電子設計中電容的選擇與分類

2017-05-04 15:30:00        0

  【前言】電容器是由兩(liǎng)個電極及其間的介電材料構成(chéng)的。介電材料是一種(zhǒng)電介質,當被(bèi)置于兩(liǎng)塊帶有等量異性電荷的平行極闆間的電場中時(shí),由于極化而在介質表面(miàn)産生極化電荷,遂使束縛在極闆上的電荷相應增加,維持極闆間的電位差不變。

  一、電容的含義

  電容(Capacitance)亦稱作“電容量”,是指在給定電位差下的電荷的儲藏量,記爲C,國(guó)際單位是法拉(F)。一般來說(shuō),電荷在電場中會(huì)受力而移動,當導體之間有了介質,則阻礙了電荷移動而使得電荷累積在導體上,造成(chéng)電荷的累積儲存,儲存的電荷量則稱爲電容。

  電容的公式爲:C=εS/4πkd 。其中,ε是一個常數,S爲電容極闆的正對(duì)面(miàn)積,d爲電容極闆的距離,k則是靜電力常量。常見的平行闆電容器,電容爲C=εS/d(ε爲極闆間介質的介電常數,S爲極闆面(miàn)積,d爲極闆間的距離)。

  在電容元件兩(liǎng)端電壓u的參考方向(xiàng)給定時(shí),若以q表示參考正電位極闆上的電荷量,則電容元件的電荷量與電壓之間滿足 q=Cu。電流等于單位時(shí)間内通過(guò)某一橫截面(miàn)的電荷量,所以得到I=dq/dt,因此電流與電容的關系是 I=dq/dt =C(du/dt) 。該式表明,電流的大小與方向(xiàng)取決于電壓對(duì)時(shí)間的變化率,電壓增高時(shí),du/dt》0,則dq/dt》0,i》0,極闆上電荷增加,電容器充電;電壓降低時(shí),du/dt《0,則dq/dt《0,i《0,極闆上電荷減少,電容器反向(xiàng)放電。當電壓不随時(shí)間變化時(shí),du/dt=0,則電流I=0,這(zhè)時(shí)電容元件的電流等于零,相當于開(kāi)路。故電容元件有隔斷直流的作用。

  二、電容的容值

  電容的符号是C,在國(guó)際單位制裡(lǐ),電容的單位是法拉,簡稱法,符号是F,由于法拉這(zhè)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,換算關系如下

  1法拉(F) = 1000毫法(mF) = 1000000微法(μF);

  1微法(μF) = 1000納法(nF) = 1000000皮法(pF)。

  三、電容的參數

  1.标稱容值與誤差

  電容量即電容加上電荷後(hòu)儲存電荷的能(néng)力大小。電容量誤差是指其實際容量與标稱容量間的偏差,通常有±10%、±20%,用在射頻電路中PI匹配中的電容±0.5%、±0.75%的小誤差電容。

  2.額定電壓

  額定工作電壓是該電容器在電路中能(néng)夠長(cháng)期可靠地工作而不被(bèi)擊穿所能(néng)承受的最大直流電壓(又稱耐壓)。它與電容器的結構、介質材料和介質的厚度有關,一般來說(shuō),對(duì)于結構、介質相同,容量相等的電容器,其耐壓值越高,體積也越大。

  當在電容器的兩(liǎng)極闆間施加電壓之後(hòu),極闆間的電解質便處于電場中,本來是中性的電介質,由于外電場力的作用,介質分子内的正負電荷將(jiāng)在空間位置上發(fā)生少許偏移(如負電荷逆電場方向(xiàng)移動),形成(chéng)所謂的電偶極子,也就(jiù)是介質内部出現了電場,破壞了原來的電中性狀态。這(zhè)種(zhǒng)現象叫(jiào)做電解質的極化。可見,極化狀态下的介質是帶負電荷的,但這(zhè)些電荷依然受介質本身的束縛而不能(néng)自由移動,介質的絕緣性能(néng)尚未遭到破壞,隻有少數電荷脫離束縛而形成(chéng)很小的漏電流。如果外加電壓不斷加強,最後(hòu)將(jiāng)使極化電荷大量脫離束縛,引起(qǐ)漏電流大大增加,于是介質的絕緣性能(néng)遭到破壞,使兩(liǎng)個極闆短接,完全喪失電容的作用。這(zhè)種(zhǒng)現象稱爲介質擊穿。介質擊穿之後(hòu),電容器被(bèi)毀壞。因此電容器的工作電壓要有一定限制,不能(néng)随意增加。

  3.溫度系數

  電容器電容量随溫度變化的大小用溫度系數(在一定溫度範圍内,溫度每變化1℃,電容量的相對(duì)變化值)來表示,這(zhè)一點和電阻是一樣(yàng)一樣(yàng)的。

  4.絕緣電阻

  電容器漏電的大小用絕緣電阻來衡量。電容器漏電越小越好(hǎo),也就(jiù)是絕緣電阻越大越好(hǎo)。一般小電容器的絕緣電阻很大,可達幾百兆歐或幾千兆歐。電解電容器的絕緣電阻一般較小。

  5.損耗

  在電場作用下,電容器單位時(shí)間内發(fā)熱而消耗的能(néng)量叫(jiào)電容器的損耗。 理想電容器在電路中不應消耗能(néng)量,但在實際上,電容器或多或少都(dōu)要消耗能(néng)量,其能(néng)量消耗主要由介質損耗和金屬部分的損耗組成(chéng),通常用損耗角正切值來表示。

  6.頻率特性

  電容器的頻率特性通常是指電容器的電參數(如電容量、損耗角正切值等)随電場頻率而變化的性質。在高頻下工作的電容器,由于介電常數在高頻時(shí)比低頻時(shí)小,因此電容量將(jiāng)相應地減小。與此同時(shí),它的損耗將(jiāng)随頻率的升高而增加。此外在高頻工作時(shí),電容器的分布參數,如極片電阻、引線和極片接觸電阻,極片的自身電感,引線電感等,都(dōu)將(jiāng)影響電容器的性能(néng),由于這(zhè)些因素的影響,使得電容器的使用頻率受到限制。

  7.介質

  參數描述了電容采用的電介質材料類别,溫度特性以及誤差等參數,不同的值也對(duì)應著(zhe)一定的電容容量的範圍。比如X7R常用于容量爲3300pF~0.33uF的電容,這(zhè)類電容适用于濾波,耦合等場合,電介質常數比較大,當溫度從0°C變化爲70°C時(shí),電容容量的變化爲±15%;

  Y5P與Y5V常用于容量爲150pF~2nF的電容,溫度範圍比較寬,随著(zhe)溫度變化,電容容量變化範圍爲±10%或者+22%/-82%。

  8.封裝尺寸

  主要針對(duì)貼片式電容,封裝和電阻的封裝大小一樣(yàng)。

  四、電容的分類

  按照不同的方式電容的分類也有很多種(zhǒng),以下總結幾類常見的

  1.按材料分,有雲母電容、電解電容、陶瓷電容、钽電容等不同類型;

  2.按用途分,有濾波電容、旁路電容、耦合電容、負載電容等;

  3.按照極性分,有無極性電容、有極性電容。


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