電容的類型和使用時(shí)注意事項(xiàng)

電容可以說是硬件工程師最熟悉的元件了，每塊兒電路板基本都會(huì)用到一些。電容的原理非常簡(jiǎn)單，而且價(jià)格便宜，在成本中所占比例很小，所以常常被忽視。然而，如何正確地選擇和使用電容，卻是十分重要的，稍不注意，就會(huì)帶來意想不到的大問題。就像我們之前的一篇文章看到的，在家用的照明電路中，因?yàn)橐粋€(gè)電解電容太靠近發(fā)熱元件而很快失效，導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品故障。如果我們留心觀察，這種案例還是挺多的。在此我們從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，介紹一下電容的類型，以及在產(chǎn)品中使用時(shí)要注意哪些問題。

實(shí)際產(chǎn)品中電容失效導(dǎo)致產(chǎn)品故障

選電容式要考慮的因素：

容量，精度，體積和成本

根據(jù)需要選取相應(yīng)等級(jí)的電容

?F級(jí)電容：精度在±1%以內(nèi)

?G級(jí)電容：精度在±2%以內(nèi)

?H級(jí)電容：精度在±3%以內(nèi)

?J級(jí)電容：精度在±5%以內(nèi)

?K級(jí)電容：精度在±10%以內(nèi)

?M級(jí)電容：精度在±20%以內(nèi)

實(shí)際電容量并非總是標(biāo)稱值，會(huì)隨著施加的電壓不同，溫度的變化而有所變化。隨時(shí)間老化，電容值也會(huì)變小。

工作電壓 (Rated Voltage)

指持續(xù)施加的電壓。除工作電壓外，有的手冊(cè)還會(huì)標(biāo)出耐壓值，就是在一個(gè)持續(xù)時(shí)間比較短的脈沖電壓下，也不會(huì)導(dǎo)致電容的損壞。比如電容工作電壓是10V，一個(gè)持續(xù)幾秒的20V電壓可能也不會(huì)導(dǎo)致電容損壞。

工作溫度，存儲(chǔ)溫度

要考慮容量在全溫度范圍內(nèi)的變化量。

不同的組織有不同的分類方法，一般可以通過以下標(biāo)識(shí)分辨電容的溫度特性好壞：

C0G(NP0) 溫度特性非常好，電容量基本不隨溫度變化。

X7R，工作溫度-55℃~125℃，±15%精度。

X5R，工作溫度-55℃~85℃，±15%精度。

Y5V，工作溫度-30℃~85℃，-82%+22%精度。

Z5U，工作溫度+10℃~85℃，-56%+22%精度。

等效串聯(lián)電阻ESR

理想電容不會(huì)損耗能量，但電容的絕緣介質(zhì)是有損耗的，電極電阻也不可能是0，所以像串聯(lián)了一個(gè)小電阻。這個(gè)等效串聯(lián)電阻是毫歐級(jí)別，隨工作頻率會(huì)有波動(dòng)。

漏電流Leakage Current

理想電容兩極間不應(yīng)有電流流過，但實(shí)際電容電極之間的介質(zhì),并非是絕對(duì)絕緣的。漏電流跟電容的類型，工作電壓關(guān)系較大，一般耐壓越高的電容，漏電流越大。電容漏電流在微安到幾個(gè)毫安級(jí)別。

品質(zhì)因數(shù)

作為儲(chǔ)能元件，我們希望電容儲(chǔ)存電量的能力大，本身損耗電量小。品質(zhì)因數(shù)Q值，為這兩者的比值，高頻電路中我們尤其希望選用高Q值的電容。

工作壽命

電容值會(huì)隨著使用時(shí)間變小。超范圍的工作電壓，溫度，震動(dòng)等會(huì)影響電容壽命，甚至失效。

電容的分類

MLCC電容(Multi-Layer Ceramic Capacitors)

屬于陶瓷電容的一種。通常采用鎳、鈀-銀合金、鈀等高熔點(diǎn)金屬作電極，陶瓷作介質(zhì)，多層疊加以獲得大容量。MLCC以其小體積低成本，占據(jù)了大部分電容市場(chǎng)。MLCC電容的容量和耐壓，相對(duì)來說低一些。

(圖片來源Murata官網(wǎng))

鋁電解電容

陽極為鋁，中間是氧化鋁膜作為介質(zhì)，陰極是液體或固體。

最常見的是電解液型，需要密封起來，特點(diǎn)是容量大，耐壓高。現(xiàn)在采用固態(tài)聚合物作電解質(zhì)的電容成本不斷下降，采用的也越來越多。因?yàn)榇笕萘康统杀?，?a target="_blank">電氣設(shè)備中大量使用。

鉭電容

鉭電容也是電解電容，它使用金屬鉭作陽極，聚合物作為陰極。同樣容量，鉭電容比鋁電解體積小很多。鉭電容溫度特性很好，可以在極端溫度下工作，而且有自修復(fù)特性，壽命長(zhǎng)，所以在軍工航天領(lǐng)域應(yīng)用較多。缺點(diǎn)就是容量做不大，耐壓耐電流差一些，價(jià)格也較貴。

薄膜電容

在兩個(gè)電極之間，加入一層薄膜(如聚酯薄膜，聚丙烯薄膜)，特點(diǎn)是耐壓高(幾百至上千伏)，大容量，但體積很難做小，一般用在強(qiáng)電電路中。

其他電容

按介質(zhì)或使用用途，還有紙介電容，云母電容，玻璃釉電容，鈮電解電容，安規(guī)電容，法拉電容等，我們?cè)诖司筒灰灰唤榻B。

使用電容注意事項(xiàng)

不能把電容當(dāng)作理想元件

現(xiàn)實(shí)中的電容由于引線，介質(zhì)的非理想性，在一個(gè)電容器件中存在電感特性，電阻特性，而且有一定損耗。對(duì)于一個(gè)特定的電容，當(dāng)頻率低于某個(gè)值時(shí)元件呈容性，當(dāng)頻率高于此頻率時(shí)原件呈感性。這個(gè)頻率為此電容的自諧振頻率。

當(dāng)我們用一個(gè)0.1uF 和一個(gè)0.01uF 的電容并聯(lián)時(shí)，可以拓寬了濾波頻率范圍。

(此圖片使用Simsurfing 工具生成)

溫度沖擊和機(jī)械沖擊

要考慮所選電容是否能經(jīng)受溫度驟變，劇烈震動(dòng)。電解電容，特別是使用電解液的電容，擺放應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。電容封裝越大，越容易因機(jī)械應(yīng)力而失效，擺放位置應(yīng)考慮避免應(yīng)力損傷。

選取適當(dāng)工作電壓

電解電容一般有正負(fù)極，不要接反了。當(dāng)然無極性電解電容不分極性。工作電壓應(yīng)留有一定裕量，但對(duì)于電解電容，如果工作電壓遠(yuǎn)小于額定電壓，也容易導(dǎo)致電容老化，縮短壽命。

多個(gè)小電容并聯(lián)替代大電容

用多個(gè)小電容并聯(lián)，可以得到等效大容量，同時(shí)ESR將大為降低，可以降低成本。

漏電流

在低功耗等應(yīng)用中，應(yīng)選取漏電流小的電容。

嘯叫

有的電容介質(zhì)具有壓電效應(yīng)，在工作時(shí)與電路板共振可能產(chǎn)生嘯叫。靜音設(shè)備應(yīng)該避免。

最后，也最重要的是：像其它元件一樣，完全相信手冊(cè)，不如沒有手冊(cè)。手冊(cè)指標(biāo)相同的兩種電容，在實(shí)際使用中可能是天差地別！