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                              電容的工作原理及電容的分類選擇與應用

                              發布時間:2019-07-24 15:26人氣:1349

                              電容的工作原理及電容的選擇應用?什么是電容?電容的單位是什么?本文將詳細為您解答! 話說電容之一:電容的作用 作為無源元件之一的電容,其作用不外乎以下幾種: 1、應用于電源電路,實現旁路、去藕、濾波和儲能。 電容的工作原理及電容的選擇應用?什么是電容?電容的單位是什么?本文將詳細為您解答!

                              話說電容之一:電容的作用

                              作為無源元件之一的電容,其作用不外乎以下幾種:

                              1、應用于電源電路,實現旁路、去藕、濾波和儲能的作用。下面分類詳述之:

                              1)旁路

                              旁路電容是為本地器件提供能量的儲能器件,它能使穩壓器的輸出均勻化,降低負載需求。 就像小型可充電電池樣,旁路電容能夠被充電,并向器件進行放電。 為盡量減少阻抗,旁路電容要盡量靠近負載器件的供電電源管腳和地管腳。 這能夠很好地防止輸入值過大而導致的地電位抬高和噪聲。地彈是地連接處在通過大電流毛刺時的電壓降。

                              2)去藕

                              去藕,又稱解藕。 從電路來說, 總是可以區分為驅動的源和被驅動的負載。如果負載電容比較大, 驅動電路要把電容充電、放電, 才能完成信號的跳變,在上升沿比較陡峭的時候, 電流比較大, 這樣驅動的電流就會吸收很大的電源電流,由于電路中的電感,電阻(特別是芯片管腳上的電感,會產生反彈),這種電流相對于正常情況來說實際上就是一種噪聲,會影響前級的正常工作,這就是所謂的“耦合”。

                              去藕電容就是起到一個“電池”的作用,滿足驅動電路電流的變化,避免相互間的耦合干擾。將旁路電容和去藕電容結合起來將更容易理解。旁路電容實際也是去藕合的,只是旁路電容一般是指高頻旁路,也就是給高頻的開關噪聲高一條低阻抗泄防途徑。高頻旁路電容一般比較小,根據諧振頻率一般取0.1μF、0.01μF 等;而去耦合電容的容量一般較大,可能是10μF 或者更大,依據電路中分布參數、以及驅動電流的變化大小來確定。

                              旁路是把輸入信號中的干擾作為濾除對象,而去耦是把輸出信號的干擾作為濾除對象,防止干擾信號返回電源。這應該是他們的本質區別。

                              3)濾波

                              從理論上(即假設電容為純電容)說,電容越大,阻抗越小,通過的頻率也越高。但實際上超過1μF 的電容大多為電解電容,有很大的電感成份,所以頻率高后反而阻抗會增大。有時會看到有一個電容量較大電解電容并聯了一個小電容,這時大電容通低頻,小電容通高頻。電容的作用就是通高阻低,通高頻阻低頻。電容越小低頻越容易通過,電容越大高頻越容易通過。具體用在濾波中,大電容(1000μF)濾低頻,小電容(20pF)濾高頻。曾有網友形象地將濾波電容比作“水塘”。由于電容的兩端電壓不會突變,由此可知,信號頻率越高則衰減越大,可很形象的說電容像個水塘,不會因幾滴水的加入或蒸發而引起水量的變化。它把電壓的變動轉化為電流的變化,頻率越高,峰值電流就越大,從而緩沖了電壓。濾波就是充電,放電的過程。

                              4)儲能

                              儲能型電容器通過整流器收集電荷,并將存儲的能量通過變換器引線傳送至電源的輸出端。 電壓額定值為40~450VDC、電容值在220~150 000μF 之間的鋁電解電容器(如EPCOS 公司的 B43504 或B43505)是較為常用的。根據不同的電源要求,器件有時會采用串聯、并聯或其組合的形式, 對于功率級超過10KW 的電源,通常采用體積較大的罐形螺旋端子電容器。

                              2、應用于信號電路,主要完成耦合、振蕩/同步及時間常數的作用:

                              1)耦合

                              舉個例子來講,晶體管放大器發射極有一個自給偏壓電阻,它同時又使信號產生壓降反饋到輸入端形成了輸入輸出信號耦合, 這個電阻就是產生了耦合的元件,如果在這個電阻兩端并聯一個電容, 由于適當容量的電容器對交流信號 較小的阻抗,這樣就減小了電阻產生的耦合效應,故稱此電容為去耦電容。

