電容器是能量存儲設備，對模擬和數字電子電路都至關重要。它們用于定時，用于波形創建和整形，阻斷直流電，交流電信號耦合，濾波和平滑，當然還有能量存儲。由于用途廣泛，出現了大量使用各種板材，絕緣電介質和物理形式的電容器類型。這些電容器類型中的每一種都適用于特定的應用范圍。選項種類繁多，這意味著在性能特征、可靠性、使用壽命、穩定性和成本方面，可能需要對它們進行分類，以便為設計找到最佳選擇。

需要了解每種電容器類型的特性，以便將電容器與預期的電路應用正確匹配。這些知識必須涵蓋電容器的電氣、物理和經濟特性。

本文將介紹各種類型的電容器、其特性以及選擇電容器的關鍵標準。村田電子、KEMET、康奈爾杜比利爾電子、松下電子株式會社和AVX株式會社的示例將用于說明關鍵差異和屬性。

什么是電容器？

電容器是一種在內部電場中存儲能量的電子設備。它是一種基本的無源電子元件，與電阻器和電感器一起。所有電容器都由相同的基本結構組成，兩個導電板由絕緣體（稱為電介質）隔開，可以通過施加電場進行極化（圖1）。電容與板面積A成正比，與板間距離d成反比。

圖 1：基本電容器由兩個導電板組成，由一個非導電電介質隔開，該電介質在兩個板之間的電場中作為極化區域存儲能量。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

第一個電容器是1745年開發的Leyden罐。它由一個玻璃罐組成，內表面和外表面襯有金屬箔，最初用于儲存靜電電荷。本杰明·富蘭克林用一個來證明閃電是電，這成為最早的記錄應用之一。

基本并聯板電容器的電容可以使用公式1計算：

等式 1

哪里：

C是法拉的電容

A是以平方米為單位的板材面積

d 是板之間的距離（以米為單位）

ε介電材料的介電常數

ε等于電介質的相對介電常數，εr乘以真空的介電常數，ε0.相對介電常數，εr,通常被稱為介電常數k。

基于公式1，電容與介電常數和板面積成正比，與板之間的距離成反比。為了增加電容，可以增加板的面積，并且可以減小板之間的距離。由于真空的相對介電常數為1，并且所有電介質的相對介電常數都大于1，因此插入電介質也會增加電容器的電容。電容器通常由所使用的電介質材料的類型來表示（表1）。

表1：按電介質材料分類的常見電容器類型的特性。（表來源：Digi-Key Electronics）

列條目上的一些注釋：

電容器的相對介電常數或介電常數會影響給定板面積和介電厚度下可實現的電容最大值。

介電強度是電介質對電壓擊穿的抵抗力的額定值，作為其厚度的函數。

可實現的最小電介質厚度會影響可實現的最大電容以及電容器的擊穿電壓。

電容器結構

電容器提供多種物理安裝配置，包括軸向、徑向和表面貼裝（圖 2）。

圖 2：電容器安裝或配置類型包括軸向、徑向和表面安裝。表面貼裝在此時應用非常廣泛。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

軸向結構基于金屬箔和電介質的交替層，或兩側金屬化的電介質軋成圓柱形。可通過插入的插片或圓形導電端蓋連接到導電板。

徑向型通常由交替的金屬層和介電層組成。金屬層在兩端橋接。徑向和軸向配置用于通孔安裝。

表面貼裝電容器還依賴于交替的導電層和介電層。兩端的金屬層由焊帽橋接，用于表面安裝。

電容器電路模型

電容器的電路模型包括所有三個無源電路元件（圖 3）。

圖 3：電容器的電路模型由電容式、感性和電阻式元件組成。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

電容器的電路模型由一個串聯電阻元件組成，該電阻元件表示導電元件的歐姆電阻以及介電電阻。這稱為等效或有效串聯電阻（ESR）。

當交流信號施加到電容器上時，就會產生介電效應。交流電壓導致電介質的極化在每個周期發生變化，從而導致內部發熱。電介質加熱是材料的函數，作為電介質的耗散因數進行測量。耗散因數（DF）是電容電容和ESR的函數，可以使用公式2計算：

