深入探讨电容的种类和作用


电容器

电子制作中需要用到各种各样的电容器,它们在电路中分别起着不同的作用。与电阻器相似,通常简称其为电容,用字母C表示。顾名思义,电容器就是"储存电荷的容器"。尽管电容器品种繁多,但它们的基本结构和原理是相同的。两片相距很近的金属中间被某物质(固体、气体或液体)所隔开,就构成了电容器。两片金属称为的极板,中间的物质叫做介质。电容器也分为容量固定的与容量可变的。但常见的是固定容量的电容,最多见的是电解电容和瓷片电容。 ? ?
不同的电容器储存电荷的能力也不相同。规定把电容器外加1伏特直流电压时所储存的电荷量称为该电容器的电容量。电容的基本单位为法拉(F)。但实际上,法拉是一个很不常用的单位,因为电容器的容量往往比1法拉小得多,常用微法(μF)、纳法(nF)、皮法(pF)(皮法又称微微法)等,它们的关系是:1法拉(F)= 1000000微法(μF) 1微法(μF)= 1000纳法(nF)= 1000000皮法(pF)
在电子线路中,电容用来通过交流而阻隔直流,也用来存储和释放电荷以充当滤波器,平滑输出脉动信号。小容量的电容,通常在高频电路中使用,如收音机、发射机和振荡器中。大容量的电容往往是作滤波和存储电荷用。而且还有一个特点,一般1μF以上的电容均为电解电容,而1μF以下的电容多为瓷片电容,当然也有其他的,比如独石电容、涤纶电容、小容量的云母电容等。电解电容有个铝壳,里面充满了电解质,并引出两个电极,作为正(+)、负(-)极,与其它电容器不同,它们在电路中的极性不能接错,而其他电容则没有极性。
把电容器的两个电极分别接在电源的正、负极上,过一会儿即使把电源断开,两个引脚间仍然会有残留电压(学了以后的教程,可以用万用表观察),我们说电容器储存了电荷。电容器极板间建立起电压,积蓄起电能,这个过程称为电容器的充电。充好电的电容器两端有一定的电压。电容器储存的电荷向电路释放的过程,称为电容器的放电。
举一个现实生活中的例子,我们看到市售的整流电源在拔下插头后,上面的发光二极管还会继续亮一会儿,然后逐渐熄灭,就是因为里面的电容事先存储了电能,然后释放。当然这个电容原本是用作滤波的。至于电容滤波,不知你有没有用整流电源听随身听的经历,一般低质的电源由于厂家出于节约成本考虑使用了较小容量的滤波电容,造成耳机中有嗡嗡声。这时可以在电源两端并接上一个较大容量的电解电容(1000μF,注意正极接正极),一般可以改善效果。发烧友制作HiFi音响,都要用至少1万微法以上的电容器来滤波,滤波电容越大,输出的电压波形越接近直流,而且大电容的储能作用,使得突发的大信号到来时,电路有足够的能量转换为强劲有力的音频输出。这时,大电容的作用有点像水库,使得原来汹涌的水流平滑地输出,并可以保证下游大量用水时的供应。
电子电路中,只有在电容器充电过程中,才有电流流过,充电过程结束后,电容器是不能通过直流电的,在电路中起着"隔直流"的作用。电路中,电容器常被用作耦合、旁路、滤波等,都是利用它"通交流,隔直流"的特性。那么交流电为什么能够通过电容器呢?我们先来看看交流电的特点。交流电不仅方向往复交变,它的大小也在按规律变化。电容器接在交流电源上,电容器连续地充电、放电,电路中就会流过与交流电变化规律一致的充电电流和放电电流。
电容器的选用涉及到很多问题。首先是耐压的问题。加在一个电容器的两端的电压超过了它的额定电压,电容器就会被击穿损坏。一般电解电容的耐压分档为6.3V,10V,16V,25V,50V等。

  电容在电路中一般用“C”加数字表示(如C13表示编号为13的电容)。电容是由两片金属膜紧靠,中间用绝缘材料隔开而组成的元件。电容的特性主要是隔直流通交流。电容容量的大小就是表示能贮存电能的大小,电容对交流信号的阻碍作用称为容抗,它与交流信号的频率和电容量有关。容抗XC=1/2πf c (f表示交流信号的频率,C表示电容容量)电话机中常用电容的种类有电解电容、瓷片电容、贴片电容、独石电容、钽电容和涤纶电容等。

  识别方法:电容的识别方法与电阻的识别方法基本相同,分直标法、色标法和数标法3种。电容的基本单位用法拉(F)表示,其它单位还有:毫法(mF)、微法(uF)、纳法(nF)、皮法(pF)。

其中:1法拉=103毫法=106微法=109纳法=1012皮法
容量大的电容其容量值在电容上直接标明,如10 uF/16V
容量小的电容其容量值在电容上用字母表示或数字表示
字母表示法:1m=1000 uF 1P2=1.2PF 1n=1000PF 
数字表示法:一般用三位数字表示容量大小,前两位表示有效数字,第三位数字是倍率。
如:102表示10×102PF=1000PF 224表示22×104PF=0.22 uF
电容容量误差表
符 号 F G J K L M
允许误差 ±1% ±2% ±5% ±10% ±15% ±20%
如:一瓷片电容为104J表示容量为0. 1 uF、误差为±5%
电容的种类和用途


纸介电容纸介电容

用两片金属箔做电极,夹在极薄的电容纸中,卷成圆柱形或者扁柱形芯子,然后密封在金属壳或者绝缘材料(如火漆、陶瓷、玻璃釉等)壳中制成。它的特点是体积较小,容量可以做得较大。但是有固有电感和损耗都比较大,用于低频比较合适。
云母电容
用金属箔或者在云母片上喷涂银层做电极板,极板和云母一层一层叠合后,再压铸在胶木粉或封固在环氧树脂中制成。它的特点是介质损耗小,绝缘电阻大、温度系数小,适宜用于高频电路。

 

陶瓷电容

用陶瓷做介质,在陶瓷基体两面喷涂银层,然后烧成银质薄膜做极板制成。它的特点是体积小,耐热性好、损耗小、绝缘电阻高,但容量小,适宜用于高频电路。
铁电陶瓷电容容量较大,但是损耗和温度系数较大,适宜用于低频电路。

