电子电路学习笔记——电容

Posted 2023-03-08 Leung_ManWah

一、基础知识

1.1 电容的概念

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。

1.2 电容的单位

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。 表示电容能存储电荷量的大小。

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。

1.3 电容的符号

①：固定电容（没有极性）。
②-⑥：都是有极性的电容。钽（tan，三声）电容，常用图②，铝电容（上述实物图的贴片电容中的圆柱电容）和一些美国的电容常用图③-④，国标的电解电容（上述实物图的电解电容）常用图⑤-⑥。
⑦：半可变电容。
⑧：全可变电容。

二、电容的分类

2.1 有极性电容

有极性电容的正负不能接反，接反电容很容易爆炸。

2.1.1 液态电解电容

液态电解电容具有容值高、电压高、尺寸大、高频性能差、使用寿命一般、有正负极之分的特点。通常用于电源稳压上。 譬如我们常用的铝电容，全称是铝电解电容是一种有极性电容。在电源附近经常看到它作为储能作用。

电容容量判断方法：

1. 直标法：上图，容量68微法，耐压值400V。
2. 数字表示法：方法同电阻，单位皮法。
3. 字母表示法：如3n3，就是3.3nf；4u7，就是4.7uf；100n，就是100nf。

铝电容极性判断方法：

1. 有标志的是负极。
2. 腿长的是正极。

2.1.2 固态电解电容

钽电容也属于电解电容的一种，使用金属钽替代了电解液，属于固态电解电容的一种。具有容值高、电压低、尺寸小、高温特性好、使用寿命长、有正负极之分的特点。通常用于低电压紧凑型设备的电源滤波和音频滤波。 例如手机里面就会用到一些钽电容，电脑上也有不少。

钽电容极性判断方法：

有标志的是正极。

2.2 无极性电容

2.2.1 陶瓷电容

陶瓷电容（也被称为瓷片电容）具有容值小、电压高、尺寸小、高频性能好、不区分正负极的特点。陶瓷电容通常用于去耦、滤波等场景。

三、电容的参数

3.1 容值

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。

3.2 精度

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。

3.3 尺寸

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。

3.4 封装和功率

功率和散热都与封装有关。功率选大了，成本会高，造成浪费；功率选小了，电阻发热会很严重。功率在0.125w之下的一般选0805封装(贴片电容)。

四、电容的检测

好坏判断：

万用表拨到蜂鸣档，分别接触被测电容的2端引脚，若听到一声响，说明是好的，反之是坏的。（长时间触碰也是一声响，只是分别触碰响声的持续时间不同罢了）

容量检测：

1. 万用表拨到电容档，将电容插入检测孔，可看到测量值和标称值大致相等。认为正常。
2. 测量不区分极性，但是焊到电路板上要区分，弄错了容易导致电容爆炸。

五、硬件设计时需要考虑的因素

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。

5.1 电容器的串联与并联

1. 电容器串联后，总容量减小，耐压值增加。这里注意：串联要将一个电容器的头接上一个电容器的尾。
2. 电容器并联后，总容量增加，耐压值不变。

5.2 电容的使用经验

（1）在电源和负载之间一定要有一个电容用来储能滤波。

（2）如果负载的电流在150mA以下，这个储能电容一般选择220uF或330uF或是更大的。

（3）实际选取的电容一般会比计算得到的大10~50倍，譬如计算得到的是68uF，实际可能会使用680uF。 因为电解电容的误差比较大，所以一般会选择比较大的。

（4）在电源附近的电容有储能的作用，还有滤波的作用，但是储能用的电容的容值一般比较大，所以一般它只能虑除低频波；因此在储能电容的附近还会加一个容值非常小的电容，用来虑除高频波。储能电容一般使用电解电容，而虑高频的电容一般是小的瓷片电容，一般选用104电容。

（5）在1uF以上的电容一般选用电解电容，因为电解电容的容量比较大，虽然精度不高，大容量的话只能选择电解电容；小容量的一般选择瓷片电容 （一般是贴片式的也有插件式的，这两种封装在功能上没有任何的区别，仅仅在画PCB的时候需要考虑，譬如如果这个板子对高度有要求，就可以选择贴片的），瓷片电容的特点：容量小但精度高；瓷片电容和电解电容一般在电源部分配合使用。瓷片电容没有极性，电解电容有极性，有加号的一端一定要接正极，反接会使电源短路，电容会爆炸，瓷片电容一般用来滤高频波。

（6）瓷片电容的容值一般是：几皮法到几百纳法之间，譬如：33皮法、68皮法、47皮法、100皮法、200皮法、220皮法、 470皮法、860皮法、1000皮法=1纳法（102电容）、2.2纳法、4.7纳法、10纳法（103电容）、100纳法（104）等等。当电源来了一个很高的电压脉冲（高的dv/dt，也就是电压的变化率很大，高的dv/dt会对后面的电路造成很大的电磁干扰）之后，就可以经过瓷片电容，从而不会对后面的电路造成影响。浪涌电流：高的di/dt；尖峰电压：高的dv/dt。一般选择104电容来滤除高频。

（8）电容的容抗=1/(2πfC)：f指的是电源的频率，C指的是电容的容值；频率越大，容抗越小。

（9）带宽：任何一个电路都是工作在一定的频率范围之内的，这个频率范围就叫做这个电路的带宽。大于或是小于这个带宽电路都可能不会正常工作。电路中肯定是有很多电容的，根据电容容抗的计算公式可以看出，频率过高或过低都会使电容工作不同的特性，也就是电路板是不稳定的，从这个角度也需要有这个带宽的存在。

（10）电压：选耐压值多大的电容，耐压值一般选取电容两端电压的1.5倍（取一些余量，可以增长电容的使用寿命），譬如电容正极的电压是50v，那可以选择耐压值为75v的电容。

七、电容的作用

• 旁路
• 去藕
• 滤波
• 储能

电源稳压、去耦、滤波、去干扰、射频调谐、最后才是储能

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• 由 Leung 写于 2021 年 8 月 25 日

• 参考：【专题5: 硬件设计】 之 【2.电容】
　　　　电子电路基础 （5）——电容的认识
　　　　硬件基础知识（9）—电容容量、尺寸及作用