電容的簡介
電容器所帶電量Q與電容器兩極間的電壓U的比值,叫電容器的電容。在電路學里,給定電勢差,電容器儲存電荷的能力,稱為電容(capacitance),標記為C。采用國際單位制,電容的單位是法拉(farad),標記為F。
電容的符號是C。
C=εS/d=εS/4πkd(真空)=Q/U
電容單位及轉(zhuǎn)換
在國際單位制里,電容的單位是法拉,簡稱法,符號是F,由于法拉這個單位太大,所以常用的電容單位有毫法(mF)、微法(μF)、納法(nF)和皮法(pF)等,換算關(guān)系是:
1法拉(F)=1000毫法(mF)=1000000微法(μF)
1微法(μF)= 1000納法(nF)= 1000000皮法(pF)。
電容與電池容量的關(guān)系:
1伏安時=1瓦時=3600焦耳
W=0.5CUU
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:
(一)應用于電源電路,實現(xiàn)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(wěn)壓器的輸出均勻化,降低負載需求。就像小型可充電電池一樣,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(qū)分為驅(qū)動的源和被驅(qū)動的負載。如果負載電容比較大,驅(qū)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(qū)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(chǎn)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(qū)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(jié)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(guān)噪聲提高一條低阻抗泄防途徑。高頻旁路電容一般比較小,根據(jù)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(jù)電路中分布參數(shù)、以及驅(qū)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(zhì)區(qū)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(lián)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。電容越大低頻越容易通過,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(wǎng)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(fā)而引起水量的變化。它把電壓的變動轉(zhuǎn)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是較為常用的。根不同的電源要求,器件有時會采用串聯(lián)、并聯(lián)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。
(二)應用于信號電路,主要完成耦合、振蕩/同步及時間常數(shù)的作用
1)耦合
舉個例子來講,晶體管放大器發(fā)射極有一個自給偏壓電阻,它同時又使信號 產(chǎn)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(chǎn)生了耦合的元件,如果在這個電阻兩端并聯(lián)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(chǎn)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(shù)
這就是常見的 R、C 串聯(lián)構(gòu)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)
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(guī)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(shù),也就是說,據(jù)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(chǎn)品所使用環(huán)境,特殊的電路必須用特殊的電容。
下面是chip capacitor根據(jù)電介質(zhì)的介電常數(shù)分類,介電常數(shù)直接影響電路的穩(wěn)定性。
NP0 or CH (K<150):電氣性能最穩(wěn)定,基本上不隨溫度﹑電壓與時間的改變而改變,適用于對穩(wěn)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
Y5V or YF(K > 15000):容量穩(wěn)定性較 X7R 差(?C < +20% ~ -8 0%),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。
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(wěn)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(lián)電阻(ESR)、低等效串聯(lián)電感(ESL)。脈動吸收、瞬態(tài)響應及噪聲抑制都優(yōu)于鋁電解電容,是高穩(wěn)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(shù)的結(jié)晶,迎合了當今“更輕、更薄、更節(jié)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。
多層陶瓷電容
對于電容而言,小型化和高容量是永恒不變的發(fā)展趨勢。其中,要數(shù)多層陶瓷電容(MLCC)的發(fā)展最快。
多層陶瓷電容在便攜產(chǎn)品中廣泛應用極為廣泛,但近年來數(shù)字產(chǎn)品的技術(shù)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(huán)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(guān)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(shù),因此需要從材料方面,降低介電常數(shù)對電壓的依賴,優(yōu)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(lián)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(xiàn)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(tǒng)的貴金屬電極(NME)的 C0G 產(chǎn)品 DF 值范圍是(2.0 ~ 8.0)× 10-4,而技術(shù)創(chuàng)新型賤金屬電極(BME)的C0G產(chǎn)品DF值范圍為 (1.0 ~ 2.5)×10-4,約是前者的31~50%。該類產(chǎn)品在載有T/R模塊電路的GSM、CDMA、無繩電話、藍牙、GPS系統(tǒng)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。
旁路電容的應用問題
