电容是电容器的简称。电容是一种储能元件,是电子线路中不可缺少的重要元件。电容器是由两个相互靠近的金属电极板,中间夹绝缘介质构成的。在电容的两个电极上加电压时,电容器就能储存电能。手机中的电容一般为多层陶瓷电容和贴片钽电解电容,其中多层陶瓷电容在智能手机中最为常见。
电容广泛用于高低频电路和电源电路中,可起到耦合、滤波、旁路、谐振、升压、定时等作用。
在智能手机中电容的数量仅次于电阻,贴片多层陶瓷电容是手机中最常见的一种电容,是手机中使用量最多的一种。
贴片多层陶瓷电容表面颜色从黄色到浅灰色都有,且上下两面的颜色一致;贴片多层陶瓷电容一般没有黑色,而且看起来比电阻更“胖”一点;贴片多层陶瓷电容两端的颜色是银白色,是电容的焊点,如图2-12所示。
图2-12 贴片多层陶瓷电容外形特征
贴片多层陶瓷电容是无极性电容。
贴片钽电解电容表面颜色一般为黑色或黄色,也有其他颜色,但是不多见。贴片钽电解电容的表面标注了电容容量和电容的耐压值,如图2-13所示。
图2-13 贴片钽电解电容外形特征
贴片钽电解电容是有极性电容,在贴片钽电解电容的表面,有标志线或凸起的一端是正极。
在手机电路原理图中,无极性电容符号一般是两条平行线,然后在这两条平行线上引出两条引线来,无极性电容没有极性区分。
无极性电容的符号如图2-14所示。
图2-14 无极性电容电路符号
在有极性电容中,有“+”符号的一端为电容的正极,在国标旧电容符号中,电容正极用一个矩形表示。
有极性电容的符号如图2-15所示。
图2-15 有极性电容电路符号
电容器是一种能储存电荷的容器,它是由两片靠得较近的金属片,中间再隔以绝缘物质而组成。
可以将电容理解为一个蓄水池,蓄水池越大,蓄水池装满水后水量越大,其标称电压就相当于蓄水的水位对底部的压强。电容器容量的大小,就相当于蓄水的容积。水源流入时大时小(波动),不会影响用水的稳定性。如果用水量大于水源,蓄水池没有水了,其流量和水源流入一样(波动)。所以电容起到“蓄水”的作用。
在电路中,电容也有串联与并联两种接入方式,两个电容首尾相接中间无分支就是串联,两个电容首首连接、尾尾连接则是并联,如图2-16所示。
图2-16 电容的串并联
但电容的串/并联与电阻的串/并联不同,电容的串联使电容的总电容减少,并联使总电容增大。
电容器并联时,相当于电极的面积加大,电容量也就加大了。并联时的总容量为各电容量之和,即 C 并 = C 1 + C 2 + C 3 +……电容并联时,耐压值取决于耐压最小的电容,这个有点类似于木桶原理。一个木桶能盛多少水,不取决于最长的那块木板,而是由最短的木板决定。
电容串联时,相当于电容极板距离变长,电容容量减少,串联时电容总容量为各电容倒数之和。 C 串 =1/ C 1 +1/ C 2 +1/ C 3 ……电容串联时,耐压值相当于所有电容耐压值之和。
①“隔直通交”特性
电容的电路符号很形象,是两块相互绝缘的平行板,这也表明了它的基本功能:隔直通交,电容的一切功能都源自于此。
对于恒定直流电来说,理想的电容就像一个断开的开关,表现为开路状态。而对于交流电来讲,理想电容则为一个闭合开关,表现为通路状态,如图2-17所示。
图2-17 电容的隔直通交特性
图2-17详细描述了直流电受电容阻挡的原因。事实上,电容并非立刻将直流电阻隔,当电路刚接通时,电路中会产生一个极大的电流值,然后随着电容不断充电,极板电压逐渐增强,电路中的电流不断减小,最终电容电压和电源电压相等且反向,从而达到和电源平衡的状态。
这里有很关键的一点需要明确,无论是直流还是交流环境,理想的电容内部是不会有任何电荷(电流)通过的。只是两极板电荷量对比发生了变化,从而产生了电场。
②储能特性
把电容的两个电极分别接在直流稳压电源的正、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(可以用万用表观察),可以说电容储存了电荷。电容极板间建立起电压,积蓄起电能,这个过程称为电容的充电。充好电的电容两端有一定的电压,电容储存的电荷向电路释放的过程,称为电容的放电。
电容的储能特性如图2-18所示。
图2-18 电容的储能特性
③容抗特性