                              2)振蕩/同步

                              包括RC、LC 振蕩器及晶體的負載電容都屬于這一范疇。

                              3)時間常數

                              這就是常見的 R、C 串聯構成的積分電路。當輸入信號電壓加在輸入端時,電容(C)上的電壓逐漸上升。而其充電電流則隨著電壓的上升而減小。電流通過電阻(R)、電容(C)的特性通過下面的公式描述:

                              i = (V / R)e - (t / CR)

                              話說電容之二:電容的選擇

                              通常,應該如何為我們的電路選擇一顆合適的電容呢?筆者認為,應基于以 下幾點考慮:

                              1、靜電容量;

                              2、額定耐壓;

                              3、容值誤差;

                              4、直流偏壓下的電容變化量;

                              5、噪聲等級;

                              6、電容的類型;

                              7、電容的規格。

                              那么,是否有捷徑可尋呢?其實,電容作為器件的外圍元件,幾乎每個器件的 Datasheet 或者 Solutions,都比較明確地指明了外圍元件的選擇參數,也就是說,據此可以獲得基本的器件選擇要求,然后再進一步完善細化之。其實選用電容時不僅僅是只看容量和封裝,具體要看產品所使用環境,特殊的電路必須用特殊的電容。

                              下面是 chip capacitor 根據電介質的介電常數分類, 介電常數直接影響電

                              路的穩定性。

                              NP0 or CH (K < 150): 電氣性能最穩定,基本上不隨溫度﹑電壓與時間的改變而改變,適用于對穩定性要求高的高頻電路。鑒于K 值較小,所以在0402、0603、0805 封裝下很難有大容量的電容。如 0603 一般最大的 10nF以下。X7R or YB (2000 < K < 4000): 電氣性能較穩定,在溫度﹑電壓與時間改變時性能的變化并不顯著(?C < ±10%)。適用于隔直、偶合、旁路與對容量穩定性要求不太高的全頻鑒電路。Y5V or YF(K > 15000): 容量穩定性較 X7R 差(?C < +20% ~ -80%),容量﹑損耗對溫度、電壓等測試條件較敏感,但由于其K 值較大,所以適用于一些容值要求較高的場合。

                              話說電容之三:電容的分類

                              電容的分類方式及種類很多,基于電容的材料特性,其可分為以下幾大類:

                              1、鋁電解電容

                              電容容量范圍為0.1μF ~ 22000μF,高脈動電流、長壽命、大容量的不二之選,廣泛應用于電源濾波、解藕等場合。

                              2、薄膜電容

                              電容容量范圍為0.1pF ~ 10μF,具有較小公差、較高容量穩定性及極低的壓電效應,因此是X、Y 安全電容、EMI/EMC 的首選。

                              3、鉭電容

                              電容容量范圍為2.2μF ~ 560μF,低等效串聯電阻(ESR)、低等效串聯 電感(ESL)。脈動吸收、瞬態響應及噪聲抑制都優于鋁電解電容,是高穩定電源的理想選擇。

                              4、陶瓷電容

                              電容容量范圍為0.5pF ~ 100μF,獨特的材料和薄膜技術的結晶,迎合了當今“更輕、更薄、更節能“的設計理念。

                              5、超級電容

                              電容容量范圍為0.022F ~ 70F,極高的容值,因此又稱做“金電容”或者“法拉電容”。主要特點是:超高容值、良好的充/放電特性,適合于電能存儲 和電源備份。缺點是耐壓較低,工作溫度范圍較窄。

                              話說電容之四:多層陶瓷電容(MLCC)

                              對于電容而言,小型化和高容量是永恒不變的發展趨勢。其中,要數多層陶瓷電容(MLCC)的發展最快。

                              多層陶瓷電容在便攜產品中廣泛應用極為廣泛,但近年來數字產品的技術進步對其提出了新要求。例如,手機要求更高的傳輸速率和更高的性能;基帶處理器要求高速度、低電壓;LCD 模塊要求低厚度(0.5mm)、大容量電容。 而汽車環境的苛刻性對多層陶瓷電容更有特殊的要求:首先是耐高溫,放置于其中的多層陶瓷電容必須能滿足150℃ 的工作溫度;其次是在電池電路上需要短路失效保護設計。

