作者@@：Art Pini，来源@@：得捷电子@@@@DigiKey
电容器@@是模拟和@@数字电子@@电路中@@必不可少的@@储能器件@@@@。这些器件@@可用于定时@@、波形生成和@@整形@@、阻断直流@@@@、交流信号耦合@@、滤波与@@平滑@@，当然还用于储能@@。由于用途广泛@@，已经出现了多种使用各种极板材料@@、绝缘电介质和@@物理形式的@@电容器@@类@@型@@。对于这些电容器@@类@@型@@，每一种都适用于特定的@@应用范围@@。产品种类@@繁多意味着需要花时间对所有产品进行分类@@@@，以从性能特点@@、可靠性@@、使用寿命@@、稳定性和@@成本方面为设计找出最佳选择@@。
为了正确地将电容器@@与@@预期的@@电路应用相匹配@@，需要了解每种电容器@@的@@特性@@。这种了解必须涵盖电容器@@的@@电气@@、物理和@@经济特性@@。
本文将介绍各种类@@型的@@电容器@@及其特性和@@关键选择标准@@。文中@@将以@@Murata Electronics、KEMET、Cornell Dubilier Electronics、Panasonic Electronics Corporation和@@AVX Corporation的@@产品为例@@，说明电容器@@的@@主要区别和@@属性@@。
什么是电容@@器@@？
电容器@@是一种在内部电场中@@储存能量的@@电子@@器件@@@@。它与@@电阻器@@、电感器一样@@，都是基本的@@无源电子@@@@188足彩外围@@app 。所有电容器@@都具有相同的@@基本结构@@，两块导电极板中@@间由绝缘体隔开@@，该@@绝缘体称为电介质@@，可在施加电场后发生极化@@（图@@1）。电容值与@@极板面积@@A成正比@@，与@@极板之间的@@距离@@d成反比@@。
图@@1：基本电容器@@由两块导电极板组成@@，中@@间用非导电电介质隔开@@，电介质在两块极板之间的@@电场中@@以极化区的@@形式储存电能@@。（图@@片@@来源@@@@：Digi-Key Electronics）
第一个电容器@@是发明于@@1745年的@@莱顿瓶@@。莱顿瓶是一个内外表@@面都衬有金属箔的@@玻璃瓶@@，最初用来储存静电荷@@。本杰明@@·富兰克林曾使用莱顿瓶来证明闪电是电现象@@，这是最早有记载的@@应用之一@@。
基本平行极板电容器@@的@@电容值可通过公式@@@@@@1计算@@：
公式@@ 1
其中@@@@：
C是电容@@，单位为法拉@@
A是极板面积@@，单位为平方米@@
d是极板之间的@@距离@@，单位为米@@
ε是介电材料的@@介电常数@@
ε等于电介质的@@相对介电常数@@@@εr乘以真空的@@介电常数@@ε0。相对介电常数@@εr通常称为介电常数@@ k。
根据公式@@@@1，电容值与@@介电常数和@@极板面积成正比@@@@，与@@极板间距成反比@@@@。要增加电容值@@，可以增加极板的@@面积@@，减小极板之间的@@距离@@。由于真空的@@相对介电常数@@为@@1，而所有电介质的@@相对介电常数@@都大于@@1，因此插入电介质也会增加电容器@@的@@电容值@@。电容器@@通常由所用介电材料的@@类@@型来指代@@（表@@1）。
表@@1：按介电材料分类@@的@@常见电容器@@类@@型的@@特性@@。（表@@格来源@@@@：Digi-KeyElectronics）
关于列表@@条目的@@一些说明如下@@：
- 电容器@@的@@相对介电常数@@或@@电容率影响既定极板面积和@@电介质厚度下可达到的@@最大电容值@@。
- 介电强度是电介质耐电压击穿的@@额定值@@，是其厚度的@@函数@@@@。
- 可实现的@@最小电介质厚度会影响可实现的@@最大电容值以及电容器@@的@@击穿电压@@。
电容器@@结构@@
