电容-基础知识

1、电容两端电压 不能激变，所以可以起到稳定电压作用

2、电容的种类：瓷片电容、插件电解电容、贴片电解电容、钽电容、CBB电容、插件瓷片电容、（X电容、Y电容，属于安规电容，对功能没有影响，对性能没有影响）、穿心电容（EMC）。

1、电容的主要作用

        滤波、旁路、去耦、隔直、储能

        1.1滤波：滤除杂波，滤除尖峰电压，使电压平滑。

        1.2、旁路电容：（1）旁路电容的最主要的目的是滤除由电源产生往IC内 部侵入的AC交流噪声

                                      (2)电源一般都会有一些噪声，而这些噪声很有可能会通过IC的电源脚侵入IC内部对IC造成损坏如果我们没 有做任何防御措施的话，而通过旁路电容就可以将该 电容旁路到地避免噪声进入IC

        1.3去耦电容：(1)去耦电容的主要目的是滤除由IC内部产生往电源方 向侵入的AC交流噪声

                                (2)有时候有一些IC或者负载等其在不同的工作模式下 ，在某种情况下就会产生火花等谐波电流，所以我们 的去耦电流必须要具备能力将该谐波电流滤除，否则 该噪声就会侵入到电源进而产生辐射等

                               （3）旁路电容和去耦电容很多时候是同一个电容

                               （4）那么旁路电容和去耦电容该如何选型呢？

                                        A.某种程度上电容要大

                                        B.阻抗要小

                               （5）所以一般情况下，瓷片电容即可，大部分的瓷片电容 其ESR和ESL都较小，但是容值相对来说较小，但是很 多时候是OK的，当然理想情况下我们可以选择聚合物电容

        1.4隔直： 阻止直流信号而让交流信号通过（音频信号、纹波测量）

        1.5储能：当负载变化过快时，及时补偿，维持电压稳定，或者离电压源过远，加电容可以起到稳定作用

 

2、X电容：在电路中滤除差分信号，滤除两根信号之间的干扰。

3、Y电容：在电路中滤除共模干扰信号， 信号对大地的干扰

4、钽电容与电解电容的优缺点：

(1)体积小，容量大
(2)使用温度范围绕宽，一般钮电解电容器都能在50℃ ~100℃的温度下正常工作.
(3)寿命长、绝缘电阻高、漏电流小，钮电解电容器中钮氧化膜介质不仅耐腐蚀，而且长时间工作能保持良好的性能。
(4)阻抗频率特性好对频率特性不好的电容器，当工作频率高时电容量就大幅度下降，损耗(tgo）也急剧上升。但周体电解电容器可工作在50kHz以上。
钽电容随频率上升，也要出现容量下降现象，但下降幅度较小，有资料表明，工作在50khz时钽电容容量下降不到20%，而铝电解电容容量下降达40%                                                                       (5)可靠性高，钽氧化膜的化学性能稳定，又因钽阳极基体Ta205能耐强酸、强碱，所以它能使用固体或含酸的电阻率很低的液体电解质，这就使得钽电解的损耗要比铝电解电容小，而且温度稳定性良好。

5、钽电容的缺点特性；

(1)价格高

(2)耐压不高

(3) 容量越大，耐压越低

6、铝电解电容优点：

1、价格低         2、容量很大         3、耐压也可以很高

7、铝电解电容的缺点特性：

1.体积大         2.有电解液 容易挥发         寿命短         3阻抗比较大，发热，加速挥发，容量就急剧下降         4、 使用温度范围窄

8、解决方法：高频应用场合中： 容量放足够 余量 即可

9、贴片铝电解电容和插件铝电解电容的缺点特性；

1.耐压不够高         常用的就几十伏

2.容量不够大         到几百微法

3.抗震性不高         点红胶工艺

10、电容降压原理

        电容具有隔直流通交流的特性，在交流回路中存在着一定的阻抗，称之为容抗。也就是说利用此特性可在交流电中用于降压。但千万要注意必须是无极性电容，有极性的电容只能用于直流回路中。如以下图。

那么我们为什么要用电容来降压，它的好处又是什么呢?先来看一个例子，比如当接入市电220V50Hz时，负载RL需要一个最大约69mA的电流如下图，可以在回路上串联一个电阻R1来实现。

 R1的阻抗需求如下：

 通过以上的运算，可以看到需要串入一个3188Ω/15W的电阻。
再来看看用电容的情况， 假设电容C1的容量为1uF，那么C1的容抗Z计算公式如下。

 C1的容抗与串入电阻R1的阻抗值接近，且由于电容不消耗电能，也就不存在功率问题。此电容既达到了限流的作用，又不消耗电能。所以电容降压就这样被用了起来，成本低廉，在早期的小电器中应用广泛，用于提供小电流的电源回路中。
在实际应用中当然也不会这么简单，因为上述只提供交流电压给负载，但负载通常都需要直流，很多人第一印象就是串入二极管，如下图。

