硬件基础知识（电容）
一、基本概念
電容：亦稱作“電容量”，是指在給定電位差下的電荷儲藏量。
電容器：
①定義1：電容器，顧名思義，是‘裝電的容器’，是一種容納電荷的器件;
②定義2：電容器，任何兩個彼此絕緣且相隔很近的導體（包括導線）間都構成一個電容器。
電容值：電容器所帶電量Q與電容器兩極間的電壓U的比值，叫電容器的電容。在電路學里，給定電勢差，電容器儲存電荷的能力，稱為電容（capacitance），標記為C。
電容單位：法拉，簡稱法，符號是F。
常用的電容單位有毫法（mF）、微法（μF）、納法（nF）和皮法（pF）等，換算關系是：
1法拉（F）= 1000毫法（mF）=1000000微法（μF）
1微法（μF）= 1000納法（nF）= 1000000皮法（pF）。
排容：由若干個電容?排列而成的電容陣列，若干個參數(shù)完全相同的電容，它們的一個引腳都連到一起，作為公共引腳，其余引腳正常引出。
二、電容分類
2.1.?按照結構
2.1.1固定電容器：
不能調節(jié)的,我們稱之為定值電容。
2.1.2可變電容器：
它由一組定片和一組動片組成，它的容量隨著動片的轉動可以連續(xù)改變。把兩組可變電容裝在一起同軸轉動，叫做雙連。可變電容的介質有空?氣和聚苯乙烯兩種。空氣介質可變電容體積大，損耗小，多用在電子管收音機中。聚苯乙烯介質可變電容做成密封式的，體積小，多用在晶體管?收音機中。
2.1.3微調電容器：
半可變電容也叫做微調電容，它是由兩片或者兩組小型金屬彈片，中間夾著介質制成。調節(jié)的時候改變兩片之間的距離或者面積。它的介質有空氣、陶瓷、云母、薄膜等
2.2.按極性
有極性電容和無極性電容，有極性使用時要注意方向。
2.3.按介質
CBB電容（聚丙烯），滌綸電容、瓷片電容、云母電容、獨石電容、（鋁）電解電容、鉭電容等。
2.3.1疊層陶瓷貼片電容（MLCC）?<無極性?>
采用多層結構，往往一個MLCC內部多達幾十層，甚至更多。其中，每一單層都相當于一個電容，幾十層就相當于幾十個電容器并聯(lián)。所以MLCC容量做的很大,但電壓不高。一般都是表面貼裝(SMD)
常見引腳封裝有0201、0402、0603、0805、1206、1210、1812、2010。
多層陶瓷電容(MLCC)根據(jù)材料分為Class1和Class2兩類。Class1是溫度補償型，Class2是溫度穩(wěn)定型和普通應用的。?
⑴?Class1
Class1或者溫度補償型電容通常是由鈦酸鋇不占主要部分的鈦酸鹽混合物構成。它們有可預見的溫度系數(shù)，通常沒有老化特性。因此它們是可用的最穩(wěn)定的電容。最常用的Class1多層陶瓷電容是COG(NPO)溫度補償型電容(±0ppm/°C)。
NPO是一種最常用的具有溫度補償特性的單片陶瓷電容器。它的填充介質是由銣、釤和一些其它稀有氧化物組成的。NPO電容器是電容量和介質損耗最穩(wěn)定的電容器之一。在溫度從-55℃到+125℃時容量變化為0±30ppm/℃，電容量隨頻率的變化小于±0.3ΔC。NPO電容的漂移或滯后小于±0.05%，相對大于±2%的薄膜電容來說是可以忽略不計的。其典型的容量相對使用壽命的變化小于±0.1%。NPO電容器隨封裝形式不同其電容量和介質損耗隨頻率變化的特性也不同，大封裝尺寸的要比小封裝尺寸的頻率特性好。
