硬件基础知识（电容）

一、基本概念

电容：亦称作“电容量”，是指在给定电位差下的电荷储藏量。

电容器：

①定义1：电容器，顾名思义，是‘装电的容器’，是一种容纳电荷的器件;

②定义2：电容器，任何两个彼此绝缘且相隔很近的导体（包括导线）间都构成一个电容器。

电容值：电容器所带电量Q与电容器两极间的电压U的比值，叫电容器的电容。在电路学里，给定电势差，电容器储存电荷的能力，称为电容（capacitance），标记为C。

电容单位：法拉，简称法，符号是F。

常用的电容单位有毫法（mF）、微法（μF）、纳法（nF）和皮法（pF）等，换算关系是：

1法拉（F）= 1000毫法（mF）=1000000微法（μF）

1微法（μF）= 1000纳法（nF）= 1000000皮法（pF）。

排容：由若干个电容排列而成的电容阵列，若干个参数完全相同的电容，它们的一个引脚都连到一起，作为公共引脚，其余引脚正常引出。

二、电容分类

2.1. 按照结构

2.1.1固定电容器：

不能调节的,我们称之为定值电容。

2.1.2可变电容器：

它由一组定片和一组动片组成，它的容量随着动片的转动可以连续改变。把两组可变电容装在一起同轴转动，叫做双连。可变电容的介质有空气和聚苯乙烯两种。空气介质可变电容体积大，损耗小，多用在电子管收音机中。聚苯乙烯介质可变电容做成密封式的，体积小，多用在晶体管收音机中。

2.1.3微调电容器：

半可变电容也叫做微调电容，它是由两片或者两组小型金属弹片，中间夹着介质制成。调节的时候改变两片之间的距离或者面积。它的介质有空气、陶瓷、云母、薄膜等

2.2.按极性

有极性电容和无极性电容，有极性使用时要注意方向。

2.3.按介质

CBB电容（聚丙烯），涤纶电容、瓷片电容、云母电容、独石电容、（铝）电解电容、钽电容等。

2.3.1叠层陶瓷贴片电容（MLCC） <无极性 >

采用多层结构，往往一个MLCC内部多达几十层，甚至更多。其中，每一单层都相当于一个电容，几十层就相当于几十个电容器并联。所以MLCC容量做的很大,但电压不高。一般都是表面贴装(SMD)

常见引脚封装有0201、0402、0603、0805、1206、1210、1812、2010。

多层陶瓷电容(MLCC)根据材料分为Class1和Class2两类。Class1是温度补偿型，Class2是温度稳定型和普通应用的。

⑴ Class1

Class1或者温度补偿型电容通常是由钛酸钡不占主要部分的钛酸盐混合物构成。它们有可预见的温度系数，通常没有老化特性。因此它们是可用的最稳定的电容。最常用的Class1多层陶瓷电容是COG(NPO)温度补偿型电容(±0ppm/°C)。

NPO是一种最常用的具有温度补偿特性的单片陶瓷电容器。它的填充介质是由铷、钐和一些其它稀有氧化物组成的。NPO电容器是电容量和介质损耗最稳定的电容器之一。在温度从-55℃到+125℃时容量变化为0±30ppm/℃，电容量随频率的变化小于±0.3ΔC。NPO电容的漂移或滞后小于±0.05%，相对大于±2%的薄膜电容来说是可以忽略不计的。其典型的容量相对使用寿命的变化小于±0.1%。NPO电容器随封装形式不同其电容量和介质损耗随频率变化的特性也不同，大封装尺寸的要比小封装尺寸的频率特性好。

NPO电容器适合用于振荡器、谐振器的槽路电容，以及高频电路中的耦合电容。

⑵ Class2

Class2电容通常也是由钛酸钡化合物组成。Class2电容有很大的电容容量和温度稳定性。对Class2材料电容的容量随温度变化，EIA可以通过3个符号代码来表述。第一个符号表示工作温度范围的下限，第二个符号表示工作温度的上限，第三个符号表示在这个温度内允许容量变化的百分比。表1提供了EIA系统详细的描述。

其中Ⅱ类陶瓷电容器又分为稳定级和可用级。X5R、X7R属于Ⅱ类陶瓷的稳定级，而Y5V和Z5U属于可用级。

所有的Class2电容的电容容量受以下几个条件影响：温度变化、操作电压（直流和交流）、频率。

表1贴片电容Class2 EIA代码

RS198	温度范围	Code	容量改变百分比	Code	容量改变百分比
X7	-55°C to +125°C	D	±3.3%	S	±22%
X6	-55°C to +105°C	E	±4.7%	T	+22%,-33%
X5	-55°C to +85°C	F	±4.7%	U	+22%,- 56%
Y5	-30°C to +85°C	P	±10%	V	+22%,-82%
Z5	+10°C to +85°C	R	±15%
比如：一个电容的容量想要在-30°Cto +85°C时增加减少不超过7.5%。EIA代码就是Y5F。

