硬件基础知识(9)---电容容量、尺寸及作用
电容就像水杯一样,越大的水杯,装的水越多。电容尺寸越大,容量越大。
电容的单位是F,Farad,法拉。这是个超大的单位,一般电容达不到这么大,基本单位为pF、nF和uF。1F=1012pF。
但是法拉并不是电容的绝对容量,而是相对值,代表相同电压下能放出去多少电。即每放出一定的电量,电压下降一个定值。
由此可以理解,电容中存储的电量是“容值x电压”。这个电压指的是耐压值,就是电容最高能充电充到多少伏。电量和容值成正比,和电压成正比,和体积也成正比,价格嘛,也是越大越贵。
例如同样都是100uF的电解电容,25V的有6x11mm,50V的有8x13mm,200V的有16x25mm。一颗1000uF、450V的电容,可达35x60mm,比一节一号电池还大。(直径x高度)
↑ 图:电容的各种标定方式。(眼尖的一定会发现图中混入了几颗电阻)
电容的容值和精度
一般陶瓷电容最小有0.5pF的,常用的0402电容最大一般是10uF10V,0805的电容最大一般是47uF10V。电解电容都是10uF起步,没有nF这么小的,常用的最大可以到10000uF左右。
通常选型的时候为了好采购、成本低,一般都不会顶格选电容,设计的时候推荐0402最大选4.7uF,0603最大选10uF,0805最大选22uF。至于电解电容,也是一样的,先选定容值和耐压值,然后去规格书上找常用的尺寸。
容值能不能做的更大,主要看体积。变压器站用的高压电容,有很多比一个箱子还要大。普通电解电容最大也可以做到手臂那么大颗。
那么能不能做的更小,比0.5pF还小呢?能,但是没有意义。一个0402的电容的焊盘寄生电容就有接近1pF了。这么小的电容,主要是给射频部分使用的。
陶瓷电容标不下容值,一般通体黄色或褐色。电解电容的容值一般按照实际值标注在外壳上,如220uF 25V的信息。钽电容的容值标在电容表面,用和电阻一样的标注方式,单位是pF。例如226,就是22x106pF=22uF。
电容的精度普遍都不高,陶瓷电容精度高一些的有5%的(J档),普通的10%(K档)、20%(M档),还有些+80%~-20%(Z档)。pF级别的5%比较多,nF级别的10%比较多,uF级别的普遍都是20%。电解电容普遍也都是20%。
为什么几乎用不到高精度电容呢?因为电容大部分时候是用来给电源稳压的,容值差一点不影响使用效果。偶尔有射频匹配和滤波网络需要用到pF级别的电容,5%也足够用了,不足以对滤波器的频点造成影响。
电容的尺寸:对于陶瓷电容和钽电容,其尺寸和电阻一样,小尺寸的用英制,0201、0402、0603、0805,大尺寸的用公制,如2520、3525等。对于柱状的电解电容,一般是用“直径x高度”的方式来描述尺寸。
因此硬件设计的时候,要考虑预留的电容的尺寸尽可能的大。如果你预留6x11的位置,一般最大也就用100uF 25V的了,想换小的节省成本没有问题,但想换大的就很难了,电容厂家做不出来6x11的470uF 25V的电容。同样的问题在陶瓷电容上也需要注意,例如预留一个0805的电容,一般最大也就能贴22uF 6.3V的了,想要更大容值或更高电压就很难找到物料了。
↑ 图:不同尺寸的电解电容
↑ 图:不同尺寸的陶瓷电容
↑ 图:不同尺寸的钽电容
电容的耐压值,在弱电领域主要有4V、6.3V、10V、16V、20V、25V、35V、50V这些档位。上百伏的电容主要用在强电上。耐压值的选择非常非常重要,选错了会有生命危险。
如果把25V的电容,用在50V的电源上,会怎么样?陶瓷电容有机会扛得住,也可能被烧掉短路了。电解电容一般扛不住,直接击穿短路或干脆爆炸了。钽电容一定扛不住,升起一团烟火就烧掉了。
硬件设计选择电容的时候,务必要考虑清楚线路的最高电压,通常是折半使用,就是电容耐压值要达到线路电压的2倍或更多。例如5V电源上的电容要选择10V的,而不是6.3V的。20V的电源上的电容要选择50V的电容,而不是35V的。
经验上看,陶瓷电容可以选择略小一些的,因为陶瓷电容对高压的耐受能力比较好。钽电容一定要严格按照2倍以上来选择,因为钽电容比较容易被击穿。电解电容推荐使用2倍以上,以避免供应商品质控制不严格带来的隐患。
电容的方向:陶瓷电容不分正负极,电解电容和钽电容都有正负极的区分。如果接反了,就会击穿然后起火或者爆炸。
不巧的是,电解电容和钽电容都是对称的,正反都能焊接。在硬件设计的时候,要从原理图、PCB上明确区分电解电容和钽电容的正负极,不能画反了。SMT贴片的时候也要注意不能反着贴。
↑ 图:电解电容的符号和陶瓷电容的符号
↑ 图:电解电容有标识的是负极
↑ 图:电解电容有标识的是负极
↑ 图:钽电容有标识的是正极
电解电容有标识的是负极,钽电容有标识的是正极。两个是相反的。
电容的作用
电容的计算公式:C=εS/4πkd,实话说,我也记不得这是干什么的了>_<||| ,自从高考完,再也没用过,早就还给老师了。在工作的十几年中,压根用不到这些最理论化的计算。
那么电容在硬件设计中应当怎么用呢?前面讲到了电容的基本特性就是储能,一个水杯,不断的充水放水、充电放电。电容的一切应用都是围绕着这个基本特性来开展的。
电阻一般不是用来分压的,同样电容一般也不是用来储能的。纯粹用来储能的场景非常少,这么多年以来,我记得只有一个场景是用来储能的。
电感用的最多的地方:电源稳压、去耦、滤波、去干扰、射频调谐、最后才是储能。
电容的在交流电下的特性
看案例之前,要先了解一下电容这个“水杯”在接水放水状态下的特点:隔绝直流,通过交流。
↑ 图:电容充放电过程
电容两端的电压恒定之后,电容就无法继续充电,也无法放电。因此电压恒定不变的直流电无法穿过电容。这就是电容“隔绝直流”的作用。
如果电容两端的电压是变化的,外部电压低的时候内部对外放电,外部电压高的时候对内部充电,变化的部分能够穿过电容。这就是电容“通过交流”的作用。
↑ 图:并联电容滤波
电容并联在信号线或电源线上的时候,起到滤波的作用,交流信号导入地上,直流分量通过电容到另一侧。
↑ 图:串联电容隔直
电容串联在信号线上,起到隔直的作用。交流分量穿过电容,直流分量被阻挡下来。
↑ 图: 实际电容在高频下的等效电路
↑ 图: 实际电容的频率响应,在特定频率范围的等效电阻最小
↑ 图:1pF电容的高频频率响应
一个理论的电容,能够通过所有高频的信号。但实际上的电容是有寄生电感的,构成了一个LC谐振电路,这个电路在谐振点周围的等效电阻最小。
就是说,电容能够通过特定频段范围的交流信号,阻断或部分阻断其他频段的交流信号。电容越大,能够滤除的频段越低。
如果有个无限大的电容,永远充不满电的电容,那么连直流(0Hz的交流)也可以完全滤除掉。
因此在使用过程中,要根据信号的频率,来选择合适的电容。滤除低频噪声用大电容,滤除高频噪声用小电容。
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