高压瓷片电容的外观如图2.2所示,多为蓝色,也有黄褐色,耐压值一般都在电容上直接标注,从数百伏到万伏都有。

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图2.2 高压瓷片电容

什么时候选择使用瓷片电容而不使用MLCC电容呢?
1、低电容值,针插电容场合。此时使用瓷片电容,不仅性能更好,而且便宜。

2、低电容值,高压场合。常规电容中,只有瓷片电容才能做到高压,但是瓷片电容的结构也决定了它电容值难以做大。

3、薄膜电容
前面我们介绍了两种瓷片电容,MLCC电容值可以做到比较大(最大100μF),但是耐压低(最大50V);瓷片电容耐压可以很高,但是电容值小(最大0.1μF)。如果遇到耐压数百伏,电容值大于0.1uF的非极性电容应用场合,显然瓷片电容就不再合适,这时需要使用薄膜电容。
常规的薄膜电容,一般可分为金属化聚丙烯薄膜( CBB电容)和金属化聚酯薄膜( CL电容&涤纶电容)。

如图3.1所示,CBB电容工作频率高,性能更好,通常外观是肥厚的红色,耐压值直接标注。精度则依靠字母表示,电容F ±1%  G ±2%  J ±5%  K ±10%  M ±20%  N ±30%。电容值有直接标注例如100n,也有155代表15*10^5 pF=1.5 μF。

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图3.1 CBB薄膜电容外观

如图3.2所示,CL涤纶电容外观上比较薄,大部分做成绿颜色,电容值和精度标注方法与CBB电容一致。涤纶电容耐压值间接标注:第一位数字表示数量级,第二位字母表示数值,A:1.0     B:1.25    C:1.6     D:2.0     E:2.5     F:3.15    G:4.0     H:5.0     J:6.3     K:8.0     Z:9.0。对于标注为2A的涤纶电容,其耐压为1.0*10^2=200V。

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图3.2 涤纶薄膜电容外观

4、 安规电容
安规电容之所以称之为安规,是因为可以耐受非常高的脉冲电压,且击穿损坏后为断态,不危及人身安全。安规电容包含X电容和Y电容两种。
X安规电容是跨接在电力线两线(L-N)之间的差模滤波电容,容量μF级。
  • X安规电容属于金属化薄膜电容的一种,但是外观和普通CBB电容有很大区别。如图4.1所示,X安规电容外观多数是方形,颜色多为明亮的黄色,也有黑色等其他颜色。
  • 辨别安规电容最明显的标志就是电容上印着X1或X2或X3(以X2最为常用),此外还标注有安规认证标志(中国CQC、美国UL/加拿大CUL、德国VDE、欧盟ENEC等),交流耐压值(AC310或AC275)等信息。

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图4.1 X安规电容的外观

Y安规电容分别跨接在电力线两线和地之间(L-E,N-E)的共模滤波电容,成对出现,为防止触电,容量较小在nF级。Y安规电容属于高压瓷片电容的一种,如图4.2所示,外观与普通瓷片电容相近,区分方法主要是电容上的各种安规标注。

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4.2 Y安规电容的外观

虽然安规电容上标注的交流耐压值只有几百伏,但是绝不能用普通几百伏耐压的CBB或瓷片电容代替安规电容。参考表4.1,安规电容上所带的X1/X2/X3,Y1/Y2/Y3/Y4表征了其允许的峰值脉冲过电压等级。

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表4.1安规电容耐脉冲峰值电压值

5、电解电容
前面我们介绍的各种电容都是无极性电容,可以用于交流或直流场合。但是无极性电容的由于构造的原因,容量较小。
电解电容是电容的一种,金属箔为正极(铝或钽),与正极紧贴金属的氧化膜(氧化铝或五氧化二钽)是电介质,阴极由导电材料、电解质(电解质可以是液体或固体)和其他材料共同组成,因电解质是阴极的主要部分,电解电容因此而得名。电解电容属于极性电容,正负极接错会爆裂(铝电解电容)或烧毁(钽电解电容),大容量的电解电容使用后还要注意(人工)泄放电荷。

5.1钽电解电容
钽电容是高性能的电解电容,体积小容量大(低压可达1000μF),ESR小,性能优于铝电解电容。钽电容也是极性电容,使用时要特别注意钽电容正负极标识,参考图5.1。
  • 针插型钽电容外观像一粒圆黄豆,与一般常识相同,长腿为正极。电容上直接标注了容量和耐压,图5.1左所示的钽电容容量33*10^6 pF=33 μF,耐压值6.3V。
  • 贴片型钽电容外观为长方体,根据生产商不同有黄色和黑色两种。与一般常识相反,贴片钽电容有横线的一端为正极!千万不要搞错。


