电容是什么？怎么用？怎么买?,电容式液位传感器。

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电容是什么？怎么用？怎么买? 电容是什么？怎么用？怎么买? 智能家居

是什么

（图片来自网络侵删）

电容器（英文：capacitor，用符号C表示）是将电能储存在电场中的被动电子元件，顾名思义它是一个装载电荷的容器，在线性时不变系统中有：

,模型如图所示

平行板电容器

我们在电路电路中常日研究的是器件u和i的关系，而电流的定义为：单位韶光里通过导体任一横截面的电荷量，即电流为电荷的变革率那么

，从而得出电容的VCR（Voltage Current Resistance）关系：

但是在电路系统打算中，你乐意求解微积分方程吗？因此电容和电感必须引入复域，才能让问题得到有效办理。
当然时域研究也是有用处的，往后在丈量篇会讲解。

这里采取倒叙的方法，先提前说下电容的阻抗为

， w和C大家都知道是角频率和容值，那复数j是什么，怎么来的呢？还记得我在电阻篇说过电容是一个跟电阻差了90度并且随着频率变革的器件。
这里的随频率变换表示在w上，那么90度表示在哪里呢，想一想该当便是这个j了，由于w和C都是实数不会涌现角度变换，那么这个j就对应了90度。

再看下这个公式怎么阐明我们平时知道的电容特性，我们知道电容通高频，阻低频，便是随着频率增高阻抗越小，刚好跟公式w和C在分母上对应，随着频率增加，电容的阻抗降落。

在上面的电容阻抗公式中，我们知道了复数j对应的是角度（900），那么就来探索下j为什么对应了角度。
由于j是复数，那先让我们看下复数定义：对付任意实数,x,y形如：z=x+jy的数为复数。
x是实部y是虚部。

跟向量一样它可以用平面坐标表示，这个平面叫做复平面。

个中

利用直角坐标与极坐标的关系：

因此复数z=x+jy还可以表示为：

在利用神奇的欧拉公式：

那么复数z=x+jy还可以表示为：

在极坐标下我们知道一个向量可以由模值和角度表示，同理

是复数的的极坐标表示。
r是模值，φ是角度。

为什么要用极坐标表示呢，由于在这种表示法下，打算会很大略。

举个例子：

乘除法和微分打算：

在电路系统研究中我们喜好用正弦函数Acos(wt+φ)作为勉励源（输入）,由于它的形式比较大略，理论研究的很透彻，并且根据傅里叶变换所有的波形都可以由多个正弦函数叠加表示。
因此我们也用正弦函数作为勉励来研究稳态下的电容电路，这里有个名词叫做正弦稳态剖析（注：在电路研究中我们喜好把cos叫做正弦，但不影响我们对问题的研究）。

正弦函数有三个特色即：幅度A，角频率w和初相φ，知道了这三个特色后，就唯一确定一个正弦函数。
在正弦稳态电路中旗子暗记的频率是不会改变的，即输入是

的正弦，输出的还是

的正弦，只是幅度和相位可能会发生变革。
因此如果输入的正弦旗子暗记是已知的条件下，只用确定输出旗子暗记的幅度A和相位φ，就可以求出输出的正弦旗子暗记了。

比如输入的旗子暗记是

，这个形式是不是很熟习，没错可以算作复数z=r(cosφ+jsinφ)的实部。
即

，

在通过欧拉公式变换到极坐标:

,由于前面说过，正弦稳态电路中旗子暗记的频率不会发生变革，以是我们只用关心幅度和相位，因此令

,称其为电压振幅相量，它是一个与韶光无关的复数常量。
振幅相量是一个复数，但它具有分外意义，代表正弦波的幅度和相位，为了区分一样平常的复数，我们在字母头上加一个点。

好了这里就要引出电容阻抗了。

在开头的时候知道电容的时域关系是:

从而得出电容阻抗

现在我们推导出电容阻抗了，那90度怎么来的呢？这里由于

同理：

根据上面复数的极坐标中先容的

对应的便是角度，这里

。
现在知道了90度怎来的了吧。
往后公式中涌现

的时候要遐想到，要想到是90度。

我们这里为什么要做这么麻烦的处理呢，便是为了通过复数引入阻抗，这样正弦稳态电路的打算可以仿照电阻电路的打算来处理。
电容的电压电流关系就可以表示为：U=RCI。

须要把稳的是这里引入复数只是为了打算方便，实际上并不存在复数的电压和电流，也没有一个器件的参数会是虚数，复数只是对正弦稳态电路剖析的工具。

电容的理论剖析已经完了，接下来让我们看下常见的电容。

直插电容（Leaded capacitor）

险些以是电容都可以做成直插式，包括：电解电容，陶瓷电容，超级电容器，薄膜电容器，银云母电容器，玻璃和其他专业类型电容器。
直插电容一样平常有两条腿，体积比贴片式的大，表面有数字字母等标识。