 

薄膜电容

结构和纸介电容相同,介质是涤纶或者聚苯乙烯。涤纶薄膜电容,介电常数较高,体积小,容量大,稳定性较好,适宜做旁路电容。
聚苯乙烯薄膜电容,介质损耗小,绝缘电阻高,但是温度系数大,可用于高频电路。

金属化纸介电容

结构和纸介电容基本相同。它是在电容器纸上覆上一层金属膜来代替金属箔,体积小,容量较大,一般用在低频电路中。

油浸纸介电容

它是把纸介电容浸在经过特别处理的油里,能增强它的耐压。它的特点是电容量大、耐压高,但是体积较大。

铝电解电容

它是由铝圆筒做负极,里面装有液体电解质,插入一片弯曲的铝带做正极制成。还需要经过直流电压处理,使正极片上形成一层氧化膜做介质。它的特点是容量大,但是漏电大,稳定性差,有正负极性,适宜用于电源滤波或者低频电路中。使用的时候,正负极不要接反。

钽、铌电解电容

它用金属钽或者铌做正极,用稀硫酸等配液做负极,用钽或铌表面生成的氧化膜做介质制成。它的特点是体积小、容量大、性能稳定、寿命长、绝缘电阻大、温度特性好。用在要求较高的设备中。

半可变电容

也叫做微调电容。它是由两片或者两组小型金属弹片,中间夹着介质制成。调节的时候改变两片之间的距离或者面积。它的介质有空气、陶瓷、云母、薄膜等。

 

可变电容

它由一组定片和一组动片组成,它的容量随着动片的转动可以连续改变。把两组可变电容装在一起同轴转动,叫做双连。可变电容的介质有空气和聚苯乙烯两种。空气介质可变电容体积大,损耗小,多用在电子管收音机中。聚苯乙烯介质可变电容做成密封式的,体积小,多用在晶体管收音机中。

NPO(COG):电气性能最稳定,基本上不随温度、电压与时间的改变面改变,适用于对稳定性要 求高的高频电路;
X7R(2X1):电气性能较稳定,在温度、电压与时间改变时性能的变化并不显著,适用于隔直、偶合、旁路与对容量稳定性要求不太高的鉴频电路,由于X7R是一种强电介质,因面能造出容量比NPO介质更大的电容器;
Y5V(2F4)(Z5U):具有较低高的介电常数,常用于生产比容较大的、标称容量较高的大容量电容器产品,但其容量稳定性较X7R差,容量、损耗对温度,电压等测试条件较敏感。 

名称:铝电解电容 _anZMM)  
符号: BNnJKC  
电容量:0。47--10000u @q^ }bm  
额定电压:6。3--450V w)*Jf "  
主要特点:体积小,容量大,损耗大,漏电大 !Y5RbDY  
应用:电源滤波,低频耦合,去耦,旁路等 D 4Z|gNqw  
>Pg^j7,  
名称:但电解电容(CA)铌电解电容(CN) CV'W=K+  
符号: W <_87  
电容量:0。1--1000u slm@q  
额定电压:6。3--125V +jM9'  
主要特点:损耗、漏电小于铝电解电容 {Nz<T6/7  
应用:在要求高的电路中代替铝电解电容 M[BFs=9o  
e5f]wU  
名称:空气介质可变电容器 'NV70JbO  
符号: AJ98dO56  
可变电容量:100--1500p Gdb`0C   
主要特点:损耗小,效率高;可根据要求制成直线式、直线波长式、直线频率式及对数式等 w~m67wAWf  
应用:电子仪器,广播电视设备等 !E;m8SEH|  
+ /Wm<(  
名称:薄膜介质可变电容器 \ m=L: Z  
符号: !8 xDf  
可变电容量:15--550p hZhPwogi9  
主要特点:体积小,重量轻;损耗比空气介质的大 -lT7}K'^X  
应用:通讯,广播接收机等  oRVU5wK=  
nkWO5uj+  
名称:薄膜介质微调电容器 c] D Eu//]  
符号: 1 oW&EU!  
可变电容量:1--29p kJDK['&  
主要特点:损耗较大,体积小 cRcNn)}#c`  
应用:收录机,电子仪器等电路作电路补偿 v TA `)e  
Lw=kT/  
名称:陶瓷介质微调电容器 W 8^,W   
符号: 6vM V-s  
可变电容量:0。3--22p c4N+C2r  
主要特点:损耗较小,体积较小 4\"m %3  
应用:精密调谐的高频振荡回路 ? w vJDQ  
hsx?UGfU  
独石电容最大的缺点是温度系数很高,做振荡器的稳漂让人受不了,我们做的一个555振荡器,电容刚好在7805旁边,开机后,用示波器看频率,眼看着就慢慢变化,后来换成涤纶电容就好多了. !|E)",Q~)  
独石电容的特点: J\|C+Sv  
电容量大、体积小、可*性高、电容量稳定,耐高温耐湿性好等。 T@!*LFn  
应用范围: W k =aAZ  
广泛应用于电子精密仪器。各种小型电子设备作谐振、耦合、滤波、旁路。 RMYPxhlQ  
容量范围: 0dCHr&z(  
0.5PF--1UF Q6O9)E~-o  
耐压:二倍额定电压。 ?|`K4  
里面说独石又叫多层瓷介电容,分两种类型,1型 +Azi38m8P  
性能挺好,但容量小,一般小于0。2U,另一种叫 ]f1 pT:'  
II型,容量大,但性能一般。 *:Gzb#9  
名称:云母电容(CY) 7&`,1#V.T$  
符号: g~QUU V_*  
电容量:10p--0。1u <b{[f dA  
额定电压:100V--7kV 3a@ Vd3\Cc  
主要特点:高稳定性,高可*性,温度系数小 X)e%=~++  
应用:高频振荡,脉冲等要求较高的电路 _'A+Jqq(  
WPX{h{ ]E[  
名称:高频瓷介电容(CC) jQoBh*QQmm  
符号: U}km>S0#  
电容量:1--6800p h"U{L  
额定电压:63--500V "Ut ?"bA  
主要特点:高频损耗小,稳定性好 {LM k!s|  
应用:高频电路 Y'XlO\,  
635pwW *[  
名称:低频瓷介电容(CT) oR+!#DW  
符号: 5 n|6r  
电容量:10p--4。7u T:)E_ukr>  
额定电压:50V--100V D5!6BO0X  
主要特点:体积小,价廉,损耗大,稳定性差 k,^!e9X*  
应用:要求不高的低频电路 _Fz;\m3\  
$RR"D?J  
名称:玻璃釉电容(CI) |,`./{RFP  
符号: C0`t& r]  
电容量:10p--0。1u g,oT0`T  
额定电压:63--400V Fr?cBqXT<  
主要特点:稳定性较好,损耗小,耐高温(200度) X1/$jS;  
应用:脉冲、耦合、旁路等电路 ricm%_G$s  
名称:聚酯(涤纶)电容(CL) a?S:.a$<  
符号: }Qh0 !YI%  
电容量:40p--4u k%m=ug  
额定电压:63--630V ZE4ZJ":Ax  
主要特点:小体积,大容量,耐热耐湿,稳定性差 M7G52 i(  
应用:对稳定性和损耗要求不高的低频电路 1Q+nU?  
}fQyyvf  
名称:聚苯乙烯电容(CB) V&_Su=@F2H  
符号: sLtDyvj=  
电容量:10p--1u n3]JZyLIb  
额定电压:100V--30KV "|Pdm.;^  
主要特点:稳定,低损耗,体积较大 E4+v U#  
应用:对稳定性和损耗要求较高的电路 O9H]m  
'R<8{+=  
名称:聚丙烯电容(CBB) RIq$to"  
符号: 4`O+5!>{^  
电容量:1000p--10u ve Hr  
额定电压:63--2000V iYrl2[g}M  
主要特点:性能与聚苯相似但体积小,稳定性略差 Z\ pIUw  
应用:代替大部分聚苯或云母电容,用于要求较高的电路