 以上接法是否能为RL提供直流电压呢？当然不行，因为明显违背了电容的原理，电容在交流情况下才能通过电流，由于二极管D1的单向导电性，使电容没有放电回路，正半波时电容充满电，但负半波时电流无法通过，使电容C1充满电后就达到电量平衡，再无电流流过负载，所以负载RL得不到正常的工作电流，正确的做法应该如下图。

 这样就组成了一个半波整流的降压电路。正半波电流流过负载RL，负半波则不经过负载，而将能量直接返回给电网。
再多加2个二极管就可以变成全波整流，让正、负半波都经过负载RL，此时提供的电流将翻倍，如下图。

 全波整流时，输出电流计算公式如下：

 半波整流时，输出电流计算公式如下：

 也就是说半波整流时，最大电流约为31mA，全波整流时，最大电流约为62mA。
典型案例
下面来看一个家用电风扇的典型电源电路，如下图。

 实际应用中比理论分析时复杂了许多，以前学校上课学到的东西只是理论。当步入社会真正做设计工程师时才知道，上学时学到的程度是多么的肤浅。不过理论是相通的，只是加入了实际应用时会出现的可靠性因素。比如：

1、 降压电容C1上并联了电阻R1，为什么要在电容上并联电阻呢？这是由于在电风扇插头拔掉后，如果C1上没有并联电阻，电容上的电能释放不掉。当人体触碰到插头两端时，就会触电。

2、降压电容C1串联了电阻R2，这是由于在上电瞬间电容相当于短路，不串联电阻会产生很大的冲击电流。所以根据后面元件能承受最大峰值电流的情况来选择R2的阻值。例如二极管最大能承受瞬间峰值电流是20A，那么R2的阻值就需要大于220V/20A =11Ω，当然还要留些余量。因为市电输入不一定就是220V，有可能会更高，同时元器件也存在一定的差异。
电容降压虽然简单、易用，然而也存在固有的缺陷。那就是频率越高，其容抗越小，若是电网中存在大量谐波成份，电路就非常容易烧坏。

11、电容选型须知

	铝电解电容	钽电容	陶瓷电容
电容量	0.1uF - 3F	0.1uF - 1000uF	0.5pF - 100uF
耐压	5V - 500V	2V - 50V	2V - 1000V
ESR(等效串联电阻)	几十毫欧至2.5欧姆（100KHZ/25C°）	几十毫欧至几百毫姆（100KHZ/25C°）	几毫欧至几百毫姆（100KHZ/25C°）
ESL(等效串联电感)	不超过100nH	2nH左右	1 -2nH
工作频率范围	低频滤波，小于600KHZ	中低频滤波，几百KHZ至几MHZ	高频滤波，几MHZ至几GHZ
可靠性薄弱点及其避免	铝电解电容的可靠应用主要是关注温度，因为铝电容的电解质为液态，芯子发热将导致电解液挥发，长期下去最终干涸失效，当电容应用在脉冲交流电路中时 ，纹波电流流经ESR产生的损耗发热将严重影响器件的使用寿命。	钽电解电容的可靠应用主要关注电压降额和电压变化速度，必须降额使用(请看第三小节)，否则电光闪烁，飞花四溅；同时上下电较快的地方建议用其他电容替代。有些钽电容工艺不够成熟，慎用，特别是高可靠要求场合上不宜使用。	易受温度冲击导致裂纹，主要由于在焊接，特别是波峰焊时承受温度冲击所致，不当返修，也是温度冲击裂纹的重要原因。多层陶瓷电容器的特点是能够承受较大的压应力， 但抵抗弯曲能力比较差，任何可能产生弯曲变形的操作都可能导致器件开裂。
建议	在大于 75℃的高温场合，应尽量少用小尺寸的铝电解电容。尽量选用容量较大的规格，发挥铝电解电容的优势。适宜用于工频的整流平滑滤波、开关电源输入滤波和低频开关电源的输出滤波等，不推荐用于高频开关电源的输出滤波。	15V以上直流电压的滤波不建议使用钽电容，特别是在上电较快的电源输入口处。低压但上电较快场合，建议加缓启动。高温会增加钽电容失效的概率，因此高温应用中需要增加电压降额。	单板布线时不要把陶瓷电容布放在应力区，例如单板的边缘、紧固件附近等等， 最大限度地使多层陶瓷电容器避开在工艺过程中可能产生较大机械应力的区域。除了 NPO电容比较稳定外，X7R电容和Z5U电容（ 或Y5V）容量具有随温度和偏压变化的特性。