直插电容的机器、温度等可靠性要优于贴片电容，比如机器振动大的场合只管即便用直插电容。

但是直插电容生产安装焊接调试拆卸等比较繁芜，体积较大，而且引线会带来寄生电感影响高频性能，比如射频小型化领域基本都是用的表贴式的。

贴片电容（Surface mount capacitor）

贴片电容的相对付直插电容更加受限，由于贴片电容没有引脚的缘故，在焊接过程中焊锡的高温会直接加在电容上,因此并不是所有的电容都适宜做成贴片式的。

常见的贴片电容包括:陶瓷电容、钽（tan）电容和电解电容。
陶瓷电容上面没有印字，钽电容和电解电容上面都有印字，包括正极（有横杠一边）指示、容量、耐压值和温度等信息。

贴片电容生产大略、本钱低，并且焊接的时候利用SMT（Surface mount technology），用回流焊，效率高，直插式的须要用波峰焊本钱高。

PCB寄生电容（Capacitor Parasitic）

PCB的构造跟平板电容器（

:介质的相对介电常数）很像，有两个极板，中间添补介质。
因不同的介质的介电常数不一样对应的电容不一样，因此有不同板材。
我们平时最常用的板材是FR4，

为4.4，属于低频板。
高频板比较有名的是罗杰斯4350B板材，

为3.66。

由于PCB上存在寄生电容，频率越高损耗越大，因此PCB走线（微带线）可等效为一个低通模型。
关于PCB的频率和阻抗特性，往后会详细先容。

好了接下来让我们看下详细的电容分类

不同的介质对电容的影响很大，因此电容紧张按介质分类：有陶瓷电容、电解质电容、薄膜电容。

陶瓷电容（Ceramic capacitor）

陶瓷电容分为两类：多层陶瓷电容和圆片瓷介电容。

目前用的最多的便是多层陶瓷电容MLCC( multilayer ceramic capacitor ),电容器跟PCB的寄生电容不一样，电容器希望在更小的体积内做出大容量电容，因此涌现了MLCC电容器，大致构造如下图所示

通过多层的构造增大电容量，总的电容量

。

目前日本村落田（muRata）可以做到封装是008004的体积上容量10nf，我们平时人工焊常用的0805封装是它的125倍，人头发的直径在0.1mm旁边，而它的宽只有0.125mm，跟头发丝差不多，可以想象下它多小了。

外界环境对电容内电介质（Dielectrics）的影响很大，因此电子工业同盟EIA(Electronics Industries Alliance)按照电介质的稳定性把MLCC陶瓷电容按照温度等级分类，ClassⅠ是超稳定型的，对电压、温度、频率和韶光都表现出优秀的特性。

ClassⅠ中最有名的便是C0G,在无源电子行业把C0G叫做NP0(Negative Positive Zero)便是正负温度系数为0。
这些类型的电容器电容比较小，常日不超过1nF（村落田现在可以做到100nF），紧张用于谐振电路和滤波，频率可以达到10MHz至30GHz之间。

ClassⅠ电容的编码（code）

村落田C0G电容：GRM31C5C2A104JA01，随频率温度电压变革图。

ClassⅡ、ClassⅢ是大容量型的。
虽然ClassⅠ很稳定，但是容量太小，对付噪声在1-40 MHz的旁路和电源去耦，则须要大容量的电容。
ClassⅡ、ClassⅢ多层电容器（MLCC）的电容值在1nF至100μF的范围内。

第二类电容中用的最多便是X7R，事情温度在-55到125

之间，±15%的精度，能胜任绝大多数场合。

ClassⅡ和Ⅲ电容的编码（code）

村落田X7R电容：GRJ55DR73A104KWJ1，随频率温度电压变革图。

电容随韶光的漂移

多层陶瓷电容器MLCC（Multilayer ceramic capacitor）

独石电容（Monolithic ceramiccapacitor）

独石电容实在便是带引脚的MLCC，国外叫做leaded-MLCC，由于有引线的缘故，独石电容一样平常比同种类型贴片MLCC频率低一点，但是可靠性比贴片电容高。

圆片瓷介电容（Disc ceramic capacitors）

圆片瓷介电容也叫做瓷片电容，形状呈圆盘状，跟MLCC不一样的是它里面只有一层介质和一对电极，因此其容量比MLCC要小（小于0.1uF），耐压值可以做到kV，适宜做高压电容。