电容器@@有多种物理安装配置@@，包括轴向@@、径向和@@表@@面贴装@@（图@@2）。
图@@2：电容器@@安装或@@配置类@@型包括轴向@@@@、径向和@@表@@面贴装@@。目前@@，表@@面贴装的@@应用非常广泛@@。（图@@片@@来源@@@@：Digi-Key Electronics）
轴向电容器@@采用金属箔和@@电介质层交替结构@@，或@@将双面金属化的@@电介质卷成圆柱形@@。与@@导电极板的@@连接可以通过插入的@@凸片或@@圆形的@@导电端盖来实现@@。
径向型通常则采用金属层和@@介电层交替叠放结构@@。金属层在末端桥接在一起@@。径向和@@轴向配置适用于通孔安装@@。
表@@面贴装电容器@@同样采用导电层和@@介电层交替结构@@。每一端的@@金属层由锡帽桥接@@，以适合表@@面贴装@@。
电容器@@电路模型@@
电容器@@的@@电路模型包括所有三种无源电路@@188足彩外围@@app （图@@ 3）。
图@@3：电容器@@电路模型@@包含电容@@、电感和@@电阻@@188足彩外围@@app 。（图@@片@@来源@@@@：Digi-KeyElectronics）
电容器@@的@@电路模型包含一个串联电阻@@188足彩外围@@app ，其代表@@导电@@188足彩外围@@app 的@@欧姆电阻及电介质电阻@@。这称为等效或@@有效串联电阻@@ (ESR)。
当对电容器@@施加交流信号时@@，会产生介电效应@@。交流电压会使电介质的@@极化在每个周期都会发生变化@@，从而导致内部发热@@。电介质发热量是材料的@@函数@@@@，并通过电介质的@@耗散因数@@来度量@@。耗散因数@@ (DF) 是电容@@器电容和@@@@ESR的@@函数@@，可通过公式@@@@2计算@@：
公式@@2
其中@@@@：
XC是容抗@@ (Ω)
ESR为等效串联电阻@@ (Ω)
由于存在容抗@@，耗散因数@@与@@频率有关@@，并且无量纲@@，通常用百分比表@@示@@。耗散因数@@越小@@，发热越少@@，从而损耗越低@@。
模型中@@有一个串联电感@@188足彩外围@@app ，称为有效或@@等效串联电感@@(ESL)。其代表@@引线和@@导电路径电感@@。串联电感和@@电容会引起串联共振@@。低于串联共振频率时@@，器件@@主要表@@现为电容行为@@，高于串联共振频率时@@，器件@@更多表@@现为电感行为@@。在许多高频应用中@@@@，该@@串联电感可能是个问题@@。供应商通过使用径向和@@表@@面贴装@@@@188足彩外围@@app 配置中@@所示的@@分层结构@@，可最大限度地减少电感@@。
并联电阻代表@@电介质的@@绝缘电阻@@。各种模型@@188足彩外围@@app 的@@值取决于电容器@@配置和@@所选的@@结构材料@@。
陶瓷电容器@@@@
这类@@电容器@@使用陶瓷电介质@@。陶瓷电容器@@@@分为两类@@@@：1类@@和@@@@2类@@。1类@@基于像二氧化钛这样的@@顺电陶瓷@@。这类@@陶瓷电容器@@@@具有高稳定性@@、良好的@@电容温度系数和@@低损耗@@。由于固有精度的@@原因@@，这些器件@@可用于振荡器@@、滤波器和@@其他射频应用中@@@@。
2类@@陶瓷电容器@@@@使用基于如钛酸钡之类@@铁电材料的@@陶瓷电介质@@。由于这些材料介电常数高@@，2类@@陶瓷电容器@@@@提供了比@@1类@@电容器@@更高的@@单位体积电容量@@，但精度和@@稳定性较低@@。它们用于绝对电容值不重要的@@旁路@@和@@耦合应用@@。
Murata Electronics的@@GCM1885C2A101JA16是陶瓷电容器@@@@的@@一个示例@@（图@@4）。这款@@1类@@100皮法@@ (pF) 电容器@@的@@容差@@为@@@@5%，额定电压为@@ 100 V，采用表@@面贴装配置@@。该@@电容器@@适合汽车使用@@，额定温度为@@-55°C至@@+125°C。
