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陈永真:电容器一般参数

2018-06-14 10:15 来源:陈永真 编辑:电源网

为了给工程师们提供优质的电子工程知识,电源网有幸邀请国内权威运算放大器应用专家陈永真为大家讲授运算放大器的相关知识。陈永真,辽宁工业大学教授,长期从事电力电子技术的教学、科研工作。他所研制的“铁路客车荧光灯逆变器”唯一通过铁道部标准“TB/T2219-81”的全部测试,参加 过“十五”期间的国家“863”计划电动汽车重大专项“解放牌混合动力城市客车用超级电容器”项目,并出版电容和通用集成电路等相关领域的专著。下面请大家认真听陈永真教授的精彩课程吧!

1、电容器基本概念与物理意义

1.1电容器基本概念

1.1.1什么是电容

电容是什么?顾名思义,就是能容下电量的能力。大学物理书[1]中说:“对任一‘孤立’的不受外界影响的导体来说,当导体带电时,导体所带的电量q与相应的电位U的比值C,是一个导体所带的电量无关的物理量,称为‘孤立’导体的电容”即:

C=Q/U (1.1)

导体的电容表征导体特有的性质,在两只上等于这个导体的电为为一单位时导体所带的电量。

在国际单位制中,电容的单位为[法拉]。如果导体所带的电量为1[库伦],相应的电位为1[伏特]时,这个导体的电容即为1[法拉],可以用大写英文字母F表示。如果嫌法拉这一单位太大还可以用mF、μF、nF、pF等较小的单位表示,他们的相互关系为:

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1.1.2什么是电容器

电容器是什么?顾名思义,就是容纳电荷的器件。当导体的周围有其它物体存在时,这个导体的电容就会受到影响。因此,有必要设计一种导体组合,其电容量值较大,而几何尺寸并不过大,而且当然不受其它物体的影响。这样的导体组合就是电容器,在物理学中电容器的概念可表述为:“在周围没有其它带电导体影响时,由两个导体组成的导体体系”。电容器的电容(或称电容量)定义为:当电容器的两极板分别带有等值异电荷q时,电量q与两极板间相应的电位差UA-UB的比值,即:

C=Q/(UA-UB) (1.6)

孤立导体实际上仍可以认为是电容器,但另一导体在无限远处,且电位为零。式(1.6)即变为式(1.1)。因此,可以看到,所谓“孤立导体”的电容实际上还是两个导体间的电容,与一般电容不同的是,另一导体在无限远处而已。但电容毕竟是导体之间的特性。孤立导体的电容事实上是不存在的。

1.2 电容器的物理性质

1.2.1电容器的物理意义

电容器最基本的物理性质可以用式(1.6)表示,即电容、电荷、电势差(电压)的关系。由这个关系以及电荷与电流的关系还可以得到电路与电子学中最常用的电容上的电压与电流的关系。即:

q=i*t (1.7)

当电流是变化,则式(1.7)应写为:

q=∫idt(1.8)

在一般的应用中,电容器的两极板间电势差成为电容器上的电压,用UC表示。这样由式(1.7)、(1.8),得到电容器的电压、电流的关系可以用下式表示:

uc= 1/C ∫idt(1.9)

电容器的储能为:

A=1/2*C*U*U  (1.10)

单位是焦耳。这就是通常表示电容器所具有的储能的公式。

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2、电子线路中的电容器

从大学课程中,可以认识到,电容器可以用作放大器的耦合(或称为隔直)、谐振或定时、交流旁路、整流滤波。除此之外似乎没有其他的应用了。事实上,电容器应用最多的倒是直流电源旁路功能。

电容器需要哪些参数?

任何电子元件的参数都是根据应用而设置的,电容器也不例外。接下来就是电容器都用在哪里?首先,电容器可以用作功率因数补偿电容器。除此之外,电容器基本都是用在各种电子线路中。

接下来看看完成上述功能的电容器需要哪些参数?

2.1额定电压(Rated Voltage)

由于电容器用在电子线路中,电容器上必然会有电压,或者直流电压,或者交流电压。理想电容器是不需要考虑耐压的。但是,实际的电容器为了减小体积、降低成本必须要把耐压做到满足要求就行,同时实际的绝缘介质也时有耐压限制的。

耐压远高于工作电压是浪费,如果将耐压400V的电解电容器仅仅用在实际工作电压4V,不仅体积大的不知多少倍,价格也是高出不知多少倍。

2.2 电容量(Capacitance)

电容量是最基本的参数。

在电子线路中,电容器的电容量是必须足够,特别是50Hz单相整流滤波,电容量低了不行;在定时电路、谐振电路中电容量偏差过大不行、过大的电容量的温度漂移和偏置电压漂移也不行。而电源旁路电容器则对电容量要求不十分严格。

电容量的精度(也可以称为容差tolerance):电容器的容差一般分为电容器的容量误差为J级:±5%、K级:±10%、M级:±20%、S级:±50%/-20%、Z级:±80%/-20%。

