電容器是能量存儲(chǔ)設(shè)備，對(duì)模擬和數(shù)字電子電路都至關(guān)重要。它們用于定時(shí)，用于波形創(chuàng)建和整形，阻斷直流電，交流電信號(hào)耦合，濾波和平滑，當(dāng)然還有能量存儲(chǔ)。由于用途廣泛，出現(xiàn)了大量使用各種板材，絕緣電介質(zhì)和物理形式的電容器類型。這些電容器類型中的每一種都適用于特定的應(yīng)用范圍。選項(xiàng)種類繁多，這意味著在性能特征、可靠性、使用壽命、穩(wěn)定性和成本方面，可能需要對(duì)它們進(jìn)行分類，以便為設(shè)計(jì)找到最佳選擇。

需要了解每種電容器類型的特性，以便將電容器與預(yù)期的電路應(yīng)用正確匹配。這些知識(shí)必須涵蓋電容器的電氣、物理和經(jīng)濟(jì)特性。

本文將介紹各種類型的電容器、其特性以及選擇電容器的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。村田電子、KEMET、康奈爾杜比利爾電子、松下電子株式會(huì)社和AVX株式會(huì)社的示例將用于說明關(guān)鍵差異和屬性。

什么是電容器？

電容器是一種在內(nèi)部電場(chǎng)中存儲(chǔ)能量的電子設(shè)備。它是一種基本的無源電子元件，與電阻器和電感器一起。所有電容器都由相同的基本結(jié)構(gòu)組成，兩個(gè)導(dǎo)電板由絕緣體（稱為電介質(zhì)）隔開，可以通過施加電場(chǎng)進(jìn)行極化（圖1）。電容與板面積A成正比，與板間距離d成反比。

圖 1：基本電容器由兩個(gè)導(dǎo)電板組成，由一個(gè)非導(dǎo)電電介質(zhì)隔開，該電介質(zhì)在兩個(gè)板之間的電場(chǎng)中作為極化區(qū)域存儲(chǔ)能量。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

第一個(gè)電容器是1745年開發(fā)的Leyden罐。它由一個(gè)玻璃罐組成，內(nèi)表面和外表面襯有金屬箔，最初用于儲(chǔ)存靜電電荷。本杰明·富蘭克林用一個(gè)來證明閃電是電，這成為最早的記錄應(yīng)用之一。

基本并聯(lián)板電容器的電容可以使用公式1計(jì)算：

等式 1

哪里：

C是法拉的電容

A是以平方米為單位的板材面積

d 是板之間的距離（以米為單位）

ε介電材料的介電常數(shù)

ε等于電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，εr乘以真空的介電常數(shù)，ε0.相對(duì)介電常數(shù)，εr,通常被稱為介電常數(shù)k。

基于公式1，電容與介電常數(shù)和板面積成正比，與板之間的距離成反比。為了增加電容，可以增加板的面積，并且可以減小板之間的距離。由于真空的相對(duì)介電常數(shù)為1，并且所有電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)都大于1，因此插入電介質(zhì)也會(huì)增加電容器的電容。電容器通常由所使用的電介質(zhì)材料的類型來表示（表1）。

表1：按電介質(zhì)材料分類的常見電容器類型的特性。（表來源：Digi-Key Electronics）

列條目上的一些注釋：

電容器的相對(duì)介電常數(shù)或介電常數(shù)會(huì)影響給定板面積和介電厚度下可實(shí)現(xiàn)的電容最大值。

介電強(qiáng)度是電介質(zhì)對(duì)電壓擊穿的抵抗力的額定值，作為其厚度的函數(shù)。

可實(shí)現(xiàn)的最小電介質(zhì)厚度會(huì)影響可實(shí)現(xiàn)的最大電容以及電容器的擊穿電壓。

電容器結(jié)構(gòu)

電容器提供多種物理安裝配置，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、徑向和表面安裝。表面貼裝在此時(shí)應(yīng)用非常廣泛。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

軸向結(jié)構(gòu)基于金屬箔和電介質(zhì)的交替層，或兩側(cè)金屬化的電介質(zhì)軋成圓柱形。可通過插入的插片或圓形導(dǎo)電端蓋連接到導(dǎo)電板。

徑向型通常由交替的金屬層和介電層組成。金屬層在兩端橋接。徑向和軸向配置用于通孔安裝。

表面貼裝電容器還依賴于交替的導(dǎo)電層和介電層。兩端的金屬層由焊帽橋接，用于表面安裝。

電容器電路模型

電容器的電路模型包括所有三個(gè)無源電路元件（圖 3）。

圖 3：電容器的電路模型由電容式、感性和電阻式元件組成。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

