基础知识：了解电容器类型的特性，以便正确安全地使用它们

电容器是能量存储设备，对模拟和数字电子电路都至关重要。它们用于定时，用于波形创建和整形，阻断直流电，交流电信号耦合，滤波和平滑，当然还有能量存储。由于用途广泛，出现了大量使用各种板材，绝缘电介质和物理形式的电容器类型。这些电容器类型中的每一种都适用于特定的应用范围。选项种类繁多，这意味着在性能特征、可靠性、使用寿命、稳定性和成本方面，可能需要对它们进行分类，以便为设计找到最佳选择。

需要了解每种电容器类型的特性，以便将电容器与预期的电路应用正确匹配。这些知识必须涵盖电容器的电气、物理和经济特性。

本文将介绍各种类型的电容器、其特性以及选择电容器的关键标准。村田电子、KEMET、康奈尔杜比利尔电子、松下电子株式会社和AVX株式会社的示例将用于说明关键差异和属性。

什么是电容器？

电容器是一种在内部电场中存储能量的电子设备。它是一种基本的无源电子元件，与电阻器和电感器一起。所有电容器都由相同的基本结构组成，两个导电板由绝缘体（称为电介质）隔开，可以通过施加电场进行极化（图1）。电容与板面积A成正比，与板间距离d成反比。

图 1：基本电容器由两个导电板组成，由一个非导电电介质隔开，该电介质在两个板之间的电场中作为极化区域存储能量。（图片来源：Digi-Key Electronics）

第一个电容器是1745年开发的Leyden罐。它由一个玻璃罐组成，内表面和外表面衬有金属箔，最初用于储存静电电荷。本杰明·富兰克林用一个来证明闪电是电，这成为最早的记录应用之一。

基本并联板电容器的电容可以使用公式1计算：

等式 1

哪里：

C是法拉的电容

A是以平方米为单位的板材面积

d 是板之间的距离（以米为单位）

ε介电材料的介电常数

ε等于电介质的相对介电常数，εr乘以真空的介电常数，ε0.相对介电常数，εr,通常被称为介电常数k。

基于公式1，电容与介电常数和板面积成正比，与板之间的距离成反比。为了增加电容，可以增加板的面积，并且可以减小板之间的距离。由于真空的相对介电常数为1，并且所有电介质的相对介电常数都大于1，因此插入电介质也会增加电容器的电容。电容器通常由所使用的电介质材料的类型来表示（表1）。

表1：按电介质材料分类的常见电容器类型的特性。（表来源：Digi-Key Electronics）

列条目上的一些注释：

电容器的相对介电常数或介电常数会影响给定板面积和介电厚度下可实现的电容最大值。

介电强度是电介质对电压击穿的抵抗力的额定值，作为其厚度的函数。

可实现的最小电介质厚度会影响可实现的最大电容以及电容器的击穿电压。

电容器结构

电容器提供多种物理安装配置，包括轴向、径向和表面贴装（图 2）。

图 2：电容器安装或配置类型包括轴向、径向和表面安装。表面贴装在此时应用非常广泛。（图片来源：Digi-Key Electronics）

轴向结构基于金属箔和电介质的交替层，或两侧金属化的电介质轧成圆柱形。可通过插入的插片或圆形导电端盖连接到导电板。

径向型通常由交替的金属层和介电层组成。金属层在两端桥接。径向和轴向配置用于通孔安装。

表面贴装电容器还依赖于交替的导电层和介电层。两端的金属层由焊帽桥接，用于表面安装。

电容器电路模型

电容器的电路模型包括所有三个无源电路元件（图 3）。

图 3：电容器的电路模型由电容式、感性和电阻式元件组成。（图片来源：Digi-Key Electronics）

电容器的电路模型由一个串联电阻元件组成，该电阻元件表示导电元件的欧姆电阻以及介电电阻。这称为等效或有效串联电阻（ESR）。

当交流信号施加到电容器上时，就会产生介电效应。交流电压导致电介质的极化在每个周期发生变化，从而导致内部发热。电介质加热是材料的函数，作为电介质的耗散因数进行测量。耗散因数（DF）是电容电容和ESR的函数，可以使用公式2计算：