电解质电容器（Electrolytic capacitor

电解质电器包括两大类，一种是内部是电解液的液态电解电容器（Liquidelectrolyte capacitor），还有一种是固态的聚合物或者高分子的固态电解电容器(Solidelectrolyte capacitor)。

铝电解质电容（Aluminum Electrolytic Capacitor）

铝电解电容器由两块铝箔和浸入电解液的纸质隔片制成。
两个铝箔之一覆盖有一层氧化物层，该铝箔充当阳极，而未镀膜的铝箔充当阴极。

聚合物铝电解电容(Polymer aluminum electrolytic capacitor)

村落田制作所“ECAS系列”聚合物铝电解电容器通过以多层铝箔构造为阳极、固体导电聚合物为阴极实现低ESR、低阻抗和高静电容量。
ECAS系列具有无偏压特性和稳定的温度特性，在纹波接管、滤波和瞬态相应方面具有精良性能，堪称各种运用的空想之选。

因此，该系列产品适用于各种供电电路的输入输出电流的滤波，并当CPU周边设备的负载变革超出范围时作为备用装置利用。
该系列产品有助于减少元件数量、节省基板空间。

钽电容（Tantalum capacitor）

钽电容器是电解电容器的一种。
它们由充当阳极的钽金属制成，并被一层充当电介质的氧化物覆盖，并且被导电阴极包围。
钽的利用许可非常薄的介电层，因此钽电允许可在同等体积下做出高容量的电容。

下图是聚合物钽电容的构造图，固态钽电容跟聚合物钽电容构造差不多，不同的是阴极把导电聚合物换成MnO2。

固体电解电容用具有事情温度范围宽，构造紧凑，ESR低和抗纹波电流高的优点，但唯一的缺陷是事情电压低于35V。

液体电解质通过离子传导作为电荷转移，固体电解电容器利用电子传导进行电荷转移，因此电导率比铝电解电容器高4或5位数，等效串联电阻ESR更小。
适宜在须要在快速相应或抗纹波电流能力强的设备中利用。

薄膜电容（Film capacitor）

薄膜电容器是一种利用塑料薄膜作为电介质的电容器。
它们相对便宜，随韶光稳定并且具有低自感和ESR，薄膜电容器可以承受较大的无功功率，体型较大，常用于电力电子行业。

薄膜电容大致分为两类：金属箔薄膜电容(Film/Foil)和金属化薄膜电容(Metallized Film)

金属化薄膜电容具有自我修复的功能，失落效的状态是开路，而陶瓷电容和电解质电容都是短路，因此金属化薄膜电容安全性能非常高。

CBB电容

到这里已经把常见的电容讲解完了，这里做个总结：

陶瓷电容：可以把温度电压和频率特性做的很好，但是没法做成大容量的。
电解电容：可以做成高容量，但是频率比较低，而且有极性，没法处理有极性的旗子暗记。
薄膜电容：性能堪比NP0，无极性，容量也很大，高耐压，大功率，而且失落效状态是开路安全可靠，不会涌现短路烧毁爆炸等征象。
缺陷便是体积太大。
（不过现在薄膜电容也开始涌现贴片封装的了）

延伸阅读

实际运用的电容都存在电感电阻等非空想特性，大略的等效模型如下图所示

总阻抗：由于并联的电阻很小，可以忽略不计，因此总的阻抗可以表示为：

这里 Z是总的阻抗

是串联等效电阻

Xc是容抗：

是感抗：

损耗因子DF(Dissipation Factor)：也叫做损耗角正切，是互换运用下电容器损耗的量度。
它是等效串联电阻与电容电抗的比率，常日以百分比表示。
上面的矢量图解释了DF，ESR和阻抗之间的关系。
损耗因子的倒数称为“ Q”或品质因数。
为方便起见，“ Q”因子常日在损耗因子特殊小的时候才用。