電容器的電路模型由一個(gè)串聯(lián)電阻元件組成，該電阻元件表示導(dǎo)電元件的歐姆電阻以及介電電阻。這稱為等效或有效串聯(lián)電阻（ESR）。

當(dāng)交流信號(hào)施加到電容器上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生介電效應(yīng)。交流電壓導(dǎo)致電介質(zhì)的極化在每個(gè)周期發(fā)生變化，從而導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)熱。電介質(zhì)加熱是材料的函數(shù)，作為電介質(zhì)的耗散因數(shù)進(jìn)行測(cè)量。耗散因數(shù)（DF）是電容電容和ESR的函數(shù)，可以使用公式2計(jì)算：

等式 2

哪里：

XC是以歐姆為單位的容抗（Ω）

ESR 是等效的串聯(lián)電阻（以Ω為單位）

由于容抗項(xiàng)，耗散因數(shù)與頻率有關(guān)，并且是無量綱的，通常以百分比表示。較低的耗散因數(shù)可減少加熱，從而降低損耗。

有一種串聯(lián)電感元件，稱為有效或等效串聯(lián)電感（ESL）。這表示引線和導(dǎo)電路徑電感。串聯(lián)電感和電容產(chǎn)生串聯(lián)諧振。在串聯(lián)諧振頻率以下，器件主要表現(xiàn)出容性行為，高于串聯(lián)諧振頻率時(shí)，器件的電感性更強(qiáng)。在許多高頻應(yīng)用中，這種串聯(lián)電感可能會(huì)出現(xiàn)問題。供應(yīng)商通過使用徑向和表面貼裝元件配置中所示的分層結(jié)構(gòu)，將電感降至最低。

并聯(lián)電阻表示電介質(zhì)的絕緣電阻。各種型號(hào)組件的值取決于電容器配置和為其結(jié)構(gòu)選擇的材料。

陶瓷電容器

這些電容器使用陶瓷電介質(zhì)。陶瓷電容器有兩類，1類和2類。1類基于對(duì)電陶瓷，如二氧化鈦。這類陶瓷電容器具有高穩(wěn)定性、良好的電容溫度系數(shù)和低損耗。由于其固有的精度，它們用于振蕩器、濾波器和其他RF應(yīng)用。

2類陶瓷電容器使用基于鐵電材料（如鈦酸鋇）的陶瓷電介質(zhì)。由于這些材料的介電常數(shù)較高，因此2類陶瓷電容器每單位體積的電容更高，但精度和穩(wěn)定性低于1類電容器。它們用于旁路和耦合應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，電容的絕對(duì)值并不重要。

村田制作所的GCM1885C2A101JA16就是陶瓷電容器的一個(gè)例子（圖4）。1 類 100 皮法拉 （pF） 電容器具有 5% 的容差，額定電壓為 100 伏，并采用表面貼裝配置。該電容器適用于汽車應(yīng)用，額定溫度為 -55° 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：村田電子）

薄膜電容器

薄膜電容器使用薄塑料薄膜作為電介質(zhì)。導(dǎo)電板既可以作為箔層實(shí)現(xiàn)，也可以作為兩層薄金屬化層來實(shí)現(xiàn)，每層在塑料薄膜的兩側(cè)。用于電介質(zhì)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）：它們具有特別好的公差和穩(wěn)定性，具有低ESR和ESL以及高電壓擊穿額定值。由于電介質(zhì)的溫度限制，它們僅作為引線器件提供。PP電容器適用于遇到高功率或高電壓的電路，如開關(guān)模式電源、鎮(zhèn)流器電路、高頻放電電路，以及音頻系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中，它們的低ESR和ESL因信號(hào)完整性而受到重視。

聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）：也稱為聚酯或聚酯薄膜電容器，由于其介電常數(shù)較高，這些電容器是薄膜電容器中體積效率最高的電容器。它們通常用作徑向引線器件。它們用于通用電容應(yīng)用。

聚苯硫醚：這些電容器僅作為金屬化薄膜器件制造。它們具有特別好的溫度穩(wěn)定性，因此適用于需要良好頻率穩(wěn)定性的電路。

PPS薄膜電容器的一個(gè)例子是松下電子公司的ECH-U1H101JX5。100 pF 器件的容差為 5%，額定電壓為 50 V，采用表面貼裝配置。它的工作溫度范圍為 -55° 至 125°C，適用于一般電子應(yīng)用。

聚萘二甲酸乙二醇酯（ PEN）：與 PPS 電容器一樣，這些電容器僅采用金屬化薄膜設(shè)計(jì)。它們具有耐高溫性，并提供表面貼裝配置。應(yīng)用主要針對(duì)那些需要高溫和高壓性能的應(yīng)用。