NPO電容器適合用于振蕩器、諧振器的槽路電容，以及高頻電路中的耦合電容。
⑵?Class2
Class2電容通常也是由鈦酸鋇化合物組成。Class2電容有很大的電容容量和溫度穩(wěn)定性。對Class2材料電容的容量隨溫度變化，EIA可以通過3個符號代碼來表述。第一個符號表示工作溫度范圍的下限，第二個符號表示工作溫度的上限，第三個符號表示在這個溫度內允許容量變化的百分比。表1提供了EIA系統(tǒng)詳細的描述。
其中Ⅱ類陶瓷電容器又分為穩(wěn)定級和可用級。X5R、X7R屬于Ⅱ類陶瓷的穩(wěn)定級，而Y5V和Z5U屬于可用級。
所有的Class2電容的電容容量受以下幾個條件影響：溫度變化、操作電壓（直流和交流）、頻率。
表1貼片電容Class2 EIA代碼
| RS198 | 溫度范圍 | Code | 容量改變百分比 | Code | 容量改變百分比 |
| 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：一個電容的容量想要在-30°Cto +85°C時增加減少不超過7.5%。EIA代碼就是Y5F。 | |||||
2.3.2 CBB電容（聚丙烯電容器）?<無極性?>
無感CBB：2層聚丙乙烯塑料和2層金屬箔交替夾雜然后捆綁而成。
有感CBB：2層聚乙烯塑料和2層金屬箔交替夾雜然后捆綁而成。
電容量：1000p--10u，額定電壓：63--2000V
優(yōu)點：高頻特性好，體積較小(代替大部分聚苯或云母電容,用于要求較高的電路)
缺點：不適合做大容量，價格比較高，耐熱性能較差(溫度系數(shù)大)。
2.3.3 獨石電容 <無極性>
獨石電容器完全是MLCC的一個變種,在MLCC上焊接兩根引線,用環(huán)氧樹脂封裝而成,溫度特性好，頻率特性好（一般電容隨著頻率的上升,電容量呈現(xiàn)下降的規(guī)律，獨石電容下降比較少，容量比較穩(wěn)定）。
優(yōu)點：電容量大、體積小、可靠性高、電容量穩(wěn)定、耐高溫、絕緣性好、成本低。
缺點：其他同CBB，有感。
?
2.2.4 瓷片電容?<無極性>
薄瓷片兩面渡金屬膜銀而成。??
優(yōu)點：體積小，穩(wěn)定，絕緣性好，耐壓高，價格低，頻率高（有一種是高頻電容）
缺點：易碎！容量比較小。
?2.2.5 云母電容?<無極性>
云母片上鍍兩層金屬薄膜。
優(yōu)點：介質損耗小，絕緣電阻大、溫度系數(shù)小，適宜用于高頻電路。
缺點：體積大，容量小，造價高（左邊圖是老款的電容，體積大，新款的相比體積小一點）?
?
2.2.6 鋁電容（全稱：鋁電解電容）?<極性>
兩片鋁帶和兩層絕緣膜相互層疊，轉捆后浸泡在電解液（含酸性的合成溶液）中。
優(yōu)點：容量大。
缺點：高頻特性不好。??
2.2.7 鉭電容（全稱：鉭電解電容）?<極性>
用金屬鉭作為正極，在電解質外噴上金屬作為負極。??
優(yōu)點：穩(wěn)定性好，容量大，高頻特性好。??
缺點：造價高（一般用于關鍵地方）。??