三、电容的作用

1.隔直流:作用是阻止直流通过而让交流通过。

2.旁路(去耦):为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。

3.耦合:作为两个电路之间的连接,允许交流信号通过并传输到下一级电路

4.滤波:这个对DIY而言很重要,显卡上的电容基本都是这个作用。

5.温度补偿:针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响,而进行补偿,改善电路的稳定性。

6.计时:电容器与电阻器配合使用,确定电路的时间常数。

7.调谐:对与频率相关的电路进行系统调谐,比如手机、收音机、电视机。

8.整流:在预定的时间开或者关半闭导体开关元件。

9.储能:储存电能,用于必须要的时候释放。例如相机闪光灯,加热设备等等。(如今某些电容的储能水平已经接近锂电池的水准,一个电容储存的电能可以供一个手机使用一天。

你知道显卡为什么会花屏吗?

 

没错,你肯定听说过“主板爆浆”,或者你还在对商家唾沫横飞的“专业分析”深信不疑?但您知道“爆浆”为什么会发生,而爆浆产生的环境、条件、原理又是如何?

 

你可能也被主板或显卡花屏所困惑,你知道罪魁祸首很可能是那个最不起眼的电容吗?

 

当睡在你上铺的兄弟告诉你“铝电容就是比电解电容好,OSCON电容比铝电容好”,而你为此对他丰富的硬件知识佩服不已的时候,你是否会怀疑,这句话其实相当于:“摩托罗拉手机就是比GSM的手机好”——因为OSCON电容其实是铝电容的一种,而铝电容又是电解电容的一种。虽然这很可笑,但是你听不出来,因为你不像了解手机那样了解电容。

 

当你告诉他铝电容其实就是电解电容的一种,甚至他推崇有加的钽电容其实也是他最看不上的“电解电容”的一种的时候,您一定能让你上铺那位兄弟感到尴尬。但真理是越辨越明,你有丰富的知识,那他只能选择沉默。而事实并不仅仅如此,当你看完本文后,能被你搞沉默的人绝对不止上铺那位兄弟,也许还包括那些试图玩点猫腻的奸商——在中国能做到这点就很NB了。

 

因为我们相信你并不是那种仅仅满足于用半瓶子醋的DIY知识骗几个MM和菜鸟的“DIY玩家”,所以我们很真诚地邀请您阅读这篇有史以来IT媒体中最专业的关于电容的文章。

 

请相信,我们不是在忽悠。

在开始之前我们还是先向大家介绍一下本文的行文格式。为了方便大家阅读,本文由PCPOP编辑——小地,和业内资深的硬件专业人士——阻容先生以对话的形式进行。本文的主体内容均由阻容先生提供。

    小地:OK,阻容先生,先向我们介绍一下,什么是电容?

  

 电容是最基本的电子元器件

    阻容:电容就是两块导体中间夹着一块绝缘体构成的电子元件,就像三明治一样。电容是电子设备中最基础也是最重要的元件之一。电容的产量占全球电子元器件产品(其它的还有电阻、电感等)中的40%以上。基本上所有的电子设备,小到闪盘、数码相机,大到航天飞机、火箭中都可以见到它的身影。作为一种最基本的电子元器件,电容对于电子设备来说就象食品对于人一样不可缺少。

    小小一颗电容却是一个国家工业技术能力的完全体现,尤其是高档电容所代表的是本国精密加工、化工、、材料、基础研究的水平(美国、日本是世界上电容设计研究能力最高的两个国家)大家千万别小看它,其高档产品的设计制造要求甚至不亚于CPU。同样是这棵不起眼的电容,上到神五,下到U盘,可以说有 电源的地方就有它。

>

 电容是无处不在的

    电容的用途非常多,主要有如下几种:

    1.隔直流:作用是阻止直流通过而让交流通过。

    2.旁路(去耦):为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。

    3.耦合:作为两个电路之间的连接,允许交流信号通过并传输到下一级电路

    4.滤波:这个对DIY而言很重要显卡上的电容基本都是这个作用。

    5.温度补偿:针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响,而进行补偿,改善电路的稳定性。

    6.计时:电容器与电阻器配合使用,确定电路的时间常数。

    7.调谐:对与频率相关的电路进行系统调谐,比如手机、收音机、电视机。

    8.整流:在预定的时间开或者关半闭导体开关元件。

    9.储能:储存电能,用于必须要的时候释放。例如相机闪光灯,加热设备等等。(如今某些电容的储能水平已经接近锂电池的水准,一个电容储存的电能可以供一个手机使用一天。

    小地总结:看完这章,大家可能开始对电容感兴趣了。

小地:看完上一章之后我们对电容已有了基本的了解,那现在我们再深入一点,请介绍一下如今电容的种类好吗?我们常听说什么铝电容,钽电容……,能不能为我们系统地介绍一下电容的分类呢?