聚四氟乙烯（PTFE）或特氟龍電容器以其高溫和高耐壓性而聞名。它們以金屬化和箔結(jié)構(gòu)制造。PTFE電容器主要用于需要暴露在高溫下的應(yīng)用。

電解電容器

電解電容器以其高電容值和高容積效率而著稱。這是通過使用液體電解質(zhì)作為其板之一來實(shí)現(xiàn)的。鋁電解電容器包括四個(gè)獨(dú)立的層：鋁箔陰極;電解質(zhì)浸泡紙分離器;經(jīng)過化學(xué)處理以形成非常薄的氧化鋁層的鋁陽極;最后，另一個(gè)紙張分離器。然后將該組合卷起并放置在密封的金屬罐中。

電解電容器是極化的直流（DC）器件，這意味著施加的電壓必須施加到指定的正負(fù)端子上。未能正確連接電解電容器可能會(huì)導(dǎo)致爆炸性故障，盡管外殼具有泄壓膜片來管理反應(yīng)并最大限度地減少損壞的可能性。

電解電容器的主要優(yōu)點(diǎn)是電容值高，體積小，成本相對(duì)較低。電容值具有寬容差范圍和相對(duì)較高的漏電流。電解電容器最常見的應(yīng)用是線性和開關(guān)電源中的濾波電容器（圖 5）。

圖5：電解電容器的例子;所有電容均為10微法（μF）。（圖片來源：Kemet 和 AVX Corp.）

參考圖 5 并從左向右移動(dòng)，Kemet 的 ESK106M063AC3FA 是一個(gè) 10 μF、20% 63 伏徑向引線鋁電解電容器。它可以在高達(dá)85°C的溫度下工作，使用壽命為2，000小時(shí)。它適用于通用電解應(yīng)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(zhì)代替液體電解質(zhì)。聚合物鋁電容器具有比鋁電解電容器更低的ESR和更長(zhǎng)的使用壽命。與所有電解電容器一樣，它們也是極化的，并作為濾波器和去耦電容器在電源中得到應(yīng)用。

Kemet A758BG106M1EDAE070 是一款 10 μF、25 伏徑向引線鋁聚合物電容器，在很寬的溫度范圍內(nèi)具有更長(zhǎng)的使用壽命和更高的穩(wěn)定性。它適用于工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用，如手機(jī)充電器和醫(yī)療電子產(chǎn)品。

鉭電容器是電解電容器的另一種形式。在這種情況下，在鉭箔上化學(xué)形成一層氧化鉭。它們的體積效率優(yōu)于鋁電解，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和更高的耐溫性，這意味著它們可以更好地承受焊接過程。

Kemet T350E106K016AT是一款10 μF、10%、16伏徑向引線鉭電容。它具有小尺寸、低泄漏和低耗散因數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，適用于濾波、旁路、交流耦合和定時(shí)應(yīng)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期間開發(fā)的，用鈮和五氧化二鈮代替鉭作為電解質(zhì)。由于其較高的介電常數(shù)，它的每單位電容提供更小的封裝尺寸。

氧化鈮電解劑的一個(gè)例子是AVX公司的NOJB106M010RWJ。這是一個(gè)10 μF、20%、10伏電容，采用表面貼裝配置。與鉭電解液一樣，它用于濾波、旁路和交流耦合應(yīng)用。

云母電容器

云母電容器（主要是銀云母）的特點(diǎn)是電容容差小（±1%），電容溫度系數(shù)低（通常為50 ppm/°C），耗散因數(shù)極低，并且隨著施加電壓的變化，電容變化很小。嚴(yán)格的公差和高穩(wěn)定性使它們適用于RF電路。云母電介質(zhì)的兩面都鍍銀以提供導(dǎo)電表面。云母是一種穩(wěn)定的礦物質(zhì)，不會(huì)與最常見的電子污染物相互作用。

康奈爾杜比利爾電子公司的 MC12FD101J-F 是一款 100 pF、5%、500 伏云母電容器，采用表面貼裝配置（圖 6）。它用于射頻應(yīng)用，如MRI、移動(dòng)無線電、功率放大器和振蕩器。它們的工作溫度范圍為 -55° 至 125°C。

圖 6：康奈爾杜比利爾電子 MC12FD101J-F 是一款用于射頻應(yīng)用的表面貼裝云母電容器。（圖片來源：Cornell Dubilier Electronics）

結(jié)論

電容器是電子設(shè)計(jì)中必不可少的元件。多年來，已經(jīng)開發(fā)了具有各種特性的各種器件類型，使一些電容器技術(shù)特別適合特定應(yīng)用。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來說，獲得各種類型，配置和規(guī)格的良好工作知識(shí)是值得的，以確保為給定應(yīng)用做出最佳選擇。

審核編輯 黃昊宇