三、電容器的標示法
3.1、直標法：
標稱電容器的：標稱容量、額定電壓及允許偏差。
允許偏差：±0.05%、±0.1%、±0.25%、±0.5%、±1%、±2%、±5%、±10%、±20%。
3.2、數(shù)碼法：
數(shù)碼標注法一般為三位數(shù)碼表示電容器的容量，單位pF。其中前兩位數(shù)碼為電容量的有效數(shù)字，第三位為倍乘數(shù)，但第三位倍乘數(shù)是9時表示*
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、色標法：
用不同顏色的帶或點在電容器表面標出標稱電容量和允許偏差，與電阻色標法相同，詳見電阻文檔。
四、常用電容
4.1、封裝尺寸
貼片電容封裝與尺寸與電阻相同，詳見電阻文檔。
電解電容和固態(tài)電容是標準的封裝，但是高度不一定標準，包括很多定制的電容，需根據(jù)產品設計特點進行選擇。
無極電容封裝以RAD標識，有RAD-0.1、RAD-0.2、RAD-0.3、RAD-0.4，后面的數(shù)字表示焊盤中心孔間距，如下圖所示（示例RAD-0.3）
電解電容封裝則以RB標識，常見封裝有：RB.2/.4、RB.3??/.6、RB.4/.8、RB.5/1.0，符號中前面數(shù)字表示焊盤中心孔間距，后面數(shù)字表示外圍尺寸（絲印），單位仍然是英寸，如下圖（RB-.3/.6）
電容的額定電壓是指加在電容上的最大“安全電壓”。但超過了額定電壓不一定會擊穿，一般電容的實際耐壓會超過額定電壓的20%，但使用應預留工作電壓的1.5倍到2倍取耐壓。但是超過了額定電壓是很容易擊穿，發(fā)熱，開裂的。常規(guī)的電容額定電壓如下：
額定電壓：6.3V、10V、16V、25V、32V、50V、63V、100V、160V、250V、400V、450V、500V、630V、1000V、1200V、1500V、1600V、1800V、2000V等。
電容器的額定工作電壓通常是指直流值。如果直流中含有脈動成分，該脈動直流的最大值應不超過額定值；如果工作于交流，此交流電壓的最大值應不超過額定值。并且隨著工作頻率的升高，工作電壓應降低。?
有極性的電容器不能用于交流電路。電解電容器的耐溫性能很差，如果工作電壓超過允許值，介質損耗將增大，很容易導致溫升過高，最終導致?lián)p壞。一般說來，電容器工作時只允許出現(xiàn)較低溫升，否則屬于不正常現(xiàn)象。因此，在設備安裝時，應盡量遠離發(fā)熱元件（如大功率管、變壓器等）。如果工作環(huán)境溫度較高，則應降低工作電壓使用。
電容溫度系數(shù)（是在給定的溫度間隔內，溫度每變化1℃時，電容的變化數(shù)值與該溫度下的標稱電容的比值。電容溫度系數(shù)是電容器陶瓷、微波陶瓷等材料的重要的電性能指標之一。
電容器的溫度系數(shù)越大，其容量隨溫度的變化越大，這在很多電路是不允許的。例如振蕩電路中的振蕩回路元件、移相網(wǎng)絡元件、濾波器等，溫度系數(shù)大，會使電路產生漂移，造成電路工作的不穩(wěn)定。這些場合應選用溫度系數(shù)小的電容器，以確保其能穩(wěn)定工作。
電容器的頻率特性通常是指電容器的電參數(shù)（如電容量、損耗角正切值等）隨電場頻率而變化的性質。在高頻下工作的電容器，由于介電常數(shù)在高頻時比低頻時小，因此電容量將相應地減小。與此同時，它的損耗將隨頻率的升高而增加。此外在高頻工作時，電容器的分布參數(shù)，如極片電阻、引線和極片接觸電阻，極片的自身電感，引線電感等，都將影響電容器的性能，由于這些因素的影響，使得電容器的使用頻率受到限制。?
