發布日期：2022-10-09 點擊率：43
電容器是模擬和數字電子電路中必不可少的儲能器件。這些器件可用于定時、波形生成和整形、阻斷直流、交流信號耦合、濾波與平滑，當然還用于儲能。由于用途廣泛，已經出現了多種使用各種極板材料、絕緣電介質和物理形式的電容器類型。對于這些電容器類型，每一種都適用于特定的應用范圍。產品種類繁多意味著需要花時間對所有產品進行分類，以從性能特點、可靠性、使用壽命、穩定性和成本方面為設計找出最佳選擇。
為了正確地將電容器與預期的電路應用相匹配，需要了解每種電容器的特性。這種了解必須涵蓋電容器的電氣、物理和經濟特性。
本文將介紹各種類型的電容器及其特性和關鍵選擇標準。文中將以 Murata Electronics、KEMET、Cornell Dubilier Electronics、Panasonic Electronics Corporation 和 AVX Corporation 的產品為例，說明電容器的主要區別和屬性。
電容器是一種在內部電場中儲存能量的電子器件。它與電阻器、電感器一樣，都是基本的無源電子元件。所有電容器都具有相同的基本結構，兩塊導電極板中間由絕緣體隔開，該絕緣體稱為電介質，可在施加電場后發生極化（圖 1）。電容值與極板面積 A 成正比，與極板之間的距離 d 成反比。
圖 1：基本電容器由兩塊導電極板組成，中間用非導電電介質隔開，電介質在兩塊極板之間的電場中以極化區的形式儲存電能。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
第一個電容器是發明于 1745 年的萊頓瓶。萊頓瓶是一個內外表面都襯有金屬箔的玻璃瓶，最初用來儲存靜電荷。本杰明·富蘭克林曾使用萊頓瓶來證明閃電是電現象，這是最早有記載的應用之一。
基本平行極板電容器的電容值可通過公式 1 計算：
公式 1
其中：
C 是電容，單位為法拉
A 是極板面積，單位為平方米
d 是極板之間的距離，單位為米
ε 是介電材料的介電常數
ε 等于電介質的相對介電常數 εr 乘以真空的介電常數 ε0。相對介電常數 εr 通常稱為介電常數 k。
根據公式 1，電容值與介電常數和極板面積成正比，與極板間距成反比。要增加電容值，可以增加極板的面積，減小極板之間的距離。由于真空的相對介電常數為 1，而所有電介質的相對介電常數都大于 1，因此插入電介質也會增加電容器的電容值。電容器通常由所用介電材料的類型來指代（表 1）。
表 1：按介電材料分類的常見電容器類型的特性。（表格來源：Digi-Key Electronics）
關于列表條目的一些說明：
電容器的相對介電常數或電容率影響既定極板面積和電介質厚度下可達到的最大電容值。
介電強度是電介質耐電壓擊穿的額定值，是其厚度的函數。
可實現的最小電介質厚度會影響可實現的最大電容值以及電容器的擊穿電壓。
電容器有多種物理安裝配置，包括軸向、徑向和表面貼裝（圖 2）。
圖 2：電容器安裝或配置類型包括軸向、徑向和表面貼裝。目前，表面貼裝的應用非常廣泛。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
軸向電容器采用金屬箔和電介質層交替結構，或將雙面金屬化的電介質卷成圓柱形。與導電極板的連接可以通過插入的凸片或圓形的導電端蓋來實現。
徑向型通常則采用金屬層和介電層交替疊放結構。金屬層在末端橋接在一起。徑向和軸向配置適用于通孔安裝。
表面貼裝電容器同樣采用導電層和介電層交替結構。每一端的金屬層由錫帽橋接，以適合表面貼裝。
電容器的電路模型包括所有三種無源電路元件（圖 3）。
圖 3：電容器電路模型包含電容、電感和電阻元件。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
電容器的電路模型包含一個串聯電阻元件，其代表導電元件的歐姆電阻及電介質電阻。這稱為等效或有效串聯電阻 (ESR)。