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图5.1 钽电容外形

钽电容属于低压电容,耐压等级由字母表示,从2.5V至50V不等,如表5.1所示。

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表5.1 钽电容的耐压等级

钽电容的封装尺寸如表5.2所示。

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表5.2 钽电容的封装尺寸


钽电容的精度:K±10%     M±20%。

5.2 铝电解电容
铝电解电容,最主要的优点就是容量大(数万μF),价格便宜。虽然ESR等指标不如钽电容,但是铝电解电容耐压有高达600V的型号,是钽电容最高50V的耐压不可比拟的。

如图5.2所示,铝电解电容的极性符合常规,无论是针插还是贴片都是有横线的为负极。普通铝电解电容,非常小容量无防爆槽,中大容量均有防爆槽,如图5.2左所示的针插电解电容顶端有十字防爆槽,右图所示的贴片型电解电容顶端有K字防爆槽。

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图5.2 普通铝电解电容外观

普通铝电解电容内部有电解液,各种原因损坏时会发生爆浆,如图5.3所示。为了减小暴裂时的危害,所以特意预留有防爆槽。

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图5.3 铝电解电容爆浆损坏图

在开篇图1左图电路板上的电容叫固态(铝电解)电容,由于没有电解液,性能更加稳定,没有爆浆的风险。如图5.4所示,固态电容没有防爆槽。贴片普通铝电解电容和固态电容的外观较为接近,中大容量可以通过防爆槽区分。

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图5.4 固态(铝电解)电容外观

选型铝电解电容的另一个指标就是额定工作温度,在电路板中,电解电容是最容易失效的元件。而工作温度是决定铝电解电容寿命的主要因素,一般认为工作温度每升高10℃,寿命缩短一半。如图5.5所示为最常见的两种额定工作温度,105℃和85℃。

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图5.5 105℃电解电容和85℃电解电容

最后总结一下,电解电容如何选型。
(1)不考虑价格,在钽电容的容量值和耐压允许的情况下,肯定是钽电容最好。在有的芯片说明书中,会指明该处可使用1μF钽电容或者10μF铝电解电容。这是因为钽电容的等效串联电阻ESR远小于铝电解电容,所以同容量两者滤波效果可能差10倍。

(2)固态电容比钽电容便宜,比普通铝电解电容贵,效果也介于两者之间。使用固态电容主要因为它的稳定不爆浆,适用于可靠性要求高的产品。同样,使用固态电容也需要容量和电压允许,没有太大容量和太高电压的固态电容。

(3)在考虑成本或者是容量和电压高的情况下,普通铝电解电容还是无可替代的选择。

6、超级电容
我们知道电容的基本单位F是一个非常大的单位,我们之前提到的各种电容,大容量的电解电容也是用微法(μF)为单位的。超级电容的电容值从数F到数千F,因此也叫法拉电容,如图6.1所示。

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图6.1 大容量的超级电容

超级电容器更多情况下不作为电容看待,而是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置。
  • 我们知道,现有技术造出大功率充电器并不困难,快速充电的瓶颈在蓄电池本身。而超级电容可以不受限制的快速充放电,在一些场合可以替代蓄电池使用。
  • 如图6.2所示,超级电容是极性电容,有横线一侧为负极,单体耐压2.7V居多,小容量有5.5V耐压的。


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图6.2 小容量的超级电容

高电压的超级电容都由单体电容串联得到,根据电容串联的基本规律,其耐压加倍而电容值减半。对超级电容组进行充放电需要均压电路,如图6.3所示。

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图6.3 超级电容组

即使是超级电容,其容量相比蓄电池还是偏小,所以它只在某些场合替代蓄电池,例如储存和释放电动汽车刹车制动能量等。


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课程对电路板级设计电容选型具有较好普及性,期待后续课程

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在实验室炸过电容的电赛狗路过

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学习了:)

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支持支持!很详细!学到了

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对电容相关知识了解更深入了,还有它的应用范围

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大家好啊,电信专业报个到

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感觉MLCC电容跟贴片电阻长得特别像:dizzy:

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学到了:victory:

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一直只知道叫贴片陶瓷电容,原来叫MLCC啊

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老师讲的太好了,我受益匪浅

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相较于电阻,对电容的了解还是不足的,我还要好好学习啊。

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