电容分类：

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做什么

滤波电容

电容作为滤波功能利用是电容的一项主要特性。
滤波功能利用的是电容的阻抗随频率变革的特性（前面说过电容是一个跟电阻差了90度并且随着频率变革的器件），再利用电阻篇讲的分压事理，就可以构成大略的无源RC滤波器了。
滤波指的是滤出不须要频率的波形,滤波器的类型有低通、高通、带通、带阻。

举个例子：

设计一个频率为1Kz的一阶低无源低通RC滤波器。

先确定滤波器的形状和电容的大小，然后再求出电阻的值。

首先电容不可能是串联在电路中，如果串联在电路中那么直流没法通过，那么就不是低通滤波器了。
因此确定了如图所示的分压模式。

电容的选取，有很多讲究。
须要要根据输入输出阻抗，滤波器哀求的精度，频率大小，现有电容器种类等选择。
这里先选择一个100nF的电容，由于高精度的电容容值都不大，并且1Kz频率下100nF电容的阻抗约即是1.59K,那么对应的电阻R1也在1k旁边，电阻在1K-10K之间是工程师最常用的，由于阻值在这个范围电阻的功耗不大，并且热噪声也相对较小（电阻越大热噪声越大）。

因此先确定电容为100nF。
那么可能有人会问，为什么不先确定电阻，再选电容呢？这就要考虑实际情形了，由于电阻的种类比电容多很多，选取相对随意马虎，因此这里要先定电容，再根据电容的阻抗选取电阻。

接下来让我们分压公式，来打算这个滤波器输入输出关系

滤波器通带的-3dB截止频率为

根据复数的模值打算方法

通过公式可以看出一阶无源RC滤波器-3dB截止点，只须要

也可以通过复平面的方法直不雅观描述，如下图所示：

1+jwC的复平面表示

通过复平面可以看到

模值随着w增加而增加，而

则减。
上面已经求得，在滤波器通带截止的时候输出输入的关系是

，那么通过复平面很随意马虎创造，当wRC=1的时候，模式为

，并且通过图形可以直不雅观看出相位差了-45度。

把

带入仿真软件Multisim中，不雅观察器幅频和相频特性。

仿真的幅频和相频特性跟理论剖析同等。

滤波器的剖析是利用电容阻抗分压事理进行打算的。
电容的丈量也可以利用与已知电阻，阻抗分压事理打算。

如下图所示，R1是已知电阻为1.59k，输入旗子暗记为Vi，通过丈量输出旗子暗记Vo求未知电容C1的值。

这里抛出一个问题：如果丈量的电压Vo刚好是总电压Vi的一半，那么电容的阻抗刚好即是R1吗？（我们知道如果C1是电阻的话，可得测试待测电阻大小就为R1）在之后的RLC丈量篇中我会详细先容。

隔直电容

隔直电容严格的讲归类在滤波电容里面，只不过隔直电容太过主要且常用，因此单独拿出来讲解。

隔直电容利用的是电容阻直流利互换的性子。

在工程运用或者竞赛中，常常会哀求输出正负对称无直流分量的波形，由于直流不仅不携带信息（直流也可以携带信息，但相对付互换携带信息太少），而且还会增加系统的功耗或者导致系统饱和。

举个例子：

我们用的DA芯片基本都是单极性的，只能输出正值0V以上的波形，那么怎么变成正负对称的呢？全部是单电源的系统怎么输出双极性的波形呢？

如下图所示，选择一个得当的隔值电容C1串连在系统中，就可以办理这些问题。

常日隔直电容容值都比较大，那么到底有没有一个明确的选择标准呢？当然还是有的，隔直电容须要根据频率和负载电阻来选择。
如果你仔细不雅观察的话，隔直电容和负载电阻实在还是构成了一个分压网络，可以归类到高通滤波器。
在滤波电容那里我们得到一个结论便是当电阻的阻抗即是电容的阻抗的时候，刚好在通带的截止频率处，此时

，我们这里只是想把直流分量去掉，对互换分量不作衰减，因此须要让电容的阻抗远小于电阻的阻抗，这样互换旗子暗记在负载电阻上分到的电压就远大于电容上的电压，即须要的互换电压全部加在负载上，此时互换分量

。

知道了怎么利用电容把非对称的波形变成对称的了之后，反过来怎么给对称的波形，加一个直流分量呢？

这里的电容C1也叫做耦合电容，当频率高的时候隔离电阻可以换成电感，这样效果更好。
想让偏执电压受控的话，可以把这电源VDC换成DA，或者接一个电位器手动调节。
这里还利用到直流利路和互换通路的观点，往后会详细讲解。