當對電容器施加交流信號時，會產生介電效應。交流電壓會使電介質的極化在每個周期都會發生變化，從而導致內部發熱。電介質發熱量是材料的函數，并通過電介質的耗散因數來度量。耗散因數 (DF) 是電容器電容和 ESR 的函數，可通過公式 2 計算：
公式 2
其中：
XC 是容抗 (Ω)
ESR 為等效串聯電阻 (Ω)
由于存在容抗，耗散因數與頻率有關，并且無量綱，通常用百分比表示。耗散因數越小，發熱越少，從而損耗越低。
模型中有一個串聯電感元件，稱為有效或等效串聯電感 (ESL)。其代表引線和導電路徑電感。串聯電感和電容會引起串聯共振。低于串聯共振頻率時，器件主要表現為電容行為，高于串聯共振頻率時，器件更多表現為電感行為。在許多高頻應用中，該串聯電感可能是個問題。供應商通過使用徑向和表面貼裝元件配置中所示的分層結構，可最大限度地減少電感。
并聯電阻代表電介質的絕緣電阻。各種模型元件的值取決于電容器配置和所選的結構材料。
這類電容器使用陶瓷電介質。陶瓷電容器分為兩類：1 類和 2 類。1 類基于像二氧化鈦這樣的順電陶瓷。這類陶瓷電容器具有高穩定性、良好的電容溫度系數和低損耗。由于固有精度的原因，這些器件可用于振蕩器、濾波器和其他射頻應用中。
2 類陶瓷電容器使用基于如鈦酸鋇之類鐵電材料的陶瓷電介質。由于這些材料介電常數高，2 類陶瓷電容器提供了比 1 類電容器更高的單位體積電容量，但精度和穩定性較低。它們用于絕對電容值不重要的旁路和耦合應用。
Murata Electronics 的 GCM1885C2A101JA16 是陶瓷電容器的一個示例（圖 4）。這款 1 類 100 皮法 (pF) 電容器的容差為 5%，額定電壓為 100 V，采用表面貼裝配置。該電容器適合汽車使用，額定溫度為 -55°C 至 +125°C。
圖 4：GCM1885C2A101JA16 是一款 1 類 100 pF 陶瓷表面貼裝電容器，容差為 5%，額定電壓為 100 V。（圖片來源：Murata Electronics）
薄膜電容器使用塑料薄膜作為電介質。導電極板既可以是箔層，也可以是兩個薄金屬化層，塑料薄膜每一側各一層。電介質所用的塑料決定了電容器的特性。薄膜電容器有多種形式：
聚丙烯 (PP)：這些器件的容差和穩定性特別好，具有低 ESR 和 ESL 以及高額定擊穿電壓。由于電介質的溫度限制，它們只能作為引線器件使用。PP 電容器可應用于開關模式電源、鎮流器電路、高頻放電電路等高功率或高壓電路中，也可應用于出于信號完整性而重視低 ESR 和 ESL 的音響系統。
聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET)：又稱為聚酯或聚酯薄膜電容器，這些電容器由于具有較高的介電常數，因此是體積效率最高的薄膜電容器。這些電容器通常作為徑向引線器件使用，用于通用電容應用。
聚苯硫醚 (PPS)：這些電容器僅作為金屬化膜器件生產，具有非常好的溫度穩定性，因此適用于需要良好頻率穩定性的電路中。
PPS 薄膜電容器的一個示例是來自 Panasonic Electronics Corporation 的 ECH-U1H101JX5。該 100 pF 器件的容差為 5%，額定電壓為 50 V，采用表面貼裝配置。工作溫度范圍為 -55°C 至 125°C，適用于一般電子應用。
聚萘二甲酸乙二醇酯 (PEN)：與 PPS 電容器一樣，這些電容器只能采用金屬化膜設計。它們具有高溫耐受性，可采用表面貼裝配置。應用集中于需要高溫和高壓性能的領域。
聚四氟乙烯 (PTFE) 或特氟隆電容器因其耐高溫、耐高壓性能而著稱。它們采用金屬化和金屬箔結構生產。PTFE 電容器大多用于需要暴露于高溫的應用。