2.3.2 CBB电容（聚丙烯电容器） <无极性 >

无感CBB：2层聚丙乙烯塑料和2层金属箔交替夹杂然后捆绑而成。

有感CBB：2层聚乙烯塑料和2层金属箔交替夹杂然后捆绑而成。

电容量：1000p--10u，额定电压：63--2000V

优点：高频特性好，体积较小(代替大部分聚苯或云母电容,用于要求较高的电路)

缺点：不适合做大容量，价格比较高，耐热性能较差(温度系数大)。

2.3.3 独石电容 <无极性>

独石电容器完全是MLCC的一个变种,在MLCC上焊接两根引线,用环氧树脂封装而成,温度特性好，频率特性好（一般电容随着频率的上升,电容量呈现下降的规律，独石电容下降比较少，容量比较稳定）。
优点：电容量大、体积小、可靠性高、电容量稳定、耐高温、绝缘性好、成本低。

缺点：其他同CBB，有感。

2.2.4 瓷片电容 <无极性>

薄瓷片两面渡金属膜银而成。

优点：体积小，稳定，绝缘性好，耐压高，价格低，频率高（有一种是高频电容）

缺点：易碎！容量比较小。

2.2.5 云母电容 <无极性>

云母片上镀两层金属薄膜。

优点：介质损耗小，绝缘电阻大、温度系数小，适宜用于高频电路。

缺点：体积大，容量小，造价高（左边图是老款的电容，体积大，新款的相比体积小一点）

2.2.6 铝电容（全称：铝电解电容） <极性>

两片铝带和两层绝缘膜相互层叠，转捆后浸泡在电解液（含酸性的合成溶液）中。

优点：容量大。

缺点：高频特性不好。

2.2.7 钽电容（全称：钽电解电容） <极性>

用金属钽作为正极，在电解质外喷上金属作为负极。

优点：稳定性好，容量大，高频特性好。

缺点：造价高（一般用于关键地方）。

三、电容器的标示法

3.1、直标法：

标称电容器的：标称容量、额定电压及允许偏差。

允许偏差：±0.05%、±0.1%、±0.25%、±0.5%、±1%、±2%、±5%、±10%、±20%。

3.2、数码法：

数码标注法一般为三位数码表示电容器的容量，单位pF。其中前两位数码为电容量的有效数字，第三位为倍乘数，但第三位倍乘数是9时表示*

例：“101”表示10*=100pF；

“102”表示10*=1000pF；

“104”表示10*=0.1uF；

“223”表示22*=0.022uF；

3.3、色标法：

用不同颜色的带或点在电容器表面标出标称电容量和允许偏差，与电阻色标法相同，详见电阻文档。

四、常用电容

4.1、封装尺寸

贴片电容封装与尺寸与电阻相同，详见电阻文档。

电解电容和固态电容是标准的封装，但是高度不一定标准，包括很多定制的电容，需根据产品设计特点进行选择。

无极电容封装以RAD标识，有RAD-0.1、RAD-0.2、RAD-0.3、RAD-0.4，后面的数字表示焊盘中心孔间距，如下图所示（示例RAD-0.3）

电解电容封装则以RB标识，常见封装有：RB.2/.4、RB.3 /.6、RB.4/.8、RB.5/1.0，符号中前面数字表示焊盘中心孔间距，后面数字表示外围尺寸（丝印），单位仍然是英寸，如下图（RB-.3/.6）

3、额定电压

电容的额定电压是指加在电容上的最大“安全电压”。但超过了额定电压不一定会击穿，一般电容的实际耐压会超过额定电压的20%，但使用应预留工作电压的1.5倍到2倍取耐压。但是超过了额定电压是很容易击穿，发热，开裂的。常规的电容额定电压如下：

额定电压：6.3V、10V、16V、25V、32V、50V、63V、100V、160V、250V、400V、450V、500V、630V、1000V、1200V、1500V、1600V、1800V、2000V等。

电容器的额定工作电压通常是指直流值。如果直流中含有脉动成分，该脉动直流的最大值应不超过额定值；如果工作于交流，此交流电压的最大值应不超过额定值。并且随着工作频率的升高，工作电压应降低。