图@@4：GCM1885C2A101JA16是一款@@1类@@100pF陶瓷表@@面贴装电容器@@@@，容差@@为@@5%，额定电压为@@100 V。（图@@片@@来源@@@@：Murata Electronics）
薄膜电容器@@@@
薄膜电容器@@@@使用塑料薄膜作为电介质@@。导电极板既可以是箔层@@，也可以是两个薄金属化层@@，塑料薄膜每一侧各一层@@。电介质所用的@@塑料决定了电容器@@的@@特性@@。薄膜电容器@@@@有多种形式@@：
- 聚丙烯@@ (PP)：这些器件@@的@@容差@@和@@稳定性特别好@@，具有低@@ESR和@@ESL以及高额定击穿电压@@。由于电介质的@@温度限制@@，它们只能作为引线器件@@使用@@。PP电容器@@可应用于开关模式电源@@、镇流器电路@@、高频放电电路等高功率或@@高压电路中@@@@，也可应用于出于信号完整性而重视低@@ESR和@@ESL的@@音响系统@@。
- 聚对苯二甲酸乙二醇酯@@ (PET)：又称为聚酯或@@聚酯薄膜电容器@@@@@@，这些电容器@@由于具有较高的@@介电常数@@，因此是体积效率最高的@@薄膜电容器@@@@@@。这些电容器@@通常作为径向引线器件@@使用@@，用于通用电容应用@@。
- 聚苯硫醚@@ (PPS)：这些电容器@@仅作为金属化膜器件@@生产@@，具有非常好的@@温度稳定性@@，因此适用于需要良好频率稳定性的@@电路中@@@@。
PPS薄膜电容器@@@@的@@一个示例是来自@@Panasonic Electronics Corporation的@@ECH-U1H101JX5。该@@100pF器件@@的@@容差@@为@@@@5%，额定电压为@@50V，采用表@@面贴装配置@@。工作温度范围为@@-55°C至@@125°C，适用于一般电子@@应用@@。
聚萘二甲酸乙二醇酯@@ (PEN)：与@@ PPS 电容器@@一样@@，这些电容器@@只能采用金属化膜设计@@。它们具有高温耐受性@@，可采用表@@面贴装配置@@@@。应用集中@@于需要高温和@@高压性能的@@领域@@。
聚四氟乙烯@@ (PTFE) 或@@特氟隆电容器@@因其耐高温@@、耐高压性能而著称@@。它们采用金属化和@@金属箔结构生产@@。PTFE电容器@@大多用于需要暴露于高温的@@应用@@。
电解电容器@@@@
电解电容器@@@@以高电容值和@@高体积效率而著称@@。这是通过使用液体电解质作为其一个极板来实现的@@@@。铝电解电容器@@@@包括四个分开的@@层@@：铝箔阴极@@；电解液浸渍纸隔离层@@；经过化学处理以形成非常薄氧化铝层的@@铝阳极@@；最后是另一个纸隔离层@@。然后把这些材料层卷起来@@，放在一个密封的@@金属罐中@@@@。
电解电容器@@@@是极化@@、直流@@ (DC) 器件@@，这意味着电压必须施加于指定的@@正负端子@@。尽管外壳有泄压膜片来控制反应@@，并最大限度地减少损害的@@可能性@@，但如果不能正确连接电解电容器@@@@@@，可能会导致爆炸性故障@@。
电解电容器@@@@的@@主要优点是高电容值@@、小尺寸和@@相对较低的@@成本@@。这些电容值具有较宽的@@容差@@范围和@@相对较高的@@漏电流@@。电解电容器@@@@最常见的@@应用是用作线性和@@开关电源中@@的@@滤波电容器@@@@（图@@ 5）。
图@@5：电解电容器@@@@示例@@；所有器件@@的@@电容均为@@10微法@@ (µF)。（图@@片@@来源@@@@：Kemet 和@@AVX Corp.）