嵌入式設計中,要求 MCU 從耗電量很大的處理密集型工作模式進入耗電量很少的空閑/休眠模式。這些轉(zhuǎn)換很容易引起線路損耗的急劇增加,增加的速率很高,達到 20A/ms 甚至更快。
通常采用旁路電容來解決穩(wěn)壓器無法適應系統(tǒng)中高速器件引起的負載變化,以確保電源輸出的穩(wěn)定性及良好的瞬態(tài)響應。旁路電容是為本地器件提供能量的儲能器件,它能使穩(wěn)壓器的輸出均勻化,降低負載需求。就像小型可充電電池一樣,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。
應該明白,大容量和小容量的旁路電容都可能是必需的,有的甚至是多個陶瓷電容和鉭電容。這樣的組合能夠解決上述負載電流或許為階梯變化所帶來的問題,而且還能提供足夠的去耦以抑制電壓和電流毛刺。在負載變化非常劇烈的情況下,則需要三個或更多不同容量的電容,以保證在穩(wěn)壓器穩(wěn)壓前提供足夠的電流。快速的瞬態(tài)過程由高頻小容量電容來抑制,中速的瞬態(tài)過程由低頻大容量來抑制,剩下則交給穩(wěn)壓器完成了。
還應記住一點,穩(wěn)壓器也要求電容盡量靠近電壓輸出端。
電容的等效串聯(lián)電阻 ESR
普遍的觀點是:一個等效串聯(lián)電阻(ESR)很小的相對較大容量的外部電容能很好地吸收快速轉(zhuǎn)換時的峰值(紋波)電流。但是,有時這樣的選擇容易引起穩(wěn)壓器(特別是線性穩(wěn)壓器 LDO)的不穩(wěn)定,所以必須合理選擇小容量和大容量電容的容值。永遠記住,穩(wěn)壓器就是一個放大器,放大器可能出現(xiàn)的各種情況 它都會出現(xiàn)。
由于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的響應速度相對較慢,輸出去耦電容在負載階躍的初始階段起主導的作用,因此需要額外大容量的電容來減緩相對于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的快速轉(zhuǎn)換,同時用高頻電容減緩相對于大電容的快速變換。通常,大容量電容的等效串聯(lián)電阻應該選擇為合適的值,以便使輸出電壓的峰值和毛刺在器件的 Dasheet 規(guī)定之內(nèi)。
高頻轉(zhuǎn)換中,小容量電容在 0.01μF 到 0.1μF 量級就能很好滿足要求。表貼陶瓷電容或者多層陶瓷電容(MLCC)具有更小的 ESR。另外,在這些容值下,它們的體積和 BOM 成本都比較合理。如果局部低頻去耦不充分,則從低頻向高頻轉(zhuǎn)換時將引起輸入電壓降低。電壓下降過程可能持續(xù)數(shù)毫秒,時間長短主要取決于穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)增益和提供較大負載電流的時間。
用 ESR 大的電容并聯(lián)比用 ESR 恰好那么低的單個電容當然更具成本效益。然而,這需要你在 PCB 面積、器件數(shù)目與成本之間尋求折衷。
電解電容的電參數(shù)
這里的電解電容器主要指鋁電解電容器,其基本的電參數(shù)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(xiàn)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(guī)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。可以斷言,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(lián)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(guān),且與ESR也有關(guān)系。
電容的容抗(XC)在低頻率范圍內(nèi)隨著頻率的增加逐步減小,頻率繼續(xù)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?yōu)橹鲗В宰杩故请S著頻率的增加而增加。
4)漏電流
電容器的介質(zhì)對直流電流具有很大的阻礙作用。然而,由于鋁氧化膜介質(zhì)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(chǎn)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。
電容公式
一個電容器,如果帶1庫的電量時兩級間的電勢差是1伏,這個電容器的電容就是1法拉,即:C=Q/U 。但電容的大小不是由Q(帶電量)或U(電壓)決定的,即電容的決定式為:C=εS/4πkd 。其中,ε是一個常數(shù),S為電容極板的正對面積,d為電容極板的距離,k則是靜電力常量。常見的平行板電容器,電容為C=εS/d(ε為極板間介質(zhì)的介電常數(shù),S為極板面積,d為極板間的距離)。
電容器的電勢能計算公式:E=CU^2/2=QU/2=Q^2/2C
多電容器并聯(lián)計算公式:C=C1+C2+C3+…+Cn
多電容器串聯(lián)計算公式:1/C=1/C1+1/C2+…+1/Cn
三電容器串聯(lián):C=(C1*C2*C3)/(C1*C2+C2*C3+C1*C3)
(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
1/2CV2
(3)電容器的線性充電量
I=C(dV/dt)
(4)電容的總阻抗(歐姆)
Z=√[RS2+(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(shù)(%)
D.F.=tanδ(損耗角)
=ESR/XC
=(2πfC)(ESR)
(8)品質(zhì)因素
Q=cotan δ=1/DF
(9)等效串聯(lián)電阻 ESR(歐姆)
ESR=(DF) XC=DF/2πfC
(10)功率消耗
Power Loss=(2πfCV2 ) (DF)
萬用表檢測電容
用數(shù)字萬用表檢測電容器,可按以下方法進行。
一、用電容檔直接檢測
某些數(shù)字萬用表具有測量電容的功能,其量程分為2000p、20n、200n、2μ和20μ五檔。測量時可將已放電的電容兩引腳直接插入表板上的Cx插孔,選取適當?shù)牧砍毯缶涂勺x取顯示數(shù)據(jù)。
2000p檔,宜于測量小于2000pF的電容;20n檔,宜于測量2000pF至20nF之間的電容;200n檔,宜于測量20nF至200nF之間的電容;2μ檔,宜于測量200nF至2μF之間的電容;20μ檔,宜于測量2μF至20μF之間的電容。
經(jīng)驗證明,有些型號的數(shù)字萬用表(例如DT890B+)在測量50pF以下的小容量電容器時誤差較大,測量20pF以下電容幾乎沒有參考價值。此時可采用串聯(lián)法測量小值電容。方法是:先找一只220pF左右的電容,用數(shù)字萬用表測出其實際容量C1,然后把待測小電容與之并聯(lián)測出其總?cè)萘緾2,則兩者之差(C1-C2)即是待測小電容的容量。用此法測量1~20pF的小容量電容很準確。
二、用電阻檔檢測
實踐證明,利用數(shù)字萬用表也可觀察電容器的充電過程,這實際上是以離散的數(shù)字量反映充電電壓的變化情況。設數(shù)字萬用表的測量速率為n次/秒,則在觀察電容器的充電過程中,每秒鐘即可看到n個彼此獨立且依次增大的讀數(shù)。根據(jù)數(shù)字萬用表的這一顯示特點,可以檢測電容器的好壞和估測電容量的大小。下面介紹的是使用數(shù)字萬用表電阻檔檢測電容器的方法,對于未設置電容檔的儀表很有實用價值。此方法適用于測量0.1μF~幾千微法的大容量電容器。
三、用電壓檔檢測
用數(shù)字萬用表直流電壓檔檢測電容器,實際上是一種間接測量法,此法可測量220pF~1μF的小容量電容器,并且能精確測出電容器漏電流的大小。
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