电容器基础知识

一、电容器基础
电容器基本模型是一种中间被电介质材料隔开的双层导体电极所构成的单片器件，如图1所示。

这种介质必须是纯绝缘材料，它的特性在很大程度上决定了器件的电性能。

介质特性取决于电介质材料对电荷的储存
能力（介电常数）和对外电场的本征响应，也
就是电容量，损耗特性、绝缘电阻、介质抗电
强度、老化速率以及上述性能的温度特性。

图1 单层平板电容器
通常，电容器采用的介质材料见表1，主要包括：空气（介电常数K 几乎与真空相同，定义为1）；天然介质：如云母，介电常数（K）为4～8；合成材料：如陶瓷，K值范围由9～1500。

电容器所用陶瓷介质是以钛酸盐为主要成份，可以通过配方调整制成具有极高介电常数和其他适当电特性的介质材料。

这是陶瓷电容器，尤其是片式多层陶瓷电容器（MLCC）技术的基础。

MLCC制造过程中的所有工艺和其它材料的确定原则都趋向于实现其介电性能的最优化。

表1 各种材料的介电常数
材料介电常数材料介电常数
真空 1.0 玻璃 3.7～19
空气 1.004 氧化铝9
聚酯(PET膜) 3 氧化钛（TiO2）85～170
(随晶轴方向变化)
纸4～6 钛酸钡（BaTiO3）1500 云母4～8 陶瓷（综合各种特性配制的复合体）20～15000
2500×1.0×(1.0)
C = = 10027 pF
4.452×0.056
对于同一电容器，采用公制体系，换算因子f=11.31，尺寸用cm，容值也用微微法（pF）表示,，则：
2500×2.54×2.54
C = =10028pF
11.31×0.1422
可见，电容量和几何尺寸的关系是很明确的，增大电极面积和减少介质厚度，均可获得较大容量值。

然而，无休止地增大单层电容器的面积或减少介质的厚度是不切合实际的。

因此，提出了平行阵列式迭层型电容器的新概念，按这种方式可以制造比体积电容很大的单个器件，如图2所示。

在这种“多层”结构中，由于平行地排列
了多层电极，使电极有效面积A’得以增大，而
在电极间的介质厚度t ’则有可能进一步减薄，
因此，电容量C随介质层数N的增大和介质厚
度t ’的减小而增大。

这里，A ’是两两相对的交
错电极重合面积：
图2 MLCC结构图
KA’N
C =
4.452t’
用同样的介质材料，过去在1.0英寸×1.0英寸×0.056英寸单层电容器上所获得的容量，现在以30层介质厚度为0.001英寸的多层电容器即可获得。

迭层结构所需尺寸仅为0.050英寸×0.040英寸×0.040英寸，电极重合面积A ’为0.030英寸×0.020 英寸。

所谓温度系数及其允许偏差的含义为：电容器实测的温度系数值并非严格的线性关系，但只要数值不超过EIA代码最后一个字母所规定的允许偏差范围就可以接受。

如图3(a)所示为C0G介质温度系数。

表2中其它特性组别举例如下，并示于图3(b)：
EIA代码温度系数及其允许偏差简码
C0G 0 ppm/℃±30 ppm/℃（NP0）
R2G -220 ppm/℃±30 ppm/℃（N220）
S2H -330 ppm/℃±60ppm/℃（N330）
U2J -750 ppm/℃±120ppm/℃（N750）
T3K -4700 ppm/℃±250ppm/℃（N4700）
M7G +100 ppm/℃±30 ppm/℃（P100）
(a) (b)
图3 C0G及其它1类陶瓷介质温度系数
两种类型的1类瓷介电容器适用于电路要求高稳定性或温度补偿的功能，其介电常数无老化或老化率极低可忽略不计，且损耗极低。

电容量和
介质损耗随电压或频率的变化为零或忽略不计。

表3列举了EIA所规定的2
类陶瓷介质分类。

用于MLCC制
造最普遍的中K材料为X7R组别
（ΔC/C最大值±15%，-55℃到
125℃），和X5R组别（ΔC/C最大
值±15%，-55℃到85℃）。

高K
类，Z5U特性（+10℃到+85℃之
间，ΔC/C极大值在+22%到-56%
之间），和Y5V特性（-30℃到
+85℃以内ΔC/C极大值在+22%到-82%之间）最为普遍。

如图4所示。

图4 2类瓷的温度特性
五、MLCC的基本电性能
1、标称电容量及其允许偏差
根据IEC60063，GB/T2471等电容器、电阻器的优先数系规定，电容量的标称值优先采用E6、E12、E24系列，对应的允许偏差分别为M（±20%）、K（±10%）、J（±5%）。

例如：Z5U和Y5V组别采用E6系列，对应于M（±20%）级精度。

6个优先系列数之间的范围被设定的允许偏差值覆盖。

即，第一个优先数允许偏差值的上限与第二个优先数允许偏差值的下限恰好相互重合，如表4所示。

这样，在6个优先系列数之间不存在空隙。

换句话说，采用优先系列数作为电容量的标称值及其允许偏差，就不会出现电容量值的废品。

表4 E6系列优先数允许偏差的上下限值
6.8±20% 4.7±20% 3.3±20% 2.2±20% 1.5±20% 1.0±20%
上限下限上限下限上限下限上限下限上限下限上限下限
8.16 5.44 5.64 3.76 3,96 2.64 2.64 1.76 1.8 1.2 1.2 0.8
器电阻部份的存在，加在实际电容器两端
电流超前于电压的相位不足90°，它与理
想电流间的相位差角是一定的，这一角度
的正切值定义为损耗角正切值T anδ或写
作Tgδ。

（也有人习惯称之为损耗因子DF，
不过从物理意义上不太准确）。

如图5所
示。

图5 实际电容器的损耗角
在高频应用时，常用损耗角正切值的倒数，称为“Q值”，即：品质因数。

Q=1/Tanδ
3、绝缘电阻
绝缘电阻是在直流偏压梯度作用下，材料抗漏电流能力的量度。

物理量表示为Ri，英文缩写IR。

测量电容器的绝缘电阻的时候，重要的是考虑绝缘电阻与容量的关系。

容量值与绝缘电阻成反比，即容量大，绝缘电阻低。

这是因为电容量与漏电流是正比关系。

Ri是电容量的函数，其测量值与电容量测定值成反比，因此，工业标准中绝缘电阻最小值是由产品绝缘电阻（Ri）和容量（C）的乘积（Ri×C）所决定的，单位为欧姆-法拉（Ω-F），通常又可表示为兆欧-微法（MΩ-μF），也可写为时间常数，秒（s）。

国际电工委员会IEC和中国国家标准GB要求MLCC在25℃时Ri×C不低于100Ω-F。

而美国军用标准MIL和中国国家军用标准GJB，要求MLCC在25℃时R×C不低于1000Ω-F。

在125℃时不低于100Ω-F。

如表6所示。

通常，电介质具有很高的电阻，测量值单位用10的高次方倍欧姆表示：。