等式 2

哪里：

XC是以欧姆为单位的容抗（Ω）

ESR 是等效的串联电阻（以Ω为单位）

由于容抗项，耗散因数与频率有关，并且是无量纲的，通常以百分比表示。较低的耗散因数可减少加热，从而降低损耗。

有一种串联电感元件，称为有效或等效串联电感（ESL）。这表示引线和导电路径电感。串联电感和电容产生串联谐振。在串联谐振频率以下，器件主要表现出容性行为，高于串联谐振频率时，器件的电感性更强。在许多高频应用中，这种串联电感可能会出现问题。供应商通过使用径向和表面贴装元件配置中所示的分层结构，将电感降至最低。

并联电阻表示电介质的绝缘电阻。各种型号组件的值取决于电容器配置和为其结构选择的材料。

陶瓷电容器

这些电容器使用陶瓷电介质。陶瓷电容器有两类，1类和2类。1类基于对电陶瓷，如二氧化钛。这类陶瓷电容器具有高稳定性、良好的电容温度系数和低损耗。由于其固有的精度，它们用于振荡器、滤波器和其他RF应用。

2类陶瓷电容器使用基于铁电材料（如钛酸钡）的陶瓷电介质。由于这些材料的介电常数较高，因此2类陶瓷电容器每单位体积的电容更高，但精度和稳定性低于1类电容器。它们用于旁路和耦合应用，在这些应用中，电容的绝对值并不重要。

村田制作所的GCM1885C2A101JA16就是陶瓷电容器的一个例子（图4）。1 类 100 皮法拉 （pF） 电容器具有 5% 的容差，额定电压为 100 伏，并采用表面贴装配置。该电容器适用于汽车应用，额定温度为 -55° 至 +125° C。

图 4：GCM1885C2A101JA16 是一款 1 类 100 pF 陶瓷表面贴装电容器，容差为 5%，额定电压为 100 V。（图片来源：村田电子）

薄膜电容器

薄膜电容器使用薄塑料薄膜作为电介质。导电板既可以作为箔层实现，也可以作为两层薄金属化层来实现，每层在塑料薄膜的两侧。用于电介质的塑料决定了电容器的特性。薄膜电容器有多种形式：

聚丙烯 （ PP）：它们具有特别好的公差和稳定性，具有低ESR和ESL以及高电压击穿额定值。由于电介质的温度限制，它们仅作为引线器件提供。PP电容器适用于遇到高功率或高电压的电路，如开关模式电源、镇流器电路、高频放电电路，以及音频系统，在这些系统中，它们的低ESR和ESL因信号完整性而受到重视。

聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）：也称为聚酯或聚酯薄膜电容器，由于其介电常数较高，这些电容器是薄膜电容器中体积效率最高的电容器。它们通常用作径向引线器件。它们用于通用电容应用。

聚苯硫醚：这些电容器仅作为金属化薄膜器件制造。它们具有特别好的温度稳定性，因此适用于需要良好频率稳定性的电路。

PPS薄膜电容器的一个例子是松下电子公司的ECH-U1H101JX5。100 pF 器件的容差为 5%，额定电压为 50 V，采用表面贴装配置。它的工作温度范围为 -55° 至 125°C，适用于一般电子应用。

聚萘二甲酸乙二醇酯（ PEN）：与 PPS 电容器一样，这些电容器仅采用金属化薄膜设计。它们具有耐高温性，并提供表面贴装配置。应用主要针对那些需要高温和高压性能的应用。