在图@@@@5中@@（从左向右@@），首先是@@Kemet的@@ESK106M063AC3FA，这是一款@@@@10µF、容差@@20%、63V的@@径向引线铝电解电容器@@@@@@。工作温度高达@@85°C，工作寿命为@@2,000 小时@@。该@@电容器@@适用于通用电解应用@@，包括滤波@@、去耦和@@旁路@@操作@@。
铝电解电容器@@@@的@@替代品是铝聚合物电容器@@@@，它用固体聚合物电解质代替液体电解质@@。聚合物铝电容器@@比铝电解电容器@@@@具有更低的@@@@ESR和@@更长的@@工作寿命@@。与@@所有电解电容器@@@@一样@@，它们也是极化的@@@@，并作为滤波和@@去耦电容器@@应用于电源中@@@@。
Kemet的@@A758BG106M1EDAE070是一款@@10µF、25V 径向引线铝聚合物电容器@@@@，在广泛的@@温度范围内具有更长的@@寿命和@@更高的@@稳定性@@。该@@器件@@适用于手机充电器@@、医疗电子@@设备@@等工业和@@商业应用@@。
钽电容器@@是电解电容器@@@@的@@另一种形式@@。该@@器件@@在钽箔上以化学方式形成一层氧化钽@@。其体积效率优于铝电解电容器@@@@@@，但最大电压水平通常较低@@。与@@铝电解电容器@@@@相比@@，钽电容器@@具有更低的@@@@ESR和@@更高的@@温度耐受性@@，这意味着它们能够更好地承受焊接过程@@。
Kemet的@@T350E106K016AT是一款@@10µF、容差@@10%、16V、径向引线钽电容器@@@@。它具有小尺寸@@、低漏电流和@@低耗散因数@@等优点@@，适合滤波@@、旁路@@、交流耦合和@@定时应用@@。
最后一种电解电容器@@@@类@@型是氧化铌电解电容器@@@@@@。铌电解电容器@@@@是在钽短缺的@@情况下发展起来的@@@@，它以铌和@@五氧化二铌代替钽作为电解质@@。由于介电常数较高@@，其单位电容封装尺寸较小@@。
氧化铌电解电容器@@@@的@@一个示例是来自@@AVX Corp.的@@NOJB106M010RWJ，这是一款@@@@采用表@@面贴装配置@@的@@@@10µF、容差@@20%、10V电容器@@。与@@钽电解电容器@@@@一样@@，它也用于滤波@@、旁路@@和@@交流耦合应用@@。
云母电容器@@@@
云母电容器@@@@（多为银云母@@）的@@特点是电容@@容差@@小@@ (±1%)、电容温度系数低@@（通常为@@50ppm/°C）、耗散因数@@极低@@、电容随施加电压的@@变化小@@。该@@器件@@具有紧公差和@@高稳定性@@，适用于射频电路@@。云母电介质在两侧喷涂银层以提供导电表@@面@@。云母是一种稳定的@@矿物质@@，不会与@@大多数常见的@@电子@@污染物发生相互作用@@。
Cornell Dubilier Electronics的@@MC12FD101J-F是一款@@100pF、容差@@5%、500 V云母电容器@@@@，采用表@@面贴装配置@@（图@@6）。该@@器件@@用于@@MRI、移动无线电@@、功率放大器和@@振荡器等射频应用@@。额定工作温度范围为@@@@-55°C至@@125°C。
图@@ 6：Cornell Dubilier Electronics MC12FD101J-F是一款@@面向射频应用的@@表@@面贴装云母电容器@@@@@@。（图@@片@@来源@@@@：Cornell Dubilier Electronics）
本文小结@@
电容器@@是电子@@设计中@@必不可少的@@@@188足彩外围@@app 。多年来@@，人们开发出了各种类@@型的@@电容器@@@@，它们特性各异@@，有些电容器@@技术@@只是适合特定的@@应用@@。对于设计人员来说@@，值得花时间掌握各种电容器@@类@@型@@、配置和@@规格知识@@，只有这样才能确保为既定应用选择到最佳的@@器件@@@@。