整流滤波对电容器电容量的容差要求相对最低,可以是±20%的容差,甚至是±30%也可以,所以作为整流滤波电容器的电解电容器最初的容差是-20%、+50%,随着电解电容器制造技术的进步,铝电解电容器的电容量大多集中在-3%,以尽可能降低电容器成本;薄膜电容器有的容差在20%(M级),目的为了降低成本和制造难度;陶瓷电容器中的高介电系数的Y5V、Z5U介质电容器的容差是+80%、-20%,可以用在电源旁路,整流滤波中;还一些的陶瓷介质(如X7R)的容差也只能做到±15%。

2.3 影响电容量的因素

影响电容器电容量容差的因素主要有:制造精度、介质介电系数的温度系数、介质在直流偏置电压下的变化,还有使用过程的衰减等。

2.3.1制造精度的因素:

电解电容器铝箔的比容精度直接影响到电解电容器的容差,现在腐蚀箔技术已经相当精确了,因此好的电解电容器容差在出厂时相当好。薄膜电容器也有制造精度的问题,主要体现在介质膜的厚度一致性或均匀性。

2.3.2介质介电系数的温度系数

介质的介电系数随温度变化,直接影响到整个使用温度范围的电容值的变化,这个电容值变换范围必须在容差范围内。因此电解电容器的电容量下限容差为-20%,是以铝电解电容器寿命终了时电容量下限为标准的;

聚酯薄膜电容器中的聚酯薄膜在整个工作温度范围内的容差变化接近±3%。因此,聚酯薄膜电容器的容差最好只能做到±5%(J级),多数为10%和20%(K级和M级),无论如何也不会做出容差1%甚至2%的容差也做不出来;聚丙烯薄膜的介电系数与温度的关系会好一些,一般也只能做出J、K、M容差;

薄膜电容器中也有介电系数稳定的介质,如聚苯乙烯薄膜、聚碳酸酯薄膜。都可以做出电容量稳定的电容器,容差可以做到1%甚至优于1%;

也可以用两种温度系数的薄膜结合,将温度系数相互抵消。如复合膜电容器,电容量的稳定性很好,可以优于1%,只要制造技术满足要求就可以制造出高精度电容器;

最丰富多彩的是陶瓷电容器。陶瓷介质可以分为稳定级、可用级两类。稳定级的介质介电系数变化极低,如C0G、NP0在整个温度范围(-55℃~+150℃)电容量变化小于30PPM;

可用级陶瓷介质分及高介电系数和高介电系数两种。及高介电系数介质的介电系数可以高达数十万倍,因此在相同体积下电容量可以做的非常大,但是这种介质也有很大的缺点,那就是在整个温度范围内(0℃~+70℃)的介电系数为+80%/-20%。

2.3.3介质介电系数的直流偏置电压的影响

薄膜电容器、铝电解电容器、钽电解电容器中介质的介电系数与直流偏置电压几乎无关。陶瓷电容器中的可用级(II类)介质的介电系数岁直流偏置电压减小,常见的X7R施加额定电压的直流偏置电压,电容量会减少20%左右,而Y5V、Z5U则可能减小到20%。

稳定级陶瓷介质(如C0G、NP0介质)介电系数不随直流偏置电压变化。

2.3.4使用过程的额定容量衰变

铝电解电容器应用过程中电解液要被消耗(挥发)电容量就会逐渐降低,当电容量降低到出厂时的(1-20%)时,电解电容器就寿终正寝了。

可用级陶瓷介质在使用过程中的电容量也会略有衰变。

2.3.5电容量与频率的关系

多数介质的介电系数与频率无关或变化不大。铝电解电容器由于自身特点,其电容量随工作频率的升高而降低,降低的程度有时会很明显。

2.3.6电容量变化对应用的影响

在一般的50Hz整流滤波应用中或者是三相整流滤波应用中,电容量的变化对整流电路的性能影响不大,因此50Hz整流滤波应用中对滤波电容器的电容量要求不是很高,允许容差和温度漂移比较大类型的电容器应用;

开关电源中的输出整流滤波电容器希望电容量变化不要太大,这是因为开关电源输出整流滤波电路是在输出电压反馈闭环内,电容量的而变化会影响输出整流滤波电路对应的极点参数发生变化,不利于稳定性和系统矫正的效果,因此不建议在输出整流滤波电路中应用Y5V、Z5U电容量变化比较大的陶瓷介质,可以应用电容量变化比较小的X7R介质陶瓷电容器。电解电容器、薄膜电容器可以应用在开关电源的输出整流滤波电路。

电子线路中的定时电容器、谐振电容器(对频率稳定性要求较高的而应用)要求电容量变化尽可能的低,因此电解电容器、可用级陶瓷电容器均不可以应用。在温度变化不大的环境下,可以应用聚丙烯电容器,聚酯电容器勉强可用,在全温度范围内,稳定级陶瓷电容器、聚苯乙烯电容器、聚碳酸酯电容器都可以应用,云母电容器和空心电容器是绝对没问题的。