有极性的电容器不能用于交流电路。电解电容器的耐温性能很差，如果工作电压超过允许值，介质损耗将增大，很容易导致温升过高，最终导致损坏。一般说来，电容器工作时只允许出现较低温升，否则属于不正常现象。因此，在设备安装时，应尽量远离发热元件（如大功率管、变压器等）。如果工作环境温度较高，则应降低工作电压使用。

4、温度系数

电容温度系数（是在给定的温度间隔内，温度每变化1℃时，电容的变化数值与该温度下的标称电容的比值。电容温度系数是电容器陶瓷、微波陶瓷等材料的重要的电性能指标之一。

电容器的温度系数越大，其容量随温度的变化越大，这在很多电路是不允许的。例如振荡电路中的振荡回路元件、移相网络元件、滤波器等，温度系数大，会使电路产生漂移，造成电路工作的不稳定。这些场合应选用温度系数小的电容器，以确保其能稳定工作。

5、频率特性

电容器的频率特性通常是指电容器的电参数（如电容量、损耗角正切值等）随电场频率而变化的性质。在高频下工作的电容器，由于介电常数在高频时比低频时小，因此电容量将相应地减小。与此同时，它的损耗将随频率的升高而增加。此外在高频工作时，电容器的分布参数，如极片电阻、引线和极片接触电阻，极片的自身电感，引线电感等，都将影响电容器的性能，由于这些因素的影响，使得电容器的使用频率受到限制。

不同品种的电容器，最高使用频率范围不同。小型云母电容器在250MHz以内，圆片型瓷介电容器最高工作频率为300MHz, 圆管型瓷介电容器最高工作频率为200MHz, 圆盘型瓷介电容器最高工作频率为3000MHz。

五、电容器的使用：

5.1、电容的作用

电容的作用有很多，我们只介绍常用的几种。

①隔直流：作用是阻止直流通过而让交流通过。

②旁路（去耦）：为交流电路中某些并联的组件提供低阻抗通路。

③耦合：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

例如，DS90UB926Q芯片电路中（见下图）C1与C2，即应该用一个0.1μF电容交流耦合到这个引脚两个引脚。

④滤波：这个对电路而言很重要，MCU背后电容基本都是这个作用。即在MCU每个电源输入口出都会摆放这样一个电容，如下图所示。

即频率f越大，电容的阻抗Z越小。当低频时，电容C由于阻抗Z比较大，有用信号可以顺利通过；当高频时，电容C由于阻抗Z已经很小了，相当于把高频噪声短路到GND上去了。

⑤温度补偿：针对其它组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。

分析：由于定时电容的容量决定了行振荡器的振荡频率，所以要求定时电容的容量非常稳定，不随环境湿度变化而变化，这样才能使行振荡器的振荡频率稳定。因此采用正、负温度系数的电容释联，进行温度互补。

当工作温度升高时，Cl的容量在增大，而C2的容量在减小，两只电容并联后的总容量为两只电容容量之和，由于一个容量在增大而另一个在减小，所以总容量基本不变。

同理，在温度降低时，一个电容的容量在减小而另一个在增大，总的容量基本不变，稳定了振荡频率，实现温度补偿目的。

⑥计时：电容器与电阻器配合使用，确定电路的时间常数。

输入信号由低向高跳变时，经过缓冲1后输入RC电路。电容充电的特性使B点的信号并不会跟随输入信号立即跳变，而是有一个逐渐变大的过程。当变大到一定程度时，缓冲2翻转，在输出端得到了一个延迟的由低向高的跳变。

