电容器的基本原理电容器的基本原理

电容器的基本原理一、电容器的基本原理结构电容器的基本结构是结构：电容器的基本结构是由两块导体极板，中间隔离有不同的电介质绝缘体组成不同的电介质（绝缘体）组成。其符号如图（b)所示。充电：当两个端子接到电源时，电源正极将相连极板电子吸走，留下正电荷；而负极向另一极板同时送人相等电子。在外电路形成电流。直到极板1电压等于极板两端电压。定义Q定义：CUQ=或UQC=U电容量与结构和介质有关：6010858−×====A.AAACrrrεεεεεμF1085836d.dddCπμFε＝εεε=885×10-12F/m(1×10-9/36π)ε＝ε0εrε0=8.85×10F/m(1×10/36π)A－极板面积（m2);d－极板间距离（m)通常电容器名称是以介质材料来命名的2表1一些材料的相对介电常数表1些材料的相对介电常数材料εr材料εr空气1.0橡胶2.7蒸馏水80云母6~75蒸馏水8.0云母6~7.5腊纸4.3玻璃5.5~8矿物油2.2陶瓷5.8尼龙355氧化铝75~10尼龙3.55氧化铝7.5~10聚酯薄膜3.1导热硅脂3.9~4.3人造云母5.2聚四氟乙烯1.8~2.23电容器的分类0000PowerElectronicsPowerElectronics1000ge[V]PowerElectronicsPowerElectronicsPowerCapacitors630100Film-FoilCapacitorsMetalizedFilmCapacitorsPowerCapacitors100CeramicCapacitors63AluminumElectrolyticCapacitorsCouplingandRFCouplingandRFTantalumCapacitors106.3PSlPSlCouplingandRFCouplingandRFCapacitorsNiobiumCapacitorsNiobiumCapacitors411pF2pF1nF100nF1µF1000µF1FCapacitancePowerSupplyPowerSupply电容电路中电流UQdd电容电路中电流tUCtQidddd==电容存储的能量21CUCddtduCidtWUtt∫∫∫(J)20002CUCududtdtuCuidtW====∫∫∫(J)电容电压不能突变电容电压不能突变正弦交流(u=Umsinωt)电路中的电容正弦交流(m)电路中的电容)/t(ItXUtC/UtUCtuCim2sincos2cos12cos2ddπωωωωω+=====XC/tmc1dωX1式中5CXCω=式中二电容器的主要参数二、电容器的主要参数1.容量：单位－F，（mF），μF，nF，pF1.容量：单位F，（mF），μF，nF，pF误差等级－±1%（00）级，±2%(0)级，±5%（Ⅰ）级，±10%（Ⅱ）级和±20%（Ⅲ）级标称值－和电阻相同。按照公差等级决定序列。如公差10%1012151822273347如公差10%：1.0，1.2，1.5，1.8，2.2，2.7，3.3，4.7和6.8等，像4.7μF，0.047μF，47pF等等容量标注在外壳上测试条件为25°C1F测试频率为容量标注在外壳上，测试条件为25°C，1μF测试频率为120Hz，1μFC1nF测试频率为1kHz62电压定额2.电压定额电容器介质中的电场强度大于它的允许电场强度，这是绝缘介质中的电子被拉出来产生雪崩效应引起介质绝缘介质中的电子被拉出来，产生雪崩效应，引起介质击穿。额定电压一般比击穿电压低。高电压定额的电容需要更厚的介质比低电压体积大需要更厚的介质，比低电压体积大。额定直流电压：电容两极能施加的最高直流电压。额定交流电压：受损耗限制，一般比直流电压低得多。并随频率增加允许交流电压降低。例如：某电容直流额额定电压为600V，而50Hz交流额定电压为30V。