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电子元器件解析之电容(二)——电容分类与应用场

时间:2023-08-06 07:53来源:徐晓康的博客 作者:ictest8_edit 点击:

三. 电容的分类

参考:电容器 | 电子元器件 | 村田制作所 (murata.com)
电容种类繁多,按不同的分类依据可划分成不同的品类。如按封装可分为贴片电容直插电容;按极性分类可分为有极性电容无极性电容;按工作电压分类可分为低压电容、中压电容和高压电容。
下图为Murata的电容产品分类。
 
下图为LC商城中的电容分类。
 
下面我将依据一般的分类方法即按介质材料分类,介绍几种流行的电容器。

3.1 陶瓷电容

参考:[陶瓷电容 - 维基百科,自由的百科全书 (wikipedia.org)] https://zh.wikipedia.org/zh-hans/%E9%99%B6%E7%93%B7%E7%94%B5%E5%AE%B9 。
美国EIA为陶瓷电容制定了相关标准,将其依据电容稳定性和容积效率分类。
· Class 1 陶瓷电容:有温度补偿,电容值准确的电容器。在不同的电压、温度下的稳定性最佳,且其损失最少。但是其容积效率也最低。
· Class 2 陶瓷电容:其容积效率较Class 1电容要好,但其电容准确度及稳定性较差。一般的Class 2电容在−55°C至85°C的温度范围内,电容量误差值会在15%以内。
Class I 电容有三个字的识别码,第一个字表示电容随温度的变动量,以ppm/°C来表示,第二个字是其10的乘幂,第三个字是电容随温度的变动量(以ppm/°C来表示)的最大允许误差,如下图所示。
 
例如:C0G的电容,其容值不会随温度变化,误差在±30 ppm/°C之间;P3K的电容,其容值飘移量为−1500 ppm/°C,最大误差在±250 ppm/°C
Class II 电容同样有三个字的识别码,第一个字对应工作温度的下限,第二个字为数字,对应工作温度的上限,第三个字对应在上述温度范围内的电容值变动,如下图所示。
 
例如,X7R的电容,工作温度-55℃~+125℃,容值变化±15%。
另外,中国的标准中用2X1来表示X7R,所以有的国产品牌(如火炬)它的电容命名就带有2X1,这和X7R是一个意思。
陶瓷电容又可细分为多个子类,其中最流行的是MLCC和瓷片电容,下面分别介绍。

3.1.1  MLCC

 
MLCC,Multilayer Ceramic Capacitor,多层陶瓷电容器,它由多层薄膜状的陶瓷片和金属电极交替叠压而成,通过烧结技术将陶瓷和电极固定在一起,形成一个整体结构。
MLCC具有以下几个特点:
1. 体积小:由于采用多层叠压的结构,因此MLCC的体积相对较小,可以在微型电路板中得到广泛应用。
2. 电容量大:由于采用多层叠压的结构,能够在同样的体积内实现更大的电容量。
3. 电学性能稳定:MLCC的电学性能稳定,容易实现高精度的电容值。
4. 工作频率高:MLCC的工作频率范围广,可以达到数GHz以上。
5.适用温度范围广:MLCC的适用温度范围广,一般可以在-55℃至+125℃的温度范围内正常工作。

由于MLCC具有以上特点,因此在电子产品中得到了广泛应用,如手机、平板电脑、电视机、电脑、汽车电子等领域。

我们经常说的贴片电容大部分时候就是指的MLCC,它和贴片电阻一样,有0201、0402、0603等多种尺寸。它最常使用的介质是C0G、X7R、X5R等。

还有一种不常用的MLCC,是直插型的MLCC,也叫直插独石电容,简称独石电容。它瓷片电容长的很像,但独石电容一般是方形的,而瓷片电容是片状圆型的,独石电容和贴片MLCC的性质几乎没有区别,最大的不同就是安装方式,然后直插式的因为引脚会更长,高频特性会更差些。