2.4 损耗因数(Dissipation Factor)

由于漏电流、介质吸收、等效串联电阻等原因产生了损耗,它与工作频率有关系。其中介质吸收,通常,只要损耗低,其介电系数的变化就可以忽略。由于介质在电场下的极化过程使分子间的碰撞而消耗能量而产生的损耗,因而也造成了介电系数的下降。在电解电容器中,等效串联电阻是造成损耗的主要原因,而漏电流、介质吸收造成的损耗则可以忽略不计。因此,电解电容器的损耗因数则以串联等效电阻ESR同容抗1/ ωC之比,有时也称损耗角正切(tanδ)表示。因此,电解电容器的损耗角正切(tanδ)是随频率上升的。

损耗因数标志着电容器本身在工作时的自身损耗的大小,这个损耗的大小可以定义为:在电容器被施加交流电时,每个周期电容器产生的损耗与每个周期电容器存储的功率之比,即:

每周周期消耗的功率/每个周期存储的功率

这就是电容器损耗因数的最基本的定义。

这个表述方式与电工技术中的功率因数相同,因此有些文献就将损耗因数译成功率因数,但是二者的意义是不同的,这里还是以损耗因数表述为好。

2.5 工作温度范围(Operation Temperature)

任何介质都存在工作温度范围,过高的温度会使介质的物理特性发生变化(如熔化、介电强度下降)和化学变化(如碳化)而不再满足电容器介质性能的要求;电解电容器则要避免电解液的蒸发而造成电容器的永久损坏。

2.6 漏电流(Leakage Current)

电容器的漏电流主要是介质的绝缘电阻不是无限大和介质存在的缺陷(杂质)而产生的,不同的介质,漏电流不一样,如铝电解电容器的漏电流主要是由于氯、铁、铜离子的存在而产生的对氧化铝介质的破坏以及微型原电池效应造成的。

2.7寿命(Life Test)

多数电容器在理论上没有寿命的问题,只有液态介质(电极)或介质在施加电压后出现介电系数下降而出现寿命问题。最明显的是铝电解电容器,由于铝电解电容器的负电极是电解液,当电解液干涸后铝电解电容器的负电极面积大大缩小,使电容量大大下降,当电容量下降到寿命终了值,铝电解电容器即宣告寿命终了。通常,铝电解电容器均标明最高工作温度和在这个温度下的使用寿命,如105℃/2000小时。

2.8 等效串联电阻(ESR)

电容器电极到引出端的电阻,一般箔式电容器的ESR比金属化电容器的ESR小,双金属化和加重金属化的ESR比一般金属化的ESR小,多引出线的ESR比单引出线的ESR小,平面电极板的ESR比粗糙电极板的ESR小,等等。

3、 电容器参数的表示方式

3.1 电容器的分类

按介质分类,电容器可分为:空气介质电容器、云母电容器、纸介电容器、有机膜电容器(有机膜主要有:聚酯膜(过去称为涤纶),聚丙烯膜,聚碳酸酯膜,聚四氟乙烯膜,等等)、陶瓷介质电容器、电解质电容器(由铝电解电容器,钽电解电容器)、铁电体电容器和双电层电容器(超级电容器)等。

3.2 电容器的电容标称值及精度

电容器的电容标称值通常分为E6、E12系列、和E24系列,如表1。

表1  E6、E12系列、和E24系列的优选值

3

3.3 电容量的表示方式

1. 小电容的标志方式:小容量电容器多以PF为单位标志,所示的数码就是电容量,并且数码后面没有单位(PF),例如8表示电容量为8PF(0.000008μF),再如100则表示电容量为100PF(0.0001μF)。

2. 中小容量电容的标志方式:中小容量电容器可以纳法(nF或n)或以微法(μF)表示。以nF表示时,在数码后加n表示容量,例如:100n表示100nF(0.1以μF),再如4n7表示4.7nF(0.0047μF);以μF表示多在数码后不再标志μF,例如:0.01表示0.01μF,再如0.47表示0.47μF。

3.数码标志的电容量:数码标志的电容量的单位是皮法(PF),例如:101表示100PF(0.0001μF),又如:683表示68000PF(0.068μF),再如:475表示4700000PF(4.7μF);钽电解电容器也有用这种表示方式,如476表示47μF。

4.电容器的色码标志方式:与色环电阻的标志方式相同,所表示的电容量的单位为PF。

5. 电解电容器的标志方式:电解电容器的电容量比较大,采用微法(μF)为单位表示,通常数码后面跟μF或μ,如0.22μ、4.7μ、22μ、470μ、3300μ、10000μ、47000μ等等。

6. 超级电容器的电容量特别大,多以法拉(F)表示,如0.1F、5F、47F、100F、3300 F、5000F。

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标签: 陈永真 电容器

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