⑦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。

⑧整流：在预定的时间开或者关半闭导体开关组件。

⑨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。

⑩防止电压突变：主要用于负载突然增大或电源输入能力下降时，稳定电路，如下图中C324 C325等电容。

5.2、电解电容的爆裂的原因

电容器爆炸的情况又分钽电容和电解电容，设计的时候特别注意，所以现在很多设计避免用钽电容，而电解电容使用也要特别注意。

爆炸的直接原因无非是温度升高后，导致电容内部的电解液急速汽化膨胀，冲破外壳束缚而爆发。但造成这一问题的原因可能有以下这些：

1、电压过高，导致电容击穿，通过电容的电流在瞬间急速增加；

2、环境温度过高，超过电容的允许工作温度，引起电解液沸腾；

3、电容极性接反，造成与1同样的结果。

还有其他原因也会导致电容爆裂：

⑴由于制造质量差等原因，电容器的内部元件击穿。
⑵由于套管密封不良而进入潮气，降低了绝缘电阻；由于渗、漏油、油面下降，从而导致对外壳放电或元件击穿。
⑶内部游离和鼓肚。当电容器内部产生电晕、击穿放电和严重游离时，电容器在过电压作用下，会产生一系列物理、化学、电气效应，加速绝缘老化、分解而产生气体，形成恶性循环，以致箱壳压力增大，造成箱壁外鼓进而导致爆炸。
⑷绝缘损坏，尤其是高压侧引出线制造工艺不良、边缘不平、有毛刺或严重变折时，尖端容易产生电晕，电晕使油分解、箱壳膨胀、油面下降而造成元件击穿。此外，在封盖时如果转角处烧焊时间过长，破坏了内部绝缘，降低了击穿电压，也易导致电容器损坏，进而引起爆炸事故。
⑸当进行带电合闸时，在合闸的瞬间，电压极性可能与电容器残留电荷的极性相反，因而引起爆炸。
⑹通风不良、温升过高、严重过电压和电压谐波分量大，也会引起爆炸。

5.2、常用电容的测量

⑴容量在0.01 pF以上固定电容的检测：

将指针式万用表调至R×10k欧姆挡，并进行欧姆调零，然后用万用表的红、黑表笔分别接触电容的两个引脚，观察万用表指针的变化。

如果表笔接通瞬间，万用表有微小变动，然后又回到无穷大处，调换表笔后，再次测量现象相同，则可以判断该电容正常；如果表笔接通瞬间，万用表的指示至“0”附近，则可以判断该电容被击穿或严重漏电；如果表笔接通瞬间，万用表变化后不再回至无穷大处，则可判断该电容漏电；如果两次万用表均不动，则可以判断该电容已开路。

⑵容量小于0.01 pF的固定电容的检测：

检测10pF以下的小电容时，因电容容量太小，故用万用表进行测量，只能检查其是否有漏电、内部短路或击穿现象：测量时选用万用表R×10k挡，将两表笔分别任意接电容的两个引脚，阻值应为无穷大。如果测出阻值为零，则可以判定该电容漏电损坏或内部击穿。

5.3、RC电路充放电时间计算

电容称为“惯性元件”，即电容器两端的电压，有一定的“电惯性”，不能突然变化。充放电时间，不光电容的容量有关，还与充/放电电路中的电阻R有关。“1UF电容它的充放电时间是多长？”，不讲电阻，就不能回答。以下为RC电路充放电时间计算：

V0 为电容上的初始电压值；

V1 为电容最终可充到或放到的电压值；

Vt 为t时刻电容上的电压值。则，

Vt="V0"+（V1-V0）* [1-exp(-t/RC)]或，t = RC*Ln[(V1-V0)/(V1-Vt)]

例如：求充电到90%VCC的时间。（V0=0，V1=VCC，Vt=0.9VCC）

代入上式： 0.9VCC=0+VCC*[[1-exp(-t/RC)]

既 [[1-exp(-t/RC)]=0.9；

exp(-t/RC）=0.1

- t/RC=ln(0.1)

t/RC=ln(10) ln10约等于2.3

也就是t=2.3RC。

带入R=10k C=10uf得。

t=2.3*10k*10uf=230ms

比如，单片机复位电路。如果复位是高电平复位，加电后电容充电电流逐渐减少，此时经电阻接地的单片机IO是没电压的，因为电容是隔直流的，直到充电完毕开始放电，放电的过程同样是电流逐渐减少的，开始放电时电流很大，加到电阻上后提供给IO高电平，一段时间（电容器的充放电参数：建立时间等）后，电流变弱到0，但是复位引脚已经有了超过3us的高电平，所以复位就完成了。

5.4、电容的串并联

并联电容器组的等效电容比电容器组中任何一个电容器的电容都要大，但各电容器上的电压却是相等的，因此电容器组的耐压能力受到耐压能力最低的那个电容器的限制。

串联电容器组的等效电容比电容器组中任何一个电容器的电容都要小，但由于总电压分配到各个电容器上，所以电容器组的耐压能力比每个电容器都提高了。

并联电容器组各电容器的两极板间电压U相同，电容器组所带的总电最Q为各个电容器所带电量之和，即并联电容器组的等效电容等于电容器组中各电容之和。

串联电容器组各电容器所带电量相等，就是电容器组的总电量Q、总电压U等于各电容器电压之和。串联电容器组等效电容的倒数等于电容器组中各电容倒数之和。

所以，电容并联，容量增加（各容量相加），耐压以最小的计。

串联电容：串联个数越多，电容量越小，但耐压增大，其容量关系：1/C＝1/C1＋1/C2＋1/C3

并联电容：并联个数越多，电容量越大，但耐压不变，其容量关系：C＝C1＋C2＋C3。