3.1.2 瓷片电容

参考:百度百科——瓷片电容
 
瓷片电容,Ceramic Capacitor,它和MLCC的主要区别是MLCC是多层陶瓷电容,瓷片电容是单层的,结构不一样。它的特点包括:
1. 高稳定性:损耗较小,能够在广泛的温度范围内提供可靠的电容值。
2. 高耐压:瓷片电容可以承受较高的电压,通常可以达到数百伏特的电压级别。
3. 小型化:由于瓷片电容的结构简单,可以制造非常小型化的组件。
4. 电容量小:一般高耐压的瓷片电容容量都在100nF以内,低耐压的容量会大一些,但一般也不会超过10uF

瓷片电容通常应用于需要高耐压,高频的滤波电路中。

3.2 电解电容

电解电容,Electrolytic Capacitor,一种极性电容,具有以下特点:
1. 容量大:最突出的特点,容量一般在几微法到数千微法之间。
2. 电压等级高:电解电容具有较高的电压等级,一般在10V到数百V之间。
3. ESR较大:电解电容的ESR比较大,会影响电路的性能,通常和低ESR的陶瓷电容并联使用。
电解电容可大致分为以下几类。

3.2.1 铝电解电容

 
铝电解电容,Aluminum electrolytic capacitor,正极为铝箔,介质为电解液,负极为碳、铅、银等材料。铝电解电容除了包含上述电解电容的所有特点外,它最重要的特点是大容量且价格便宜,所以,铝电解电容应用是最广泛的。

3.2.2 固态电容

 
固态电容,Solid capacitor,全称为固态电解电容,它和铝电解电容最大的区别是介质并非液态而是固态,介质为高分子聚合物,相对铝电解电容来说,固态电容有以下优势:
1. 安全性更好,不会爆浆。
2. ESR更低,高频特性更好,也更耐受纹波电流。
3. 温度稳定性更好,容量随温度变化较小。
4. 使用寿命更长,不存在高温电解液蒸发的问题。
5. 体积较小,通常在同容量,同耐压下,固态电容比铝电解电容体积更小,但小的不多。
固态电容的最大缺点是价格贵。另外一个缺点是固态电容的耐电压能力较弱,一般耐电压都在250VDC以下,所以高压直流场合,还是要使用铝电解电容,而低压场合,固态电容显然更有优势。

3.2.3 钽电容

参考:百度百科——钽电容
 
钽电容,Tantalum capacitor,全称钽电解电容,是一种使用钽金属作为电极材料的电容器,其组成包括钽金属电极、氧化钽薄膜电介质和导电聚合物等材料。钽电容的优点是:
1. 钽电容器的电容密度很高,通常可以达到几百微法/立方毫米,因此可以实现比其他电容器更小尺寸的电容器。
2. 电容值稳定:钽金属电极与氧化钽薄膜电介质之间的结构稳定性高,因此钽电容器的电容值稳定,不容易受到温度、电压、频率等因素的影响。
3. 低漏电流:钽电容器的漏电流很小,通常可以达到几十微安以下,因此可以在一些高精度的应用中使用。
4. 长使用寿命:由于钽电容器稳定性好、漏电流小,因此可以具有较长的使用寿命,一般可以达到数十年以上。

缺点是:
1. 安全性低,当钽电容受到过电压或过电流冲击时,容易烧毁,甚至出现爆炸,这一缺点严重限制了钽电容的应用。
2. 价格较高
3. 耐电压能力弱,一般耐电压水平在150V以下
钽电容通常用在安全性要求不那么高,但对体积要求严格的场合。