    阻容:刚才我们说过,电容就是两块导体(阴极和阳极)中间夹着一块绝缘体(介质)构成的电子元件。电容的种类首先要按照介质种类来分。这当中可分为无机介质电容器、有机介质电容器和电解电容器三大类。不同介质的电容,在结构、成本、特性、用途方面都大不相同。

 陶瓷电容常用在超高频器件例如GPU上

    无机介质电容器:包括大家熟悉的陶瓷电容以及云母电容,在CPU上我们会经常看到陶瓷电容。陶瓷电容的综合性能很好,可以应用GHz级别的超高频器件上,比如CPU/GPU。当然,它的价格也很贵。

    有机介质电容器:例如薄膜电容器,这类电容经常用在音箱上,其特性是比较精密、耐高温高压。

    双电层电容器:这种电容的电容量特别大,可以达到几百f(f=法,电容量单位,1f=1000000μf)。因此这种电容可以做UPS的电池用,作用是储存电能。说句题外话,如果把地球算做一个孤立导体的话,那么它的容量只有700μf,还不如主板上用的一个铝电容。

    电解电容器:由于主板、显卡等产品使用的基本都是电解电容,因此这是我们要讲的重点。大家熟悉的铝电容,钽电容其实都是电解电容。如果说电容是电子元器件中最重要和不可取代的元件的话,那么电解电容器又在整个电容产业中占据了半壁江山。我国电解电容年产量300亿只,且年平均增长率高达30%,占全球电解电容产量的1/3以上。

    大家别小看电解电容,它其实是一个国家的工业能力和技术水平的反映。世界上最先进的电解电容的设计和生产国是美国和日本,顶级的电解电容器的生产工艺要求非常高,别看我国电解电容产量这么高,可是各项核心技术都掌握在其它国家手里,我国也就能算来料加工的“世界工厂”而已,自主力量还很薄弱,并且生产的产品也都以低档的为主。

    小地总结:知道电容的分类后,至少你不会再说什么“铝电容比电解电容好”一类的鬼话了。

小地:我认为电解电容和DIY玩家的关系最密切,那么,请继续为我们介绍它吧。

    阻容:在了解电容的分类后,我想大家已经知道,和DIY玩家最切实相关的还属电解电容,所以我们接下来主要讲的也是它。首先让我们了解一下电解电容的性能特点,这样我们才能清楚为什么主板、显卡以及几乎所有的计算机设备里面都使用到了电解电容:

    电解电容器特点一:单位体积的电容量非常大,比其它种类的电容大几十到数百倍。

    电解电容器特点二:额定的容量可以做到非常大,可以轻易做到几万μf甚至几f(但不能和双电层电容相比)。

    电解电容器特点三:价格比其它种类具有压倒性优势,因为电解电容的组成材料都是普通的工业材料,比如铝等等。制造电解电容的设备也都是普通的工业设备,可以大规模生产,成本相对比较低。

    目前,新型的电解电容发展的非常快,某些产品的性能已达到无机电容器的水准,电解电容正在替换某些无机和有机介质电容器。电解电容的使用范围相当广泛,基本上,有电源的设备都会使用到电解电容。例如通讯产品,数码产品,汽车上音响、发动机、ABS、GPS、电子喷油系统以及几乎所有的家用电器。由于技术的进步,如今在小型化要求较高的军用电子对抗设备中也开始广泛使用电解电容。

    小地总结:有电源的地方就有电解电容,它价格便宜,使用在几百上千元的主板、显卡上是再合适不过了。


     
小地:电解电容如何分类?我们常听一些“高手”说“贴片电容比电解电容好”,“钽电容比贴片电容好”之类的话。能否为我们系统地介绍一下电解电容的分类,以及优劣关系呢?

 

      阻容:电解电容的分类,传统的方法都是按阳极材质,比如说铝或者钽。所以,电解电容按阳极分,为以下几种:

 

  

   

    1.铝电解电容。不管是SMT贴片工艺的(上图左,就是大家说的“贴片电容”,识别方式是底坐有黑色橡胶),还是直插式的,或者有塑料表皮的(上图右就是直插式有塑料表皮的,这个被很多人认为是“电解电容”),只要它们的阳极材质是铝,那么他们就都叫做铝电解电容。电容的封装方式和电容的品质本身并无直接联系,电容的性能只取决于具体型号,这个我们后面会详细说明。

 

 

 紫色的是SANYO OSCON TCNQ系列高档电容,采用直插封装

 

2.钽电解电容。阳极由钽构成,就是那种我们在显卡上一见到就会惊呼“这个显卡做工真不错!”的那种黄色或黑色小颗粒。目前很多钽电解电容都用贴片式安装,其外壳一般由树脂封装(采用同样封装的也可能是铝电解电容)。但是,钽电容的阴极也是电解质,所以很不幸的,它也是大家十分瞧不起的“电解电容”的一种。(有种晴天霹雳的感觉吧?)。

 

  

 

需要提及的是,铝电解电容和钽电解电容不是由封装形式决定的。像上图的黄色与黑色小方块,通常我们认为其是钽电解电容,但实际其阳极也有可能是铝,也就是说它们也有可能是铝电容而不是钽电容。(第二个晴天霹雳!?)