                              也就是說,小型化、高速度和高性能、耐高溫條件、高可靠性已成為陶瓷電容的關鍵特性。

                              陶瓷電容的容量隨直流偏置電壓的變化而變化。直流偏置電壓降低了介電常數, 因此需要從材料方面,降低介電常數對電壓的依賴,優化直流偏置電壓特性。

                              應用中較為常見的是 X7R(X5R)類多層陶瓷電容, 它的容量主要集中在1000pF 以上,該類電容器主要性能指標是等效串聯電阻(ESR),在高波紋電 流的電源去耦、濾波及低頻信號耦合電路的低功耗表現比較突出。

                              另一類多層陶瓷電容是 C0G 類,它的容量多在 1000pF 以下, 該類電容器主要性能指標是損耗角正切值 tgδ(DF)。傳統的貴金屬電極(NME)的 C0G 產品 DF 值范圍是 (2.0 ~ 8.0) × 10-4,而技術創新型賤金屬電極(BME)的C0G 產品 DF 值范圍為 (1.0 ~ 2.5) × 10-4, 約是前者的 31 ~ 50%。 該 類產品在載有 T/R 模塊電路的 GSM、CDMA、無繩電話、藍牙、GPS 系統中低功耗特性較為顯著。較多用于各種高頻電路,如振蕩/同步器、定時器電路等。

                              話說電容之五:鉭電容

                              替代電解電容的誤區通常的看法是鉭電容性能比鋁電容好,因為鉭電容的介質為陽極氧化后生成 的五氧化二鉭,它的介電能力(通常用ε 表示)比鋁電容的三氧化二鋁介質要高。

                              因此在同樣容量的情況下,鉭電容的體積能比鋁電容做得更小。(電解電容的電 容量取決于介質的介電能力和體積,在容量一定的情況下,介電能力越高,體積 就可以做得越小,反之,體積就需要做得越大)再加上鉭的性質比較穩定,所以 通常認為鉭電容性能比鋁電容好。

                              但這種憑陽極判斷電容性能的方法已經過時了,目前決定電解電容性能的關 鍵并不在于陽極,而在于電解質,也就是陰極。因為不同的陰極和不同的陽極可 以組合成不同種類的電解電容,其性能也大不相同。采用同一種陽極的電容由于 電解質的不同,性能可以差距很大,總之陽極對于電容性能的影響遠遠小于陰極。 還有一種看法是認為鉭電容比鋁電容性能好,主要是由于鉭加上二氧化錳陰 極助威后才有明顯好于鋁電解液電容的表現。如果把鋁電解液電容的陰極更換為 二氧化錳, 那么它的性能其實也能提升不少。

                              可以肯定,ESR 是衡量一個電容特性的主要參數之一。 但是,選擇電容,應避免 ESR 越低越好,品質越高越好等誤區。衡量一個產品,一定要全方位、 多角度的去考慮,切不可把電容的作用有意無意的夸大。

                              ---以上引用了部分網友的經驗總結。

                              普通電解電容的結構是陽極和陰極和電解質,陽極是鈍化鋁,陰極是純鋁, 所以關鍵是在陽極和電解質。陽極的好壞關系著耐壓電介系數等問題。

                              一般來說,鉭電解電容的ESR 要比同等容量同等耐壓的鋁電解電容小很多, 高頻性能更好。如果那個電容是用在濾波器電路(比如中心為50Hz 的帶通濾波益。然而,這需要你在PCB 面積、器件數目與成本之間尋求折衷。

                              話說電容之八:電解電容的電參數

                              這里的電解電容器主要指鋁電解電容器,其基本的電參數包括下列五點:

                              1、電容值

                              電解電容器的容值,取決于在交流電壓下工作時所呈現的阻抗。因此容值, 也就是交流電容值,隨著工作頻率、電壓以及測量方法的變化而變化。在標準 JISC 5102 規定:鋁電解電容的電容量的測量條件是在頻率為 120Hz,最大交 流電壓為 0.5Vrms,DC bias 電壓為1.5 ~ 2.0V 的條件下進行??梢詳嘌?, 鋁電解電容器的容量隨頻率的增加而減小。

                              2、損耗角正切值 Tan δ

                              在電容器的等效電路中,串聯等效電阻 ESR 同容抗 1/ωC 之比稱之為 Tan δ, 這里的 ESR 是在 120Hz 下計算獲得的值。顯然,Tan δ 隨著測量頻率 的增加而變大,隨測量溫度的下降而增大。

