电容基础---电容种类和ESR（等效串联电阻）

Jacktang

电容基础---电容种类和ESR（等效串联电阻） [复制链接]

一、电容的不同种类

 

电容的种类有很多，常见的有铝电解电容、钽电容、陶瓷电容、薄膜电容……。以下我整理了一份不同种类电容的主要特征，供参考：

 

图1-不同种类电容的特征

 

二、电容的ESR（等效串联电阻）和ESL（等效串联电感）

 

在电路仿真软件中，一个电容就是一个电容，你不用特别告诉软件这是一个铝电解电容还是一个陶瓷电容。而在真实电路下，电容的表现并不纯粹，电容往往还伴随着电阻和电感的特性。不同种类的电容在这方面的表现并不一致，所以需要择优选取。

 

为了易于分析电容在真实情况下的表现，一个电容会被表示成由“一个电容+一个电阻+一个电感”组合而成的形式：

 

图2-真实情况下的电容等效电路（ESR+ESL）

 

其中，电阻称为ESR（Equivalent Series Resistance，等效串联电阻），电感称为ESL（Equivalent Series Inductance，等效串联电感）。

 

先说一下ESR，纯粹的容性负载是不消耗功率的，而由于ESR的存在，电容会做功，从而导致温度上升。我们用仿真软件来看一下ESR带来的影响：

 

图3-ESR的影响

 

图中，10uF的电容被表示成10uF+10Ω（ESR），没考虑ESL。为了说明ESR的影响，我特意扩大了ESR阻值到10Ω。可以看到ESR上是有电压，这就会做功和发热。

 

有些电容的规格书上会描述其ESR的阻值，还有些会描述一个“Dissipation factor”的指标，用于表明ESR的影响：

图4-Dissipation factor（DF）指标

 

DF可以理解为ESR与容抗的比值，即：DF=ESR/Xc。图中之所以注明120Hz的条件，是因为Xc容抗的计算与频率有关。

Jacktang

如果没有电容元器件的规格书，也可以用LCR等仪表来测量电容的ESR，不过好的仪表通常比较贵，网上也有一些简易方案，可以搜一下：

 

图5-ESR测量仪表

 

再提一下ESL，电容的阻抗和频率息息相关，在输入信号频率较低的时候，电容Xc容抗的表现更明显；随着频率升高，ESR的表现更明显，因为Xc降低；而随着频率再升高，ESL的表现更明显：

图6-电容阻抗随频率变化（ESR、ESL）

 

不同种类的电容在不同输入信号频率情况下，阻抗表现很大差异：

图7-典型电容阻抗变化

 

三、为什么大电容上还并联小电容？

 

经常看到大电容上还并联小电容，比如，一个大的铝电解电容上再并联加上一个小的陶瓷电容，这是为什么？难道一个大电容的容量还不够吗？

图8-大电容并联小电容

 

从图7中，可以看到铝电解电容在高频情况下，表现非常糟糕，ESR很大，几乎无法滤波，所以需要小电容来针对高频进行辅助滤波。

 

事实上，100nF/0.1uF电容在单片机类电路中随处可见，也是习惯性设计行为，只要想对这些IC做一些高频滤波（KHz～MHz），就放一颗100nF/0.1uF上去。

 

四、超级电容能否代替电池？

 

在前几篇的动手实验中，我们使用到了1F的超级电容，对于低功耗电路，由于超级电容容量大，所以可以持续为电路供电很长时间。那么不禁想到，是否能用超级电容来代替电池呢？

 

我理解有几个方面的考量：

 

1. 能量

 

从储存能量的角度，超级电容不见得能比得过电池。譬如一个常见的AA 5号电池（1500mAh），对比500F的超级电容（体积更大），其储存的能量计算如下：

图9-电池vs超级电容的储存能量

 

所以能量方面，超级电容并不占优势。

 

2. 电压

 

电池在整个使用过程中，电压都能保持相对恒定，一颗5号电池，就算电量快要用完，还能保持1V以上电压。而超级电容就无法做到电压在整个放电过程中的相对恒定，所以这方面也不占优势。

 

3. 电流

 

超级电容能占优势的是输出电流，这也和我们今天所讲的ESR有关。

 

下图是一个AA 5号电池的内阻，一般都在100mΩ以上：

图10-AA 5号电池的内阻

 

下图是一个超级电容的内阻，一般只有1mΩ不到：

图11-超级电容内阻ESR

由于内阻/ESR的原因，超级电容可以轻松输出数十A的大电流，而普通电池只能输出数A的电流，这就是超级电容最大的优势。

uaeng

讲得太详细太好了，谢谢分享！

Jacktang

uaeng 发表于 2020-10-25 12:55 讲得太详细太好了，谢谢分享！

电容使用要以手册为主，毕竟厂家是做过实验。