等式 2

哪里：

XC是以歐姆為單位的容抗（Ω）

ESR 是等效的串聯電阻（以Ω為單位）

由于容抗項，耗散因數與頻率有關，并且是無量綱的，通常以百分比表示。較低的耗散因數可減少加熱，從而降低損耗。

有一種串聯電感元件，稱為有效或等效串聯電感（ESL）。這表示引線和導電路徑電感。串聯電感和電容產生串聯諧振。在串聯諧振頻率以下，器件主要表現出容性行為，高于串聯諧振頻率時，器件的電感性更強。在許多高頻應用中，這種串聯電感可能會出現問題。供應商通過使用徑向和表面貼裝元件配置中所示的分層結構，將電感降至最低。

并聯電阻表示電介質的絕緣電阻。各種型號組件的值取決于電容器配置和為其結構選擇的材料。

陶瓷電容器

這些電容器使用陶瓷電介質。陶瓷電容器有兩類，1類和2類。1類基于對電陶瓷，如二氧化鈦。這類陶瓷電容器具有高穩定性、良好的電容溫度系數和低損耗。由于其固有的精度，它們用于振蕩器、濾波器和其他RF應用。

2類陶瓷電容器使用基于鐵電材料（如鈦酸鋇）的陶瓷電介質。由于這些材料的介電常數較高，因此2類陶瓷電容器每單位體積的電容更高，但精度和穩定性低于1類電容器。它們用于旁路和耦合應用，在這些應用中，電容的絕對值并不重要。

村田制作所的GCM1885C2A101JA16就是陶瓷電容器的一個例子（圖4）。1 類 100 皮法拉 （pF） 電容器具有 5% 的容差，額定電壓為 100 伏，并采用表面貼裝配置。該電容器適用于汽車應用，額定溫度為 -55° 至 +125° C。

圖 4：GCM1885C2A101JA16 是一款 1 類 100 pF 陶瓷表面貼裝電容器，容差為 5%，額定電壓為 100 V。（圖片來源：村田電子）

薄膜電容器

薄膜電容器使用薄塑料薄膜作為電介質。導電板既可以作為箔層實現，也可以作為兩層薄金屬化層來實現，每層在塑料薄膜的兩側。用于電介質的塑料決定了電容器的特性。薄膜電容器有多種形式：

聚丙烯 （ PP）：它們具有特別好的公差和穩定性，具有低ESR和ESL以及高電壓擊穿額定值。由于電介質的溫度限制，它們僅作為引線器件提供。PP電容器適用于遇到高功率或高電壓的電路，如開關模式電源、鎮流器電路、高頻放電電路，以及音頻系統，在這些系統中，它們的低ESR和ESL因信號完整性而受到重視。

聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）：也稱為聚酯或聚酯薄膜電容器，由于其介電常數較高，這些電容器是薄膜電容器中體積效率最高的電容器。它們通常用作徑向引線器件。它們用于通用電容應用。

聚苯硫醚：這些電容器僅作為金屬化薄膜器件制造。它們具有特別好的溫度穩定性，因此適用于需要良好頻率穩定性的電路。

PPS薄膜電容器的一個例子是松下電子公司的ECH-U1H101JX5。100 pF 器件的容差為 5%，額定電壓為 50 V，采用表面貼裝配置。它的工作溫度范圍為 -55° 至 125°C，適用于一般電子應用。

聚萘二甲酸乙二醇酯（ PEN）：與 PPS 電容器一樣，這些電容器僅采用金屬化薄膜設計。它們具有耐高溫性，并提供表面貼裝配置。應用主要針對那些需要高溫和高壓性能的應用。