 

 

 是否有橡胶底坐,是判断SMT贴片与直插封装的主要依据

 

3。铌电解电容。这种电容如今已经用的比少,所以就不多介绍了。

 

以往传统的看法是钽电容性能比铝电容好,因为钽电容的介质为阳极氧化后生成的五氧化二钽,它的介电能力(通常用ε表示)比铝电容的三氧化二铝介质要高。因此在同样容量的情况下,钽电容的体积能比铝电容做得更小。(电解电容的电容量取决于介质的介电能力和体积,在容量一定的情况下,介电能力越高,体积就可以做得越小,反之,体积就需要做得越大)再加上钽的性质比较稳定,所以通常认为钽电容性能比铝电容好。

 

但这种凭阳极判断电容性能的方法已经过时了,目前决定电解电容性能的关键并不在于阳极,而在于电解质,也就是阴极。因为不同的阴极和不同的阳极可以组合成不同种类的电解电容,其性能也大不相同。采用同一种阳极的电容由于电解质的不同,性能可以差距很大,总之阳极对于电容性能的影响远远小于阴极。

 

小地总结:大家现在再去看看显卡,眼光可能会有些不同了。

 

小地:现在我们来了解一下电容的阴极。

 

阻容:阴极材料是电容的另一个极板,阴极也就是电容的电解质。电容的阴极目前基本有如下几种:

 

1.电解液。电解液是最传统的电解质,电解液是由GAMMA丁内酯有机溶剂加弱酸盐电容质经过加热得到的。我们所见到的普通意义上的铝电解电容的阴极,都是这种电解液。使用电解液做阴极有不少好处。首先在于液体与介质的接触面积较大,这样对提升电容量有帮助。其次是使用电解液制造的电解电容,最高能耐260度的高温,这样就可以通过波峰焊(波峰焊是SMT贴片安装的一道重要工序),同时耐压性也比较强。此外,使用电解液做阴极的电解电容,当介质被击穿的后,只要击穿电流不持续,那么电容能够自愈。但电解液也有其不足之处。首先是在高温环境下容易挥发、渗漏,对寿命和稳定性影响很大,在高温高压下电解液还有可能瞬间汽化,体积增大引起爆炸(就是我们常说的爆浆);其次是电解液所采用的离子导电法其导电率很低,只有0.01S(电导率,欧姆的倒数)/CM,这造成电容的ESR值(等效串联电阻)特别高。

 

 

 铝电解液电容爆浆

 

传统铝电解液电容都有防爆槽,这是为了让压力容易被释放,不会发生更大的爆炸。但某些产品为了节约成本省去了防爆槽的工序。

 

2. 二氧化锰。二氧化锰是钽电容所使用的阴极材料。二氧化锰是固体,传导方式为电子导电,导电率是电解液离子导电的十倍(0.1S/CM),所以ESR比电解液低。所以,传统上大家觉得钽电容比铝电容好得多,同时固体电解质也没有泄露的危险。此外二氧化锰的耐高温特性也比较好,能耐的瞬间温度在500度左右。二氧化锰的缺点在于在极性接反的情况下容易产生高温,在高温环境下释放出氧气,同时五氧化二钽介质层发生晶质变化,变脆产生裂缝,氧气沿着裂缝和钽粉混合发生爆炸。另外这种阴极材料的价格也比较贵。(和铝电解液电容相比,虽然都是爆炸,可原理却不一样,有多少人能注意到这点呢?)

 

传统上认为钽电容比铝电容性能好 主要是由于钽加上二氧化锰阴极助威后才有明显好于铝电解液电容的表现。如果把铝电解液电容的阴极更换为二氧化锰, 那么它的性能其实也能提升不少。

 

3.接下来我们就要引出一种革命性的阴极——TCNQTCNQ是一种有机半导体,是一种络合盐。TCNQ在电容方面的应用,是在90年代中后期才出现的,它的出现代表着电解电容技术革命的开始。TCNQ是一种有机半导体,因此使用TCNQ的电容也叫做有机半导体电容,例如早期的三洋OSCON产品。TCNQ的出现,使电解电容的性能可以直接挑战传统陶瓷电容霸占的很多领域,使电解电容的工作频率由以前的20KHZ直接上升到了1MHZTCNQ的出现,使过去按照阳极划分电解电容性能的方法也过时了。因为即使是阳极为铝的铝电解电容,如果使用了TCNQ作为阴极材质的话,其性能照样比传统钽电容(钽+二氧化锰)好得多。TCNQ的导电方式也是电子导电,其导电率为1S/CM,是电解液的100倍,二氧化锰的10倍。

 

 

 紫色为TCNQ电容(SANYO)

 

使用TCNQ作为阴极的有机半导体电容,其性能非常稳定,也比较廉价。不过它的热阻性能不好,其熔解温度只有230 -240摄氏度 ,所以有机半导体电容一般很少用SMT贴片工艺制造,因为无法通过波峰焊工艺,所以我们看到的有机半导体电容基本都是插件式安装的。TCNQ还有一个不足之处就是对环境的污染。由于TCNQ是一种氰化物,在高温时容易挥发出剧毒的氰气,因此在生产和使用中会有限制。 

 

4.如果说TCNQ是电解电容革命的开始的话,那么真正的革命的主角当属PPY(聚吡咯)以及PEDT这类固体聚合物导体。

 

 

 著名的SANYO OSCON SVP系列铝固体聚合物导体电容

 

70年代末人们发现,使用搀杂法可以获得优良的导电聚合物材料,从而引发了一场聚合物导体的技术革命。1985年,小日本首次开发了聚吡咯膜,如果使用复合法的话,可以使其导电率达到铜和银的水平,但它又不是金属而相当于工程塑料,附着性比金属好,同时价格也比铜和银低很多,此外,在受力情况下,其导电率还会产生变化(其特性很像人的神经系统)。这无疑是电容研发者梦寐以求的阴极材质。2000年,美国人因为发明了大规模制造PPY聚吡咯膜的方法,而获得了当年的诺贝尔化学奖,其重要性可见一斑。聚吡咯的用途非常广泛,从隐形战斗机到人工手,以及显示器和电池、电容等等。聚吡咯的研发实力,可以反映出一个国家的化学水平,而我国的西安交通大学和成都电子科技大学在这方面比较突出。

 

 

 三洋CVEX 固体聚合物导体+电解液混合电容 注意防爆槽

 

使用PPY聚吡咯和PEDT做为阴极材料的电容,叫做固体聚合物导体电容。其电导率可以达到100S/CM,这是TCNQ盐的100倍,是电解液的10000倍,同时也没有污染。固体聚合物导体电容的温度特性也比较好,可以忍耐300度以上的高温,因此可以使用SMT贴片工艺安装,也适合大规模生产。固体聚合物导体电容的安全性较好,当遇到高温的时候,电解质只是熔化而不会产生爆炸,因此它不像普通铝电解液电容那样开有防爆槽(三洋有一种CVEX电容,阴极为固体聚合物导体加电解液的混合型,因此也有防爆槽)。固体聚合物导体电容的缺陷在于其价格相对偏高,同时耐电压性能不强。

 

  

 GF 6800U使用的CHEMICON PS/16V电容 无防爆槽

    最新锐的GF 6800 Ultra显卡,在NVIDIA公版上就使用了CHEMICON PS/16V固体聚合物导体电容。我看到有些“高手”对此不屑一顾,说16V算什么?确实,和使用电解液为阴极的电容相比,16V确实不算什么。但是在16伏特电压下,它的ESR性能不是一般的电解液电容所能达到的,因此才被应用到GF 6800 Ultra这样的顶级显卡上。

    小地:使用不同的阳极和阴极材料可以组合成多种规格的电解电容,是吗?