交流电能够通过电容,但是将电容接入交流电路中时,由于电容不断充电、放电,所以电容极板上所带电荷对定向移动的电荷具有阻碍作用,物理学上把这种阻碍作用称为容抗,用字母Xc表示。电容对交流电的阻碍作用叫作容抗。
电容量大,交流电容易通过电容,说明电容量大,电容的阻碍作用小,信号通过电容后,其幅度会发生变化,即电容输出端的信号幅度比输入端的小。
交流电的频率高,交流电也容易通过电容,说明频率高,电容的阻碍作用也小。电容的容抗随信号频率的升高而减小,随信号频率的降低而增大,对于交流信号,频率高的信号比频率低的信号更容易通过电容到其他电路中去。
电容的符号是C,在国际单位制里,电容的单位是法拉,简称法,符号是F,常用的电容单位有毫法(mF)、微法(μF)、纳法(nF)和皮法(pF)(皮法又称微微法)等。
换算关系是:1法拉(F)= 1000毫法(mF)=1000000微法(μF),1微法(μF)= 1000纳法(nF)= 1000000皮法(pF)。
①直标法
用数字和单位符号直接标识。如10μF表示10微法,有些电容用μ表示小数点,如μ47表示0.47微法。
例如:100,表示100μF,如图2-19所示。
图2-19 直标法
②文字符号法
用数字和文字符号有规律地组合来标识容量。如p10表示0.1pF,1p0表示1pF,6p8表示6.8pF,2μ2表示2.2μF。
③数学计数法
用三位数字标识,前两位表示有效数字,第三位表示在有效数字后面0的个数。例如:107,表示量为:10×10000000pF=100μF;如果标值473,即为47×1000pF=0.047μF(后面的7和3,都表示10的多少次方)。又如:332=33×100pF=3300pF。
数学计数法如图2-20所示。
图2-20 数学计数法
电容在手机电路中具有隔直通交、通高频阻低频的特性,广泛应用在耦合、隔直、旁路、滤波、调谐、能量转换和自动控制等电路。
它接在直流电压的正负极之间,以滤除直流电源中不需要的交流成分,使直流电平滑,通常采用大容量的电解电容,也可以在电路中同时并接其他类型的小容量电容以滤除高频交流电。
在手机中,滤波电容主要应用于电源管理电路、供电电路等,如图2-21所示。
图2-21 滤波电容
所谓退耦,即防止前后电路电流大小变化时,在供电电路中所形成的电流冲动对电路产生影响。换言之,退耦电路能够有效地消除电路之间的寄生耦合。
退耦电容并接于放大电路的电源正负极之间,防止由电源内阻形成的正反馈而引起的寄生振荡。退耦电容的取值通常为47μF ~200μF,退耦压差越大,电容的取值应越大。所谓退耦压差指前后电路网络工作电压之差。
在手机的功放电路中,供电脚都接有大容量的退耦滤波电容,这个电容的作用是用来稳定功放的供电电压,可以大大减小负载等的波动对电源的影响,这就是退耦作用。退耦电容多采用贴片钽电容和贴片铝电解电容。
旁路,是指给信号中的某些有害部分提供一条低阻抗的通路。在交直流信号电路中,将电容并接在电阻两端或由电路的某点跨接到公共电位上,为交流信号或脉冲信号设置一条通路,以避免交流信号成分因通过电阻产生压降衰减。
电源中高频干扰是典型的无用成分,需要将其在进入下一级电路之前滤除掉,一般我们采用电容达到该目的。用于该目的的电容就是旁路电容,它利用了电容的频率阻抗特性(理想电容的频率特性随频率的升高,阻抗降低),可以看出旁路电容主要针对高频干扰(高是相对的,一般认为20MHz以上为高频干扰,20MHz以下为低频纹波)。
旁路电容和退耦电容的区别是:旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象,而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象,防止干扰信号返回电源。
退耦电容和旁路电容的应用如图2-22所示。
图2-22 旁路电容和退耦电容在电路中的应用
在交流信号处理电路中,耦合电容用于连接信号源和信号处理电路或者作为两个放大器的级间连接,用于隔断直流,让交流信号或脉冲信号通过,使前后级放大电路的直流工作点互不影响。
耦合电容的应用如图2-23所示。
图2-23 耦合电容
在手机中,以上4种用途是最常见的,除此之外,电容在电路中还有调谐、补偿、中和、稳频、反馈等作用。