電解電容器以高電容值和高體積效率而著稱。這是通過使用液體電解質作為其一個極板來實現的。鋁電解電容器包括四個分開的層：鋁箔陰極；電解液浸漬紙隔離層；經過化學處理以形成非常薄氧化鋁層的鋁陽極；最后是另一個紙隔離層。然后把這些材料層卷起來，放在一個密封的金屬罐中。
電解電容器是極化、直流 (DC) 器件，這意味著電壓必須施加于指定的正負端子。盡管外殼有泄壓膜片來控制反應，并最大限度地減少損害的可能性，但如果不能正確連接電解電容器，可能會導致爆炸性故障。
電解電容器的主要優點是高電容值、小尺寸和相對較低的成本。這些電容值具有較寬的容差范圍和相對較高的漏電流。電解電容器最常見的應用是用作線性和開關電源中的濾波電容器（圖 5）。
圖 5：電解電容器示例；所有器件的電容均為 10 微法 (μF)。（圖片來源：Kemet 和 AVX Corp.）
在圖 5 中（從左向右），首先是 Kemet 的 ESK106M063AC3FA，這是一款 10 μF、容差 20%、63 V 的徑向引線鋁電解電容器。工作溫度高達 85°C，工作壽命為 2,000 小時。該電容器適用于通用電解應用，包括濾波、去耦和旁路操作。
鋁電解電容器的替代品是鋁聚合物電容器，它用固體聚合物電解質代替液體電解質。聚合物鋁電容器比鋁電解電容器具有更低的 ESR 和更長的工作壽命。與所有電解電容器一樣，它們也是極化的，并作為濾波和去耦電容器應用于電源中。
Kemet 的 A758BG106M1EDAE070 是一款 10 μF、25 V 徑向引線鋁聚合物電容器，在廣泛的溫度范圍內具有更長的壽命和更高的穩定性。該器件適用于手機充電器、醫療電子設備等工業和商業應用。
鉭電容器是電解電容器的另一種形式。該器件在鉭箔上以化學方式形成一層氧化鉭。其體積效率優于鋁電解電容器，但最大電壓水平通常較低。與鋁電解電容器相比，鉭電容器具有更低的 ESR 和更高的溫度耐受性，這意味著它們能夠更好地承受焊接過程。
Kemet 的 T350E106K016AT 是一款 10 μF、容差 10%、16 V、徑向引線鉭電容器。它具有小尺寸、低漏電流和低耗散因數等優點，適合濾波、旁路、交流耦合和定時應用。
最后一種電解電容器類型是氧化鈮電解電容器。鈮電解電容器是在鉭短缺的情況下發展起來的，它以鈮和五氧化二鈮代替鉭作為電解質。由于介電常數較高，其單位電容封裝尺寸較小。
氧化鈮電解電容器的一個示例是來自 AVX Corp. 的 NOJB106M010RWJ，這是一款采用表面貼裝配置的 10 μF、容差 20%、10 V 電容器。與鉭電解電容器一樣，它也用于濾波、旁路和交流耦合應用。
云母電容器（多為銀云母）的特點是電容容差小 (±1%)、電容溫度系數低（通常為 50 ppm/°C）、耗散因數極低、電容隨施加電壓的變化小。該器件具有緊公差和高穩定性，適用于射頻電路。云母電介質在兩側噴涂銀層以提供導電表面。云母是一種穩定的礦物質，不會與大多數常見的電子污染物發生相互作用。
Cornell Dubilier Electronics 的 MC12FD101J-F 是一款 100 pF、容差 5%、500 V 云母電容器，采用表面貼裝配置（圖 6）。該器件用于 MRI、移動無線電、功率放大器和振蕩器等射頻應用。額定工作溫度范圍為 -55°C 至 125°C。
圖 6：Cornell Dubilier Electronics MC12FD101J-F 是一款面向射頻應用的表面貼裝云母電容器。（圖片來源：Cornell Dubilier Electronics）
電容器是電子設計中必不可少的元件。多年來，人們開發出了各種類型的電容器，它們特性各異，有些電容器技術只是適合特定的應用。對于設計人員來說，值得花時間掌握各種電容器類型、配置和規格知識，只有這樣才能確保為既定應用選擇到最佳的器件。
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