3.3 薄膜电容

参考:1.薄膜电容器的基础知识 | 汽车用高耐热薄膜电容器 | 村田制作所 (murata.com);2. 厦门法拉,薄膜电容综述
 
薄膜电容,film capacitor,薄膜电容器是以金属箔当电极,以聚丙烯(PP)、聚酯(PET),聚乙烯脂肪酸酯(PEN)、聚苯烯硫醚(PPS)等为介质制成。
薄膜电容因介质不同特点也不相同,这里列出薄膜电容相对其它类型电容的一些共性优点:
1. 容值稳定:薄膜电容器的稳定性比较好,其电容值随时间、电压和温度变化较小,可以满足电路对电容值稳定性的要求。
2. 频率特性好:薄膜电容器的频率特性比较好,其在高频电路中表现出更好的性能。
3. ESR小:薄膜电容器的ESR比较小,损耗小。
4. 绝缘性能好:薄膜电容器的绝缘性能较好,可以承受较高的工作电压。
5. 无极性:无极性使得薄膜电容可以应用在交流电路中。
6. 耐压高:薄膜电容的耐压可以做到几百V和几千V。
薄膜电容的缺点:
1. 容量不大,一般最大容量在100uF以下。
2. 体积大,相对于MLCC,电解电容,薄膜电容在同容量下体积一般是最大的。
基于薄膜电容的特点,它通常被应用于需要高可靠性、高频滤波。交流滤波、电压水平较高的场景下。

3.4 特殊场合的电容器

3.4.1  安规电容

参考:IEC 60384-14-2016 电子设备用固定电容器 第14部分:分规范 抑制电源电磁干扰用固定电容器
 
安规电容,safety capacitor,是指电容器失效后,不会导致电击,不危及人身安全。之所以叫安规电容,是因为这些电容通过了国际安全认证标准,如下图所示。
 
安规电容适用于工作电压不超过 1000VAC,频率不超过 100Hz 的电子电气设备中。安规电容包括了X电容和Y电容。
X电容是跨接在火线和零线(L-N)之间的电容,一般都是金属薄膜电容,容量在uF级,用于抑制差模干扰。按耐压等级分,X电容可分别X1、X2两类(X3在IEC 60384-14-2013标准以后就淘汰了)。
X电容类型 额定电压 峰值脉冲电压 应用
X1 440VAC >2.5kV,≤4kV 高脉冲应用
X2 275VAC(VDE,ENEC,KC); 300VAC(UL&CUL) ≤2.5kV 一般应用
Y电容是跨接在火线-地线和零线-地线(L-E,N-E)间的电容,一般都是高压瓷片电容且成对出现。基于安全漏电流的限制,Y电容值不能太大,容量在pF级或几nF级,用于抑制共模干扰。按耐压等级分,Y电容可分为Y1、Y2、Y4三类(Y3在IEC 60384-14-2013标准以后就淘汰了)。
Y电容类型 额定电压 峰值脉冲电压 绝缘等级
Y1 ≤500VAC 8kV 双重绝缘或加强绝缘
Y2 ≥150VAC,≤500VAC 5kV 基本绝缘或附加绝缘
Y4 <150VAC 2.5kV 基本绝缘或附加绝缘

3.4.2  穿心电容

 
穿心电容,lead-through capacitor,是一种三端电容,但与普通的三端电容相比,由于它直接安装在金属面板上,因此它的接地电感更小,几乎没有引线电感的影响,另外,它的输入输出端被金属板隔离,消除了高频耦合,这两个特点决定了穿心电容具有接近理想电容的滤波效果,是EMI抑制的利器。

3.4.3 超级电容

 
超级电容,Super capacitor,是一种高能量密度的电容器。它是一种新型的电化学元件,具有介于传统电容器和电池之间的特性,能够在短时间内存储大量的电荷,能够快速充放电,具有长寿命、高可靠性、高效率等优点。

超级电容的电极材料常使用的是活性炭、金属氧化物等,电解质采用的是有机电解质或者离子液体等。超级电容的容量通常比普通电容器大几个数量级,能够存储的电荷量非常大,但是其最大的局限性是电压较低,一般在2.5V以下。因此,在实际应用中,超级电容常常与锂电池等其他存储设备配合使用,以满足高能量密度和长时间供电的需求。

超级电容应用于电子设备和系统中,具有广泛的应用前景,如储能系统、智能电网、电动汽车等。

3.5 其它类型的电容

还有一些小众应用会用到其它类型的电容,像可调电容、氧化铌电容、纸介质电容、硅电容等,应用面较窄,本人也未用过,故不再介绍。
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