去耦电容

去耦和旁路可以算成一类，都是利用电容把高频噪声导入GND，是电容中运用最广的一类。

去耦电容常用在芯片电源管脚处，间隔管脚越近越好，一样平常是用容值一大一小的两个电容，并且电容要放在电流的入口处，小电容在里面，大电容在外边。
小电容滤高频，大电容滤低频。
去耦电容一样平常选取0.1uF和10uF。

电源的干净程度（噪声多少）决定了全体系统性能的优秀程度，电源噪声一部分是电源自身产生的，比如开关电源的开关噪声，还有很大一部分是芯片事情的时候产生的耦合到电源上，比如数字芯片，会按照固定的Clock运行，门级开关的导通与断开或者大功率器件的按照一定时序事情，都会让电源产生一定程度的颠簸。
为了不让产生的这些噪声，影响到别的器件正常事情，或者影响到自身的正常事情，须要在芯片电源管脚处加电容进行去耦。

关于电源去耦还有很多知识，在电感和EMI的文章中往后将会详细先容。

这里在轻微讲解下为什么是小电容滤高频，大电容滤低频。

大家有没有很好奇大电容滤低频可以理解，那么为什么大电容不能滤高频呢，不是电容越大频率越高，阻抗就越小，滤波效果就越好吗？那电源去耦那里直接用一个大容量又便宜的电解电容不就办理了吗？为什么一样平常的芯片管脚都用两个一大一小的电容乃至有些射频芯片还用4个呢？

通过下面的这张不同容值的电容阻抗随频率变革的图就可以看出了，前面在延伸阅读那里有提到，实际的电容模型，存在串联电感，因此阻抗不会随着频率升高一贯低落，存在一个谐振点，过了谐振点电容器整体呈感性，随着频率升高阻抗变大。

电容越大串联电感就越大，谐振频率就越低，导致大容量的电容在高频的时候还没小电容阻抗低，也便是大电容在高频滤波效果不如小电容。

储能电容

储能电容一种是用在电源入口出，或者大功率器件阁下，为了减少由于功率器件溘然事情产生时，电源相应速率不足，而带来电压颠簸。

还有一种是在开关电源中和电感一起作为储能元件利用。

可以把稳压电源想象成为如下的一种环境：当试图从一个直径较大的自来水管中取出连续不断的且较小的水流时，可以采取两种策略：一种是利用一个转接阀门，并将阀门开启在较小位置，这便是线性电源的事情事理（可以将阀门看作晶体管）。

线性电源的电压调度晶体管上承受着很大的“压力”（详细的表现是转换为热能的形式散耗）；或者，可以改进一下，让大水管的水流到一个比较大的“水桶”里，小水管连接到这个水桶上打水，接着，须要做的便是断续的打开/关闭大水管上的阀门，担保水桶内的水既不会完备没有，也不会由于太多而溢出——开关电源的基本事理便是如此。

这里的电容和电感储存能量便是充当“水桶”的观点，负载RLoad在电容电感上获取能量。

Buck电路（降压）

Boost电路（升压）

谐振电容

谐振电容与电感一起组成LC谐振电路，有时候也叫做LC震荡电路。
包括LC串联谐振和LC并联谐振。
谐振电路广泛运用在滤波、选频、调谐等电路。
谐振电路往后会详细先容。

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买什么

如何选取电容很大程度上取决于电容的用场。
由于设计时要寻求本钱和性能的最佳平衡，以是必须考虑所用场合，例如：隔直耦合和旁路选择低精度的电容，由于这三种用场对容值变革不敏感。
滤波、谐振之类的则须要用高精度的电容，电源设计须要高功率，高耐压的电容。

下面先容说下我在工程上常用的电容：

跟电阻一样这里推举利用购买全系类的电容样品本，里面是NP0和XR7系列的贴片MLCC。
性能优秀，但是缺陷便是机器性能不好，随意马虎断裂，不能永劫光焊接，温度也不能太高，反复焊接电极随意马虎脱落。
在做PCB高频小型化的时候建议利用。

还有购买系列的独石电容，机器性能很好，建议做高精度滤波器的时候利用独石电容（NP0和X7R）。
尤其是在洞洞板（万用板）上焊接的时候，如果你利用贴片电容，你会创造焊好的滤波器摔下就坏了，以是建议在洞洞板上焊接滤波器，利用独石电容。

电解电容价格便宜容量大耐压高，在电源去耦和储能上利用。