  阻容:是这样的。基本上所有组合都可以。例如钽电解电容也可以使用固体聚合物导体做为阴极,而铝电解电容既可以使用电解液,也可以使用TCNQPPYPEDT等等。现在新型的钽电容也采用了PPY和PEDT这类固体聚合物导体做阴极,因此性能进步很多,也没有以往二氧化锰阴极易爆炸的危险。如今最好的钽聚合物电容的ESR可以达到5毫欧姆。这类性能高、体积小的钽聚合物电容一般使用手机、数码相机等一些对体积要求较高的设备上。

 

小地:你刚才提到了有些电容不适合SMT贴片工艺,请问是否使用SMT,对性能会带来什么影响?

 

阻容:无论是插件还是贴片式的安装工艺,电容本身都是直立于PCB的,根本的区别方式是SMT贴片工艺安装的电容,有黑色的橡胶底座。SMT的好处主要在于生产方面,其自动化程度高,精度也高,在运输途中不像插件式那样容易受损。但是SMT贴片工艺安装,需要波峰焊工艺处理,电容经过高温之后可能会影响性能,尤其是阴极采用电解液的电容,经过高温后电解液可能会干枯。插件工艺的安装成本低,因此在同样成本下,电容本身的性能可以更好一些。由于欧美工厂的机械成本低而人工比较贵,所以大部分倾向于SMT贴片制造。而国内工厂的人工较便宜,所以厂商更愿意使用插件式安装。

 

在性能方面,插件式电容对频率的适应性差一些,不过不到500MHz以上的频率是很难体现出差异的。使用插件式安装的电容中也有很好的产品,例如CHEMICONPS系列有一部分就是使用插件式的。

 

 

 主板上的电容大多有“皮”

 

小地:有塑料外皮的电容和没有外皮的铝壳电容,性质上有什么区别吗?为什么主板上大都使用前者?

 

 

 新款主板开始使用铝聚合物高档电容

 

阻容:所有的直立式电容都是铝壳电容。只不过有一部分电容外面包了PVC薄膜,这样对温度的适应性会好一点,但是这样做会污染环境,所以现在的电容都很少使用了。从成本上将,有塑料外皮的电容对铝壳要求低,成本会低一些。主板产品因为面积大,可以用稳压电源,这样开关频率相对较低,所以没必要太好的电容,而显卡因为面积小,对电容要求就高。不过现在很多新款主板也开始用比较高档的电容了。

 


电解电容阴极材质性能特性对比

阴极材质

电解液

二氧化锰

TCNQ

固体聚合物导体(PPY/PEDT

固体聚合物导体+电解液(CVEX混合型)

导电率

0.01S/CM

0.1S/CM

1S/CM

100S/CM

100S+0.01S/CM

导电方式

离子导电

电子导电

电子导电

电子导电

电子+离子导电

热阻性能

260

500

230度(不适合SMT贴片)

300

260

优点

价格最便宜,耐压性优良,有自愈特性

性能稳定

价格相对便宜,导电率高,综合性能较好

无污染,不会爆炸,良好的温度特性,LOW ESR

具备固体聚合物导体电容和电解液电容的一切优点与缺点

缺点

受温度影响巨大,ESR高,安全性不高

容易污染,安全性不高,价格也比较贵

不耐高温,有污染,耐电压值低

价格昂贵 没有自愈特性,耐电压值低

 
 
    在以上表格当中,红线代表铝聚合物导体电容,绿色虚线表示普通铝电解液电容,蓝色虚线表示钽二氧化锰电容,黄色虚线表示超大容量(1000μF)、超大体积(后面的“Φ”符号代表了各自的体积)的铝电解液电容。表格的X轴线表示频率,Y轴线表示阻抗,Y轴的阻抗数值越低,ESR值就越低,性能就越好。
 
    这个表格体现的是在频率逐步提升的情况下,不同种类电容的性能变化。可以看出,当频率达到10KHz以上的时候铝聚合物导体电容的ESR值继续保持在较低的水平,当达到100KHz的时候,其ESR值低于其它所有类型的电容,包括钽电容和容量为1000μF的铝电解液电容(注意:两者的体积比例为300:5000),而该电容的容量仅为47μF。到了1MHZ,铝聚合物导体电容优势更明显。

 
    以上这4个表格代表的是陶瓷电容(左边两个表格)和TCNQ有机半导体电容(右边两个表格),在施加电压为0V(上表)和20V(下表)的两种情况下,其ESR值的波动。可以看出,陶瓷电容在20V电压,频率接近100KHz的时候ESR出现了剧烈的波动。而TCNQ电容的ESR值则保持平滑的曲线。新电解材料的使用使电解电容在某些方面比电容的王者陶瓷电容更有优势。
 
 
    当极性接反并施加2倍额定电压和20A电流时不同阴极钽电容的反映:如上图,使用二氧化锰为阴极的钽二氧化锰电容全部爆炸,而使用PPY为阴极的钽固体聚合物电容虽然全部报废,但表面无损。这反映了二氧化锰阴极电容和聚合物电容在安全性上的差异。

 

钽电解电容简介

    固体钽电容器是1956年由美国贝乐试验室首先研制成功的,它的性能优异,是所有电容器中体积小而又能达到较大电容量的产品。钽电容器外形多种多样,并容易制成适于表面贴装的小型和片型元件。适应了目前电子技术自动化和小型化发展的需要。虽然钽原料稀缺,钽电容价格较昂贵,但由于大量采用高比容钽粉(30KuF.g-100KuF.V/g),加上对电容器制造工艺的改进和完善,钽电解电容器还是得到了迅速的发展,使用范围日益广泛。钽电容器不仅在军事通讯,航天等领域广泛使用,而且使用范围还在向工业控制,影视设备、通讯仪表等产品中大量使用。