不同品種的電容器，最高使用頻率范圍不同。小型云母電容器在250MHz以內，圓片型瓷介電容器最高工作頻率為300MHz,?圓管型瓷介電容器最高工作頻率為200MHz,?圓盤型瓷介電容器最高工作頻率為3000MHz。
五、電容器的使用：
5.1、電容的作用
電容的作用有很多，我們只介紹常用的幾種。
①隔直流：作用是阻止直流通過而讓交流通過。
②旁路（去耦）：為交流電路中某些并聯(lián)的組件提供低阻抗通路。
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③耦合：作為兩個電路之間的連接，允許交流信號通過并傳輸?shù)较乱患夒娐?/span>
例如，DS90UB926Q芯片電路中（見下圖）C1與C2，即應該用一個0.1μF電容交流耦合到這個引腳兩個引腳。
④濾波：這個對電路而言很重要，MCU背后電容基本都是這個作用。即在MCU每個電源輸入口出都會擺放這樣一個電容，如下圖所示。
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即頻率f越大，電容的阻抗Z越小。當?shù)皖l時，電容C由于阻抗Z比較大，有用信號可以順利通過；當高頻時，電容C由于阻抗Z已經(jīng)很小了，相當于把高頻噪聲短路到GND上去了。
⑤溫度補償：針對其它組件對溫度的適應性不夠帶來的影響，而進行補償，改善電路的穩(wěn)定性。
分析：由于定時電容的容量決定了行振蕩器的振蕩頻率，所以要求定時電容的容量非常穩(wěn)定，不隨環(huán)境濕度變化而變化，這樣才能使行振蕩器的振蕩頻率穩(wěn)定。因此采用正、負溫度系數(shù)的電容釋聯(lián)，進行溫度互補。
當工作溫度升高時，Cl的容量在增大，而C2的容量在減小，兩只電容并聯(lián)后的總容量為兩只電容容量之和，由于一個容量在增大而另一個在減小，所以總容量基本不變。
同理，在溫度降低時，一個電容的容量在減小而另一個在增大，總的容量基本不變，穩(wěn)定了振蕩頻率，實現(xiàn)溫度補償目的。
⑥計時：電容器與電阻器配合使用，確定電路的時間常數(shù)。
輸入信號由低向高跳變時，經(jīng)過緩沖1后輸入RC電路。電容充電的特性使B點的信號并不會跟隨輸入信號立即跳變，而是有一個逐漸變大的過程。當變大到一定程度時，緩沖2翻轉，在輸出端得到了一個延遲的由低向高的跳變。
⑦調諧：對與頻率相關的電路進行系統(tǒng)調諧，比如手機、收音機、電視機。
⑧整流：在預定的時間開或者關半閉導體開關組件。
⑨儲能：儲存電能，用于必須要的時候釋放。例如相機閃光燈，加熱設備等等。
⑩防止電壓突變：主要用于負載突然增大或電源輸入能力下降時，穩(wěn)定電路，如下圖中C324 C325等電容。
5.2、電解電容的爆裂的原因
電容器爆炸的情況又分鉭電容和電解電容，設計的時候特別注意，所以現(xiàn)在很多設計避免用鉭電容，而電解電容使用也要特別注意。
爆炸的直接原因無非是溫度升高后，導致電容內部的電解液急速汽化膨脹，沖破外殼束縛而爆發(fā)。但造成這一問題的原因可能有以下這些：
1、電壓過高，導致電容擊穿，通過電容的電流在瞬間急速增加；
2、環(huán)境溫度過高，超過電容的允許工作溫度，引起電解液沸騰；
3、電容極性接反，造成與1同樣的結果。
還有其他原因也會導致電容爆裂：
⑴由于制造質量差等原因，電容器的內部元件擊穿。
⑵由于套管密封不良而進入潮氣，降低了絕緣電阻；由于滲、漏油、油面下降，從而導致對外殼放電或元件擊穿。
⑶內部游離和鼓肚。當電容器內部產生電暈、擊穿放電和嚴重游離時，電容器在過電壓作用下，會產生一系列物理、化學、電氣效應，加速絕緣老化、分解而產生氣體，形成惡性循環(huán)，以致箱殼壓力增大，造成箱壁外鼓進而導致爆炸。
⑷絕緣損壞，尤其是高壓側引出線制造工藝不良、邊緣不平、有毛刺或嚴重變折時，尖端容易產生電暈，電暈使油分解、箱殼膨脹、油面下降而造成元件擊穿。此外，在封蓋時如果轉角處燒焊時間過長，破壞了內部絕緣，降低了擊穿電壓，也易導致電容器損壞，進而引起爆炸事故。