某电容50Hz交流额定电压为流额定电压为某电容交流额定电压为400V，而在400HZ应用，额定电压降低为240V等。通常选择电容额定电压不得小于电容所承7通常选择电容额定电压不得小于电容所承受电路最高电压的125%。3ESRESL和损耗系数3.ESR、ESL和损耗系数电容等效电路：C，ESR，ESL和RSESRESLRLjCjZ++≈ωω1ESR：引线、焊接和介质极化损耗。介质损耗与温度和频率有关Cjω质损耗与温度和频率有关。ESL：引线、电容极板结构有关。RS：泄漏电阻，一般很大损耗系数：容量1μF，用120Hz；1μF，用1kHz。C（μF），DF（％）tanCRRDFESRESRωδ810000100010000taCCDFESRESRωωδ===各种电容引线结构典型ESL•SMT元件典型值在2~8nH。径向引线型电容在10nH～30nH，螺旋端子电容20~50nH，轴向引线型低于200nH。出头轴向引线型低于出头位置和固有电感，9纹波电流和定额4.纹波电流和dv/dt定额电容温升是ESR损耗引起的。为了保证电容的寿电容温升是ESR损耗引起的。为了保证电容的寿命,电容规定了允许纹波电流值，而有些电容规定了电压变化率，即dV/dt,一般用V/μs表示。决定此电容脉冲电流(CdV/dt)能力。电容损耗：ESRRIP2=PRTTTtham=Δ=−ESRRIPI－纹波电流有效值（A）;tham绝缘介质决定了最高温度T，环境温度T决定温升绝缘介质决定了最高温度Tm，环境温度Ta决定温升ΔT。而电容器的体积决定了散热面积，即决定了热阻，因此给定电容的允许损耗也就确定了。不同电容的ESR不同，各种电容允许的稳态电流有效值也不同。超过电容的温升，将引起电容寿命大大缩短或爆裂。10三电容类型和应用场合三、电容类型和应用场合3.1极性电容－电解电容－铝电解，钽电解和3.1极性电容电解电容铝电解，钽电解和铌电解电容1铝电解电容－一般电解电容指铝电解电容1.铝电解电容般电解电容指铝电解电容结构：纯铝阳极电极板一面电极，一面阳极化生成氧化铝介质，为了增加面积，增加电容量极板氧化成多孔结构。介质，为了增加面积，增加电容量极板氧化成多孔结构。电解液与阴极电气相连。温度范围：－25℃～85℃－40℃～85℃－55℃～温度范围：25℃～85℃，40℃～85℃，55℃～85℃，－40℃～105℃，－55℃～105℃和－55℃～125℃等等工作寿命：ESR增加30%，或电容量减少到80%判定电容寿命终止。温度上限的工作时间为工作寿命。如2k等等11小时，5k小时或10k小时等。寿命降额阿亨纽斯（Ahi）定律寿命降额：阿亨纽斯（Arrhenius）定律，容芯温度减少10℃，寿命增加1倍。电压超过额定电压也要降额。但额定工作电压最大不应大于电容定额的电压。压最大不应大于电容定额的电压。ESR与纹波电流：电解电容的温升是RESRI2引起的开关电源中输出纹波电压主要引起的。开关电源中输出纹波电压主要是ESR引起的。而I为纹波电流的有效值。ESR：20kHz以上，一般ESR与其容量的乘ESR：20kHz以上，般ESR与其容量的乘积为RESRC＝50~80×10-6(s)。12按开关电源允许输出纹波电压ΔUpp和纹波电流ΔI（Buck类LC滤波通常为负载电流电流ΔI（Buck类LC滤波通常为负载电流的20%）选择电容量。例：Buck类LC滤波输出电流为20A,允许纹波纹波电压为100mVf=50kHz选择电解波纹波电压为100mV。f=50kHz.选择电解电容。解波电流为为解：纹波电流为0.2Io=0.2×20=4A。因为ΔUpp＝ΔIRESR＝4×65×10-6/C,则需要C＝ppESR,4×65×10-6/0.1=2600μF。如果不考虑ESR按照此容量计算纹波电如果不考虑ESR，按照此容量计算纹波电压为ΔUpp＝ΔIT/2C13＝4×20×10-6/(2×2600×10-6）=15.4mV如果是反激类电感（反激变换器变压器Bt如果是反激类电感（反激变换器变压器，Boost，Buck/Buck，Cuk等电感）电容电流有很大的峰值电流除了按峰值电流选取电容I×R值电流。