    目前生产的钽电解电容器主要有烧结型固体、箔形卷绕固体、烧结型液体等三种,其中烧结型固体约占目前生产总量的95%以上,而又以非金属密封型的树脂封装式为主体。小型化、片式化配合SMT技术下方兴未艾,片式烧结钽电容器已逐渐成主流。

    固体钽电容器电性能优良,工作温度范围宽,而且形式多样,体积效率优异,具有其独特的特征:

    钽电解电容器的工作介质是在钽金属表面生成的一层极薄的五氧化二钽膜。

    此层氧化膜介质完全与组成电容器的一端极结合成一个整体,不能单独存在。因此单位体积内所具有的电容量特别大。即比容量非常高,因此特别适宜于小型化。

    在钽电解电容器工作过程中,具有自动修补或隔绝氧化膜中的疵点所在的性能,使氧化膜介质随时得到加固和恢复其应有的绝缘能力,而不致遭到连续的累积性破坏。这种独特自愈性能,保证了其长寿命和可靠性的优势。

    钽电解电容器具有非常高的工作电场强度,并较任何类型电容器都大,以此保证它的小型化。

    钽电解电容器可以非常方便地获得较大的电容量,在电源滤波、交流旁路等用途上少有竞争对手。

    具有单向导电性,即所谓有“极性”,应用时应按电源的正、负方向接入电流,电容器的阳极(正极)接电源“+”极,阴极(负极)接电源的“-”极;如果接错不仅电容器发挥不了作用,而且漏电流很大,短时间内芯子就会发热,破坏氧化膜随即失效。

    工作电压有一定的上限平值,但这方面的缺点对配合晶体管或集成电路电源,是不重要的。

    电解电容器一般认为是一种性能优良,使用寿命长的电子元件,它的失效率正常时可达七级。但它总还是符合电子元器件的失效普遍规律,即澡盆形失效曲线,前期失效可在老炼过程中剔除。因此只有随机失效的可能性。而这种无效即有制造工艺控制问题,还常常伴随产品在使用过程的不当或超载所致,综合说来大约有三种模式即电流型、电压型和发热型。

    钽电解电容器具有储藏电量、进行充放电等性能,主要应用于滤波、能量贮存与转换,记号旁路,耦合与退耦以及作时间常数元件等。在应用中要注意其性能特点,正确使用会有助于充分发挥其功能,其中诸如考虑产品工作环境及其发热温度,以及采取降额使用等措施,如果使用不当会影响产品的工作寿命。

    烧结型固体 电解质片状钽电容器

 

烧结型固体电解质柱状树脂包封钽电容器

 

烧结型固体电解质金属壳钽电容器

 

烧结型液体电解质金属壳钽电容器

 

烧结型固体电解质端帽式钽电容器

贴片电容的种类和特点

单片陶瓷电容器(通称贴片电容)是目前用量比较大的常用元件,就AVX公司生产的贴片电容来讲有NPO、X7R、Z5U、Y5V等不同的规格,不同的规格有不同的用途。下面我们仅就常用的NPO、X7R、Z5U和Y5V来介绍一下它们的性能和应用以及采购中应注意的订货事项以引起大家的注意。不同的公司对于上述不同性能的电容器可能有不同的命名方法,这里我们引用的是AVX公司的命名方法,其他公司的产品请参照该公司的产品手册。 
NPO、X7R、Z5U和Y5V的主要区别是它们的填充介质不同。在相同的体积下由于填充介质不同所组成的电容器的容量就不同,随之带来的电容器的介质损耗、容量稳定性等也就不同。所以在使用电容器时应根据电容器在电路中作用不同来选用不同的电容器。 

一 NPO电容器 
NPO是一种最常用的具有温度补偿特性的单片陶瓷电容器。它的填充介质是由铷、钐和一些其它稀有氧化物组成的。 
NPO电容器是电容量和介质损耗最稳定的电容器之一。在温度从-55℃到+125℃时容量变化为0±30ppm/℃,电容量随频率的变化小于±0.3ΔC。NPO电容的漂移或滞后小于±0.05%,相对大于±2%的薄膜电容来说是可以忽略不计的。其典型的容量相对使用寿命的变化小于±0.1%。NPO电容器随封装形式不同其电容量和介质损耗随频率变化的特性也不同,大封装尺寸的要比小封装尺寸的频率特性好。下表给出了NPO电容器可选取的容量范围。 

封 装 DC=50V DC=100V 
0805 0.5---1000pF 0.5---820pF 
1206 0.5---1200pF 0.5---1800pF 
1210 560---5600pF 560---2700pF 
2225 1000pF---0.033μF 1000pF---0.018μF 

NPO电容器适合用于振荡器、谐振器的槽路电容,以及高频电路中的耦合电容。 


二 X7R电容器 
X7R电容器被称为温度稳定型的陶瓷电容器。当温度在-55℃到+125℃时其容量变化为15%,需要注意的是此时电容器容量变化是非线性的。 
X7R电容器的容量在不同的电压和频率条件下是不同的,它也随时间的变化而变化,大约每10年变化1%ΔC,表现为10年变化了约5%。 
X7R电容器主要应用于要求不高的工业应用,而且当电压变化时其容量变化是可以接受的条件下。它的主要特点是在相同的体积下电容量可以做的比较大。下表给出了X7R电容器可选取的容量范围。 

封 装 DC=50V DC=100V 
0805 330pF---0.056μF 330pF---0.012μF 
1206 1000pF---0.15μF 1000pF---0.047μF 
1210 1000pF---0.22μF 1000pF---0.1μF 
2225 0.01μF---1μF 0.01μF---0.56μF 


三 Z5U电容器 
Z5U电容器称为”通用”陶瓷单片电容器。这里首先需要考虑的是使用温度范围,对于Z5U电容器主要的是它的小尺寸和低成本。对于上述三种陶瓷单片电容起来说在相同的体积下Z5U电容器有最大的电容量。但它的电容量受环境和工作条件影响较大,它的老化率最大可达每10年下降5%。 
尽管它的容量不稳定,由于它具有小体积、等效串联电感(ESL)和等效串联电阻(ESR)低、良好的频率响应,使其具有广泛的应用范围。尤其是在退耦电路的应用中。下表给出了Z5U电容器的取值范围。 