                              3、阻抗 Z

                              在特定的頻率下,阻礙交流電流通過的電阻即為所謂的阻抗(Z)。它與電 容等效電路中的電容值、電感值密切相關,且與 ESR 也有關系。

                              Z = √ [ESR2 + (XL - XC)2 ]

                              式中,XC = 1 / ωC = 1 / 2πfC

                              XL = ωL = 2πfL

                              電容的容抗(XC)在低頻率范圍內隨著頻率的增加逐步減小,頻率繼續增加 達到中頻范圍時電抗(XL)降至 ESR 的值。當頻率達到高頻范圍時感抗(XL) 變為主導,所以阻抗是隨著頻率的增加而增加。

                              4、漏電流

                              電容器的介質對直流電流具有很大的阻礙作用。然而,由于鋁氧化膜介質上 浸有電解液,在施加電壓時,重新形成的以及修復氧化膜的時候會產生一種很小 的稱之為漏電流的電流。通常,漏電流會隨著溫度和電壓的升高而增大。

                              5、紋波電流和紋波電壓

                              在一些資料中將此二者稱做“漣波電流”和“漣波電壓”,其實就是 ripple current,ripple voltage。 含義即為電容器所能耐受紋波電流/電壓值。 它們和ESR 之間的關系密切,可以用下面的式子表示:

                              Urms = Irms × R

                              式中,Vrms 表示紋波電壓

                              Irms 表示紋波電流

                              R 表示電容的 ESR

                              由上可見,當紋波電流增大的時候,即使在 ESR 保持不變的情況下,漣波電壓也會成倍提高。換言之,當紋波電壓增大時,紋波電流也隨之增大,這也是要求電容具備更低 ESR 值的原因。疊加入紋波電流后,由于電容內部的等效串連電阻(ESR)引起發熱,從而影響到電容器的使用壽命。一般的,紋波電流與 頻率成正比,因此低頻時紋波電流也比較低。

                              話說電容之九:電容器參數的基本公式

                              1、容量(法拉)

                              英制: C = ( 0.224 × K · A) / TD

                              公制: C = ( 0.0884 × K · A) / TD

                              2、電容器中存儲的能量

                              E = 1/2 CV2

                              3、電容器的線性充電量

                              I = C (dV/dt)

                              4、電容的總阻抗(歐姆)

                              Z = √ [ RS

                              2 + (XC – XL)2 ]

                              5、容性電抗(歐姆)

                              XC = 1/(2πfC)

                              6、相位角 Ф

                              理想電容器:超前當前電壓 90o

                              理想電感器:滯后當前電壓 90o

                              理想電阻器:與當前電壓的相位相同

                              7、耗散系數 (%)

                              D.F. = tan δ (損耗角)

                              = ESR / XC

                              = (2πfC)(ESR)

                              8、品質因素

                              Q = cotan δ = 1/ DF

                              9、等效串聯電阻ESR(歐姆)

                              ESR = (DF) XC = DF/ 2πfC

                              10、功率消耗

                              Power Loss = (2πfCV2) (DF)

                              11、功率因數

                              PF = sin δ (loss angle) – cos Ф (相位角)

                              12、均方根

                              rms = 0.707 × Vp

                              13、千伏安KVA (千瓦)

                              KVA = 2πfCV2 × 10-3

                              14、電容器的溫度系數

                              T.C. = [ (Ct – C25) / C25 (Tt – 25) ] × 106

                              15、容量損耗(%)

                              CD = [ (C1 – C2) / C1 ] × 100

                              16、陶瓷電容的可靠性

                              L0 / Lt = (Vt / V0) X (Tt / T0)Y

                              17、串聯時的容值

                              n 個電容串聯:1/CT = 1/C1 + 1/C2 + ,,. + 1/Cn

                              兩個電容串聯:CT = C1 · C2 / (C1 + C2)

                              18、并聯時的容值

                              CT = C1 + C2 + ,,. + Cn

                              19、重復次數(Againg Rate)

                              A.R. = % △C / decade of time

                              上述公式中的符號說明如下:

                              K = 介電常數

                              A = 面積

                              TD = 絕緣層厚度

                              V = 電壓

                              t = 時間

                              RS = 串聯電阻

                              f = 頻率

                              L = 電感感性系數

                              δ = 損耗角

                              Ф = 相位角

                              L0 = 使用壽命

                              Lt = 試驗壽命

                              Vt = 測試電壓

                              V0 = 工作電壓

                              Tt = 測試溫度

                              T0 = 工作溫度

                              X , Y = 電壓與溫度的效應指數。

                              話說電容之十:電源輸入端的X,Y 安全電容

                              在交流電源輸入端,一般需要增加三個電容來抑制EMI 傳導干擾。交流電源的輸入一般可分為三根線:火線(L)/零線(N)/地線(G)。在火線和地線之間及在零線和地線之間并接的電容,一般稱之為Y 電容。這兩個Y電容連接的位置比較關鍵,必須需要符合相關安全標準,以防引起電子設備漏電或機殼帶電,容易危及人身安全及生命,所以它們都屬于安全電容,要求電容值不能偏大,而耐壓必須較高。一般地,工作在亞熱帶的機器,要求對地漏電電流不能超0.7mA;工作在溫帶機器,要求對地漏電電流不能超過0.35mA。因此,Y 電容的總容量一般都不能超過4700pF。

                              特別提示:Y 電容為安全電容,必須取得安全檢測機構的認證。Y 電容的耐壓一般都標有安全認證標志和AC250V 或AC275V 字樣,但其真正的直流耐壓高達5000V 以上。因此,Y 電容不能隨意使用標稱耐壓AC250V,或DC400V之類的普通電容來代用。

                              在火線和零線抑制之間并聯的電容,一般稱之為X 電容。由于這個電容連接的位置也比較關鍵,同樣需要符合安全標準。因此,X 電容同樣也屬于安全電容之一。X 電容的容值允許比Y 電容大,但必須在X 電容的兩端并聯一個安全電阻,用于防止電源線拔插時,由于該電容的充放電過程而致電源線插頭長時間帶電。安全標準規定,當正在工作之中的機器電源線被拔掉時,在兩秒鐘內,電源線插頭兩端帶電的電壓(或對地電位)必須小于原來額定工作電壓的30%。同理,X 電容也是安全電容,必須取得安全檢測機構的認證。X 電容的耐壓一般都標有安全認證標志和AC250V 或AC275V 字樣,但其真正的直流耐壓高達2000V 以上,使用的時候不要隨意使用標稱耐壓AC250V,或DC400V 之類的普通電容來代用。

                              X 電容一般都選用紋波電流比較大的聚脂薄膜類電容,這種電容體積一般都很大,但其允許瞬間充放電的電流也很大,而其內阻相應較小。普通電容紋波電流的指標都很低,動態內阻較高。用普通電容代替X 電容,除了耐壓條件不能 滿足以外,一般紋波電流指標也是難以滿足要求的。

                              實際上,僅僅依賴于Y 電容和X 電容來完全濾除掉傳導干擾信號是不太可能的。因為干擾信號的頻譜非常寬,基本覆蓋了幾十KHz 到幾百MHz,甚至上千MHz 的頻率范圍。通常,對低端干擾信號的濾除需要很大容量的濾波電容,但受到安全條件的限制,Y 電容和X 電容的容量都不能用大;對高端干擾信號的濾除,大容量電容的濾波性能又極差,特別是聚脂薄膜電容的高頻性能一般都比較差,因為它是用卷繞工藝生產的,并且聚脂薄膜介質高頻響應特性與陶瓷或云母相比相差很遠,一般聚脂薄膜介質都具有吸附效應,它會降低電容器的工作頻率,聚脂薄膜電容工作頻率范圍大約都在1MHz 左右,超過1MHz 其阻抗將顯著增加。 因此,為抑制電子設備產生的傳導干擾,除了選用Y 電容和X 電容之外,還要同時選用多個類型的電感濾波器,組合起來一起濾除干擾。電感濾波器多屬于低通濾波器,但電感濾波器也有很多規格類型,例如有:差模、共模,以及高頻、低頻等。每種電感主要都是針對某一小段頻率的干擾信號濾除而起作用,對其它頻率的干擾信號的濾除效果不大。通常,電感量很大的電感,其線圈匝數較多,那么電感的分布電容也很大。高頻干擾信號將通過分布電容旁路掉。而且,導磁率很高的磁芯,其工作頻率則較低。目前,大量使用的電感濾波器磁芯的工作頻率大多數都在75MHz 以下。對于工作頻率要求比較高的場合,必須選用高頻環形磁芯,高頻環形磁芯導磁率一般都不高,但漏感特別小,比如,非晶合金磁芯,坡莫合金等。

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