除了按峰值电流选取电容IOFp×RESR＝ΔUpp外，还应检查电容交流有效值不应当超过限值。超过限值。如果电感电流是连续模式(Ia－中值电流)：)1(DDIIa−=断续(Ip－峰值电流)：432OFOFpacDDII−=1443pac使用1.因为电容老化与温度紧密相关，多个电容安装在一起时电容之间应当留有空隙便于散热电起时，电容之间应当留有空隙，便于散热，电解电容不同外形尺寸的电容间距离为φ40以上5mmφ18～35应3mmφ6～16应2mm；5mm,φ18～35应3mm，φ6～16应2mm；2.电容安装时尽量不要靠近功率器件和发热源；3.不要用有机洗涤剂清洗；4.电路电压最高电压不超过耐压值的1.2倍；5.不能反极性；6已安装在PCB上的电容不得强迫拉压或歪扭；6.已安装在PCB上的电容不得强迫拉压或歪扭；7.在电压允许的情况下，电容的＋－端尽可能靠近减少引线电感15近，减少引线电感。2钽电容2、钽电容钽电容比铝电容具有好得多的高频特性，钽电容比铝电容具有好得多的高频特性，但价格贵，而且电压限制在100V和容量数百µF以下失效为常为短路极易着火数百µF以下，失效为常为短路极易着火。中功率电源输入最好选择铝电解电容而输出低压采用贴片钽电容当然贴，而输出低压采用贴片钽电容。当然贴片比插件的容量小而电压低。比铝电解电容更好的低温性能。钽电解电容选择与铝电解电容相似仍以钽电解电容选择与铝电解电容相似。仍以输出纹波电压和ESR选择电容量。1632无极性电容3.2无极性电容1.有机薄膜电容1.有机薄膜电容介质：薄膜电容有聚乙烯、聚酯（CL）、聚丙烯(CB)、聚四氟乙烯(CF)、聚碳酸脂（CLS）等薄膜电容。精密、温度特性好、低漏电流。类型：1.金属箔/膜电容－金属箔作为电极。极低的ESR，可以承受很高的dV/dt和交流电流。低的可以承受很高的/和交流电流体积大，价格高。容量小（低于0.01μF)2金属化电容－喷涂在介质铝层作为电2.金属化电容喷涂在介质铝层作为电极。ESR大，较低的dV/dt和交流电流能力。体积小价格低有自愈能力容量大17积小，价格低，有自愈能力。容量大。使用：相同容量金属箔常用于脉冲、交流高压、缓冲电路（snubber）和谐振电路。金属化电容在局部击穿时产生高温，金属箔蒸发不会短路，电容量减少极小，这种现象就是所谓自愈能力体积小价格低这类电容除了般自愈能力，体积小，价格低。这类电容除了一般应用以外，常用于电磁兼容的X电容和Y电容。金属化聚碳酸酯膜介质CLS体积小耐高温温度金属化聚碳酸酯膜介质CLS体积小，耐高温、温度系数小、绝缘电阻高、自愈性。常应用于逻辑控制电路延时积分滤波耦合和移相电路制电路、延时、积分、滤波、耦合和移相电路。*金属化电容不使用在低电容，小于0.01μF,谐振电路吸收电路低噪声路,吸收电路,低噪声。壳温升不超过15°C，高温环境壳温不超过最高允许温度18许温度。2无机介质电容2.无机介质电容云母电容云母片为介质浸银后形成电云母电容：云母片为介质，浸银后形成电极。电容量在数pF到1μF；电压定额在50Vd到2500V电压定额在50Vdc到2500V-55℃～150℃内电容量漂移不超过0.5%比有机介质箔电容更高的dV/dt能力体积较大成本较高适合于定时缓体积较大，成本较高。适合于定时、缓冲电路和高频交流电路使用。19陶瓷介质电容：介质成分是钛酸盐、铌镁酸铅等分类：3类分类：3类1类：高精度，1pF到几个mF；1类：高精度，1pF到几个mF；2类：独石电容和1类相同的壳体容量是以2类：独石电容，和1类相同的壳体，容量是以上电容20~70倍，但在温度－55℃～125℃范围内变化大约±10%最大变化为＋15%～－内变化大约±10%，最大变化为＋15%～25%；3类：电容容量是2类大约5倍，电容量随电压和温度变化较大。温度范围－25℃～85℃，电2