聚四氟乙烯（PTFE）或特氟龙电容器以其高温和高耐压性而闻名。它们以金属化和箔结构制造。PTFE电容器主要用于需要暴露在高温下的应用。

电解电容器

电解电容器以其高电容值和高容积效率而著称。这是通过使用液体电解质作为其板之一来实现的。铝电解电容器包括四个独立的层：铝箔阴极;电解质浸泡纸分离器;经过化学处理以形成非常薄的氧化铝层的铝阳极;最后，另一个纸张分离器。然后将该组合卷起并放置在密封的金属罐中。

电解电容器是极化的直流（DC）器件，这意味着施加的电压必须施加到指定的正负端子上。未能正确连接电解电容器可能会导致爆炸性故障，尽管外壳具有泄压膜片来管理反应并最大限度地减少损坏的可能性。

电解电容器的主要优点是电容值高，体积小，成本相对较低。电容值具有宽容差范围和相对较高的漏电流。电解电容器最常见的应用是线性和开关电源中的滤波电容器（图 5）。

图5：电解电容器的例子;所有电容均为10微法（μF）。（图片来源：Kemet 和 AVX Corp.）

参考图 5 并从左向右移动，Kemet 的 ESK106M063AC3FA 是一个 10 μF、20% 63 伏径向引线铝电解电容器。它可以在高达85°C的温度下工作，使用寿命为2，000小时。它适用于通用电解应用，包括滤波、去耦和旁路操作。

铝电解电容器的替代品是铝聚合物电容器，它用固体聚合物电解质代替液体电解质。聚合物铝电容器具有比铝电解电容器更低的ESR和更长的使用寿命。与所有电解电容器一样，它们也是极化的，并作为滤波器和去耦电容器在电源中得到应用。

Kemet A758BG106M1EDAE070 是一款 10 μF、25 伏径向引线铝聚合物电容器，在很宽的温度范围内具有更长的使用寿命和更高的稳定性。它适用于工业和商业应用，如手机充电器和医疗电子产品。

钽电容器是电解电容器的另一种形式。在这种情况下，在钽箔上化学形成一层氧化钽。它们的体积效率优于铝电解，但最大电压水平通常较低。与铝电解电容器相比，钽电容器具有更低的ESR和更高的耐温性，这意味着它们可以更好地承受焊接过程。

Kemet T350E106K016AT是一款10 μF、10%、16伏径向引线钽电容。它具有小尺寸、低泄漏和低耗散因数等优点，适用于滤波、旁路、交流耦合和定时应用。

最后一种电解电容器类型是氧化铌电解电容器。铌电解电容器是在钽短缺期间开发的，用铌和五氧化二铌代替钽作为电解质。由于其较高的介电常数，它的每单位电容提供更小的封装尺寸。

氧化铌电解剂的一个例子是AVX公司的NOJB106M010RWJ。这是一个10 μF、20%、10伏电容，采用表面贴装配置。与钽电解液一样，它用于滤波、旁路和交流耦合应用。

云母电容器

云母电容器（主要是银云母）的特点是电容容差小（±1%），电容温度系数低（通常为50 ppm/°C），耗散因数极低，并且随着施加电压的变化，电容变化很小。严格的公差和高稳定性使它们适用于RF电路。云母电介质的两面都镀银以提供导电表面。云母是一种稳定的矿物质，不会与最常见的电子污染物相互作用。

康奈尔杜比利尔电子公司的 MC12FD101J-F 是一款 100 pF、5%、500 伏云母电容器，采用表面贴装配置（图 6）。它用于射频应用，如MRI、移动无线电、功率放大器和振荡器。它们的工作温度范围为 -55° 至 125°C。

图 6：康奈尔杜比利尔电子 MC12FD101J-F 是一款用于射频应用的表面贴装云母电容器。（图片来源：Cornell Dubilier Electronics）

结论

电容器是电子设计中必不可少的元件。多年来，已经开发了具有各种特性的各种器件类型，使一些电容器技术特别适合特定应用。对于设计人员来说，获得各种类型，配置和规格的良好工作知识是值得的，以确保为给定应用做出最佳选择。

审核编辑 黄昊宇