聚四氟乙烯（PTFE）或特氟龍電容器以其高溫和高耐壓性而聞名。它們以金屬化和箔結構制造。PTFE電容器主要用于需要暴露在高溫下的應用。

電解電容器

電解電容器以其高電容值和高容積效率而著稱。這是通過使用液體電解質作為其板之一來實現的。鋁電解電容器包括四個獨立的層：鋁箔陰極;電解質浸泡紙分離器;經過化學處理以形成非常薄的氧化鋁層的鋁陽極;最后，另一個紙張分離器。然后將該組合卷起并放置在密封的金屬罐中。

電解電容器是極化的直流（DC）器件，這意味著施加的電壓必須施加到指定的正負端子上。未能正確連接電解電容器可能會導致爆炸性故障，盡管外殼具有泄壓膜片來管理反應并最大限度地減少損壞的可能性。

電解電容器的主要優點是電容值高，體積小，成本相對較低。電容值具有寬容差范圍和相對較高的漏電流。電解電容器最常見的應用是線性和開關電源中的濾波電容器（圖 5）。

圖5：電解電容器的例子;所有電容均為10微法（μF）。（圖片來源：Kemet 和 AVX Corp.）

參考圖 5 并從左向右移動，Kemet 的 ESK106M063AC3FA 是一個 10 μF、20% 63 伏徑向引線鋁電解電容器。它可以在高達85°C的溫度下工作，使用壽命為2，000小時。它適用于通用電解應用，包括濾波、去耦和旁路操作。

鋁電解電容器的替代品是鋁聚合物電容器，它用固體聚合物電解質代替液體電解質。聚合物鋁電容器具有比鋁電解電容器更低的ESR和更長的使用壽命。與所有電解電容器一樣，它們也是極化的，并作為濾波器和去耦電容器在電源中得到應用。

Kemet A758BG106M1EDAE070 是一款 10 μF、25 伏徑向引線鋁聚合物電容器，在很寬的溫度范圍內具有更長的使用壽命和更高的穩定性。它適用于工業和商業應用，如手機充電器和醫療電子產品。

鉭電容器是電解電容器的另一種形式。在這種情況下，在鉭箔上化學形成一層氧化鉭。它們的體積效率優于鋁電解，但最大電壓水平通常較低。與鋁電解電容器相比，鉭電容器具有更低的ESR和更高的耐溫性，這意味著它們可以更好地承受焊接過程。

Kemet T350E106K016AT是一款10 μF、10%、16伏徑向引線鉭電容。它具有小尺寸、低泄漏和低耗散因數等優點，適用于濾波、旁路、交流耦合和定時應用。

最后一種電解電容器類型是氧化鈮電解電容器。鈮電解電容器是在鉭短缺期間開發的，用鈮和五氧化二鈮代替鉭作為電解質。由于其較高的介電常數，它的每單位電容提供更小的封裝尺寸。

氧化鈮電解劑的一個例子是AVX公司的NOJB106M010RWJ。這是一個10 μF、20%、10伏電容，采用表面貼裝配置。與鉭電解液一樣，它用于濾波、旁路和交流耦合應用。

云母電容器

云母電容器（主要是銀云母）的特點是電容容差小（±1%），電容溫度系數低（通常為50 ppm/°C），耗散因數極低，并且隨著施加電壓的變化，電容變化很小。嚴格的公差和高穩定性使它們適用于RF電路。云母電介質的兩面都鍍銀以提供導電表面。云母是一種穩定的礦物質，不會與最常見的電子污染物相互作用。

康奈爾杜比利爾電子公司的 MC12FD101J-F 是一款 100 pF、5%、500 伏云母電容器，采用表面貼裝配置（圖 6）。它用于射頻應用，如MRI、移動無線電、功率放大器和振蕩器。它們的工作溫度范圍為 -55° 至 125°C。

圖 6：康奈爾杜比利爾電子 MC12FD101J-F 是一款用于射頻應用的表面貼裝云母電容器。（圖片來源：Cornell Dubilier Electronics）

結論

電容器是電子設計中必不可少的元件。多年來，已經開發了具有各種特性的各種器件類型，使一些電容器技術特別適合特定應用。對于設計人員來說，獲得各種類型，配置和規格的良好工作知識是值得的，以確保為給定應用做出最佳選擇。

審核編輯 黃昊宇