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电容器基础知识科普(一)

发布时间:2024-04-04 02:08:02   来源:新闻资讯

  的定义为:单位时间里通过导体任一横截面的电荷量,即电流为电荷的变化率那么

  但是在电路系统计算中,你愿意求解微积分方程吗?因此电容和电感必须引入复域,才能让问题得到一定效果解决。当然时域研究也是有用处的,以后在测量篇会讲解。

  , 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度并且随频率变化的器件。这里的随频率变换体现在w上,那么90度体现在哪里呢,想一想应该就是这一个j了,因为w和C都是实数不可能会出现角度变换,那么这个j就对应了90度。

  再看下这个公式怎么解释我们平时知道的电容特性,我们大家都知道电容通高频,阻低频,就是随频率增高阻抗越小,刚好跟公式w和C在分母上对应,随频率增加,电容的阻抗降低。

  在上面的电容阻抗公式中,我们大家都知道了复数j对应的是角度(90 ^0^ ),那么就来探索下j为什么对应了角度。因为j是复数,那先让我们看下复数定义:对于任意实数,x,y形如:z=x+jy的数为复数。x是实部y是虚部。

  在电路系统研究中我们喜欢用正弦函数Acos(wt+φ)作为激励源(输入),因为它的形式最简单,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激励来研究稳态下的电容电路,这里有个名词叫做正弦稳态分析*(注:在电路研究中我们喜欢把**cos*叫做正弦,但不影响我们对问题的研究)。

  正弦函数有三个特征即:幅度A,角频率w和初相φ,知道了这三个特征后,就唯一确定一个正弦函数。

  的正弦,只是幅度和相位可能会发生明显的变化。因此如果输入的正弦信号是已知的前提下,只用确定输出信号的幅度A和相位φ,就可以求出输出的正弦信号了。

  ,这个形式是不是很熟悉,没错可以看成复数z=r(cosφ+jsinφ)的实部。即

  ,因为前面说过,正弦稳态电路中信号的频率不可能会发生变化,所以我们只用关心幅度和相位,因此令

  ,称其为电压振幅相量,它是一个与时间无关的复数常量。振幅相量是一个复数,但它具有特殊意义,代表正弦波的幅度和相位,为了区分一般的复数,我们在字母头上加一个点。

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

  需要注意的是这里引入复数仅仅是为了计算方便,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分析的工具。

  几乎所以电容都能做成直插式,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。直插电容一般有两条腿,体积比贴片式的大,表面有数字字母等标识。

  直插电容的机械、温度等可靠性要优于贴片电容,比如机械振动大的场合尽量用直插电容。

  但是直插电容生产安装焊接调试拆卸等很复杂,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。

  贴片电容的相对于直插电容更加受限,因为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合做成贴片式的。

  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。

  贴片电容生产简单、成本低,并且焊接的时候使用SMT(Surface mounttechnology),用回流焊,效率高,直插式的需要用波峰焊成本高。

  :介质的相对介电常数)很像,有两个极板,中间填充介质。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,

  因为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,以后会详细介绍。

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

  目前用的最多的就是多层陶瓷电容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,因此出现了MLCC电容器,大致结构如下图所示

  目前日本村田(muRata)能做到封装是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左右,而它的宽只有0.125mm,跟头发丝差不多,能想象下它多小了。

  外界环境对电容内电介质(Dielectrics)的影响很大,因此电子工业联盟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、频率和时间都表现出优良的特性。

  ClassⅠ中最有名的就是C0G,在无源电子行业把C0G叫做NP0(Negative Positive Zero)就是正负温度系数为0。这些类型的电容器电容比较小,通常不超过1nF(村田现在能做到100nF),大多数都用在谐振电路和滤波,频率能达到10MHz至30GHz之间。

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

  独石电容实际上的意思就是带引脚的MLCC,国外叫做leaded-MLCC,因为有引线的缘故,独石电容一般比同种类型贴片MLCC频率低一点,但是可靠性比贴片电容高。

  圆片瓷介电容也叫做瓷片电容,外形呈圆盘状,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),耐压值能做到kV,适合做高压电容。

  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。

  村田制作所“ECAS系列”聚合物铝电解电容器通过以多层铝箔结构为阳极、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,在纹波吸收、滤波和瞬态响应方面具备优秀能力性能,堪称各类应用的理想之选。

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

  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。钽的使用允许非常薄的介电层,因此钽电容允许在同等体积下做出高容量的电容。

  下图是聚合物钽电容的结构图,固态钽电容跟聚合物钽电容结构差不多,不同的是阴极把导电聚合物换成MnO2。

  固体电解电容器具有工作时候的温度范围宽,结构紧密相连,ESR低和抗纹波电流高的优点,但唯一的缺点是工作电压低于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。适合在需要在快速响应或抗纹波电流能力强的设备中使用。

  薄膜电容器是一种使用塑料薄膜作为电介质的电容器。它们相对便宜,随时间稳定并且具有低自感和ESR,薄膜电容器能承受较大的无功功率,体型较大,常用于电力电子行业。

  金属化薄膜电容具有自我修复的功能,失效的状态是开路,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。

  损耗因子DF(Dissipation Factor):也叫做损耗角正切,是交流应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,通常以百分比表示。上面的矢量图说明了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”因子通常在损耗因子特别小的时候才用。

  、电感是常见且重要的无源器件,本系列文章将分为三篇分别介绍这三种元件的详细的

  与电阻、电感并称为三大被动元件,其年产量在全球范围内已达约2万亿个 。

  -非常经典) /

  及其应用 下载 /

  (2) /

  与电阻、电感并称为三大被动元件,其年产量在全球范围内已达约2万亿个 。

  是由两个金属电极,中间夹一层绝缘体(也叫电介质)构成。有两个电极间加上电压时,电极上就存储电荷。所以

  是一个跟电阻差了90度并且随频率变化的器件),再利用电阻篇讲的分压原理,就可以构成简

  (二) /

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