⑸當進行帶電合閘時，在合閘的瞬間，電壓極性可能與電容器殘留電荷的極性相反，因而引起爆炸。
⑹通風不良、溫升過高、嚴重過電壓和電壓諧波分量大，也會引起爆炸。
5.2、常用電容的測量
⑴容量在0.01?pF以上固定電容的檢測：
將指針式萬用表調至R×10k歐姆擋，并進行歐姆調零，然后用萬用表的紅、黑表筆分別接觸電容的兩個引腳，觀察萬用表指針的變化。
如果表筆接通瞬間，萬用表有微小變動，然后又回到無窮大處，調換表筆后，再次測量現(xiàn)象相同，則可以判斷該電容正常； 如果表筆接通瞬間，萬用表的指示至“0”附近，則可以判斷該電容被擊穿或嚴重漏電； 如果表筆接通瞬間，萬用表變化后不再回至無窮大處，則可判斷該電容漏電； 如果兩次萬用表均不動，則可以判斷該電容已開路。
⑵容量小于0.01 pF的固定電容的檢測：
檢測10pF以下的小電容時，因電容容量太小，故用萬用表進行測量，只能檢查其是否有漏電、內部短路或擊穿現(xiàn)象：測量時選用萬用表R×10k擋，將兩表筆分別任意接電容的兩個引腳，阻值應為無窮大。如果測出阻值為零，則可以判定該電容漏電損壞或內部擊穿。
5.3、RC電路充放電時間計算
電容稱為“慣性元件”，即電容器兩端的電壓，有一定的“電慣性”，不能突然變化。充放電時間，不光電容的容量有關，還與充/放電電路中的電阻R有關。“1UF電容它的充放電時間是多長？”，不講電阻，就不能回答。以下為RC電路充放電時間計算：
V0 為電容上的初始電壓值；
V1 為電容最終可充到或放到的電壓值；
Vt 為t時刻電容上的電壓值。則，
Vt="V0"+（V1-V0）* [1-exp(-t/RC)]或，t = RC*Ln[(V1-V0)/(V1-Vt)]
例如：求充電到90%VCC的時間。（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約等于2.3
也就是t=2.3RC。
帶入R=10k?? C=10uf得。
t=2.3*10k*10uf=230ms
比如，單片機復位電路。如果復位是高電平復位，加電后電容充電電流逐漸減少，此時經(jīng)電阻接地的單片機IO是沒電壓的，因為電容是隔直流的，直到充電完畢開始放電，放電的過程同樣是電流逐漸減少的，開始放電時電流很大，加到電阻上后提供給IO高電平，一段時間（電容器的充放電參數(shù)：建立時間等）后，電流變弱到0，但是復位引腳已經(jīng)有了超過3us的高電平，所以復位就完成了。
5.4、電容的串并聯(lián)
并聯(lián)電容器組的等效電容比電容器組中任何一個電容器的電容都要大，但各電容器上的電壓卻是相等的，因此電容器組的耐壓能力受到耐壓能力最低的那個電容器的限制。
串聯(lián)電容器組的等效電容比電容器組中任何一個電容器的電容都要小，但由于總電壓分配到各個電容器上，所以電容器組的耐壓能力比每個電容器都提高了。
并聯(lián)電容器組各電容器的兩極板間電壓U相同，電容器組所帶的總電最Q為各個電容器所帶電量之和，即并聯(lián)電容器組的等效電容等于電容器組中各電容之和。
串聯(lián)電容器組各電容器所帶電量相等，就是電容器組的總電量Q、總電壓U等于各電容器電壓之和。串聯(lián)電容器組等效電容的倒數(shù)等于電容器組中各電容倒數(shù)之和。
所以，電容并聯(lián)，容量增加（各容量相加），耐壓以最小的計。
串聯(lián)電容：串聯(lián)個數(shù)越多，電容量越小，但耐壓增大，其容量關系：1/C＝1/C1＋1/C2＋1/C3
并聯(lián)電容：并聯(lián)個數(shù)越多，電容量越大，但耐壓不變，其容量關系：C＝C1＋C2＋C3。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的硬件基础知识（电容）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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