封 装 DC=25V DC=50V 
0805 0.01μF---0.12μF 0.01μF---0.1μF 
1206 0.01μF---0.33μF 0.01μF---0.27μF 
1210 0.01μF---0.68μF 0.01μF---0.47μF 
2225 0.01μF---1μF 0.01μF---1μF 

Z5U电容器的其他技术指标如下: 
工作温度范围 +10℃ --- +85℃ 
温度特性 +22% ---- -56% 
介质损耗 最大 4% 


四 Y5V电容器 
Y5V电容器是一种有一定温度限制的通用电容器,在-30℃到85℃范围内其容量变化可达+22%到-82%。 
Y5V的高介电常数允许在较小的物理尺寸下制造出高达4.7μF电容器。 
Y5V电容器的取值范围如下表所示 

封 装 DC=25V DC=50V 
0805 0.01μF---0.39μF 0.01μF---0.1μF 
1206 0.01μF---1μF 0.01μF---0.33μF 
1210 0.1μF---1.5μF 0.01μF---0.47μF 
2225 0.68μF---2.2μF 0.68μF---1.5μF 

Y5V电容器的其他技术指标如下: 
工作温度范围 -30℃ --- +85℃ 
温度特性 +22% ---- -82% 
介质损耗 最大 5% 

阻容:技术的发展是日新月益的,前几年我还在为电解电容能否工作在音频(20KHZ)上和人争执,转眼现在新电解电容都在挑战20MHZ了。这几年我遇到无数设计上因为电容选择错误而导致恶性后果的事件(比如耕宇4200显卡花屏退货,XX厂主板电容爆浆),也看到不少厂商和所谓“高手”在电容上误导消费者。

    最令人担心的是现在很多电子设计人员都没能注意到电容的地位越来越举足轻重,技术的发展已使电容脱胎换骨了,忽视对它们的研究是很危险的。还好我们国家还是有不少真正的人才在关注(比如西安交大和电子科大)。为了让我们在基础电子领域不落后先进国家太远,笔者斗胆写点科普的东西(真正的研究人员往往不屑做)。

    在搜集了两年资料以及利用笔者可以参考内部资料的特权(基本上很多电容厂对配方和材质都是保密的,小日本尤其如此)后写就此文,希望读者特别是年轻读者能抓紧时间投入到基础研究中去,特别感谢PCPOP小地和李想以及我的朋友谷毅等人的大力协助,没有他们的帮忙我不可能那么勤奋地准备文章,仅以此文献给广大读者和那些为我国基础电子产业默默奉献的栋梁。

    本篇主要讲解电容的基础知识,例如各个种类的电容及其基本性能等等。在下篇当中,我们的文章内容将由理论转为实战。我们将会大家介绍电容的制造过程,以及具体几款电容的性能、设计实例等等。最后,我们还将为大家介绍常见的电容品牌的特色。请大家期待!

什么是安规电容


什么是安规电容 X 电容 Y电容

根据IEC 60384-14,电容器分为X电容及Y电容,
1. X电容是指跨于L-N之间的电容器,
2. Y电容是指跨于L-G/N-G之间的电容器。
(L=Line, N=Neutral, G=Ground)

X电容底下又分为X1, X2, X3,主要差別在于:
1. X1耐高压大于2.5 kV, 小于等于4 kV,
2. X2耐高压小于等于2.5 kV,
3. X3耐高压小于等于1.2 kV

Y电容底下又分为Y1, Y2, Y3,Y4, 主要差別在于:
1. Y1耐高压大于8 kV,
2. Y2耐高压大于5 kV,
3. Y3耐高压 n/a
4. Y4耐高压大于2.5 kV

X,Y电容都是安规电容,火线零线间的是X电容,火线与地间的是Y电容.
它们用在电源滤波器里,起到电源滤波作用,分别对共模,差模工扰起滤波作用.
安规电容是指用于这样的场合,即电容器失效后,不会导致电击,不危及人身安全. 安规电容安全等级 应用中允许的峰值脉冲电压 过电压等级(IEC664) X1 >2.5kV ≤4.0kV Ⅲ X2 ≤2.5kV Ⅱ X3 ≤1.2kV —— 安规电容安全等级 绝缘类型 额定电压范围 Y1 双重绝缘或加强绝缘 ≥ 250V Y2 基本绝缘或附加绝缘 ≥150V ≤250V Y3 基本绝缘或附加绝缘 ≥150V ≤250V Y4 基本绝缘或附加绝缘 <150V Y电容的电容量必须受到限制,从而达到控制在额定频率及额定电压作用下,流过它的漏电流的大小和对系统EMC性能影响的目的。GJB151规定Y电容的容量应不大于0.1uF。Y电容除符合相应的电网电压耐压外,还要求这种电容器在电气和机械性能方面有足够的安全余量,避免在极端恶劣环境条件下出现击穿短路现象,Y电容的耐压性能对保护人身安全具有重要意义

在滤波电路上有X电容,就是跨接L-N线;Y电容就是N-G线。
在安规标准上有按脉冲电压分X1,X2,X3电容;按绝缘等级来分Y1,Y2,Y3来分。
(这些都不是按什么材质来分的,以后多学习。)
至于安规标准各个国家有一些差别,但额定电压无非就是250和400。
各大厂家做的安规电容就是要满足这个安规标准的需求,一个安规电容可以满足Y电容的要求,也有可以做成满足X电容要求。所以就有的安规电容上标X1Y1,X1Y2...

火线与0线之间接个电容就是是X,而火线与地线之间接个电容像个Y。
由于火线与0线直接电容,受电压峰值的影响,避免短路,比较注重的参数就是耐压等级,在电容值上没有定限制值。
火线与地线直接电容要涉及到漏电安全的问题,因此它注重的参数就是绝缘等级,正如 james bai所说的,太大的容值电容会在电源断电后对人对器件产生影响。


  Copyright ◎ 2000 南京阻容电子有限公司 All Right Reserved
地址:南京市江宁区双龙路170号  电话:025-52028069 52028311 
邮箱 :
网址:www.njzrdz.com 技术支持:阻容电子