在高频时尽量选用钽电容和陶瓷电容（贴片电容）

12.钽电容“降额”使用，这是为什么？

DK工程师提议：

当您选择合适的钽电容时，其额定电压和温度是需要考虑的重要因素之一。为了获得最佳性能和长期可靠性，可能考虑"降额"使用，否则电光闪烁，飞花四溅。

我们以Kemet 的T491系列钽表面贴装电容器 作为一个示例，了解有关降额的相关信息。

上图表显示了电容器施加的额定电压的百分比与温度之间的关系。图中“推荐的最大应用电压 (Recommended Maximum Application Voltage) ”的区域显示了连续工作下所推荐的稳态工作电压，以确保在指定温度下具有最佳可靠性。
如果实际应用温度低于85°C，建议钽电容器仅在额定最大工作电压的50％下运行。因此，如果在85°C（50V x 50％= 25V）下，额定电压50V的电容现在被认为是25V。
由于钽电容器的材料结构不同，它们的降额指标表格有很大不同。
 

13.为什么在一个大的电容上还并联一个小电容？

因为大电容由于容量大，所以体积一般也比较大，且通常使用多层卷绕的方式制作（动手拆过铝电解电容应该会很有体会，没拆过的也可以拿几种不同的电容拆来看看），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的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（这电容叫做去耦电容，当然也可以理解为电源滤波电容它越靠近芯片的位置越好），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
电容的串并联容量公式-电容器的串并联分压公式1.串联公式：C=C1*C2/(C1+C2)2.并联公式C=C1+C2+C3补充部分：串联分压比V1=C2/(C1+C2)*V…电容越大分得电压越小，交流直流条件下均如此并联分流比I1=C1/(C1+C2)*I…电容越大通过的电流越大
常使用的小电容为0.1uF的CBB电容较好(瓷片电容也行)，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
理想的电容，其阻抗随频率升高而变小（R＝1/jwc）,但理想的电容是不存在的，由于电容引脚的分布电感效应，在高频段电容不再是一个单纯的电容，更应该把它看成一个电容和电感的串联高频等效电路，当频率高于其谐振频率时，阻抗表现出随频率升高而升高的特性，就是电感特性，这时电容就好比一个电感了
相反电感也有同样的特性
大电容并联小电容在电源滤波中非常广泛的用到，根本原因就在于电容的自谐振特性
大小电容搭配可以很好的抑制低频到高频的电源干扰信号，小电容滤高频（自谐振频率高），大电容滤低频（自谐振频率低），两者互为补充。
 

说了那么多，那到底我们在靠近芯片的管脚处放置0.1uF还是0.01uF，下面列出来给大家参考。

14、高通滤波、低通滤波、带通

高通滤波：当设置好了C与R之后就会有一个，设置好的截至频率值f.

当输入频率Vfin>f时，信号就会流过电容。

当输入频率vifn

低通滤波：当设置好了R与C之后就会有一个，设置好的截止频率值f.

当输入频率Vfin

当输入频率vifn>f时，信号就不会流过电阻。

 带通：首先设置了一个1K的高通滤波，再设置了一个低通滤波

vin:输入的交流信号就只有1K~10K的信号才能通过。

 

高通计算：

首先是容抗计算公式：        Xc = 1 / ( 2 π f C )

                                 容抗 =1 / （2 × π × 频率 × 容值）

                                 omh                         Hz        F

说明了：频率越高↑，容抗越低

               电容的容量越大，容抗也越低

计算结果如下：当频率与电容的容量为1时，计算的容抗为0.15

                         当频率与电容的容量为2时，计算的容抗为 0.039

这就说明了：频率与电容越大的话，电容的容抗越低。

 再来带进电阻的分压公式中， Vout=R/（R+RC）*Vin

如果RC的值越低，R分得的电压是不是越高。

这就说明了，在高通滤波中，频率越高，交流信号就可以通过。

我们可以从仿真中看出：蓝色为输入波形，红色为输出波形，很明显可以看出，红的波形没有蓝色的那么大，说明信号没有完全过去

 这时将频率调整到1000hz，看波形，输入与输出波形就已经重合了

 调节电阻可以发现 当电阻越小，输出波形越小

当阻值越大时越趋近于输入信号 

 

 低通计算：

当RC的值越大，Vout的值也就越大。

Vout = （RC/RC+R）*Vin

那是不是：频率与电容越小的话，电容的容抗越高。分得的电压就越多，vout输出的电压就越高

 从下图可以看出当频率1hz时，电阻为百分之20 ；波形是趋近于输入波形的。

 当我们把频率调整到1MHZ时，输出波形就是一条直线，说明了在低通滤波器中，低频率可以通过，高频率会被过滤。

 电容的通交隔直特性，所以A点电位为10V，B点位0V

 这是为什么呢这就说明了，电容的内部电压不能突变，因为A点点位被拉低到了0V；所以B点点位就会变成-10V。