电容器基础知识资料.ppt
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1、,2006.9电容器基础知识(basic knowledge of capacitors)(摘自电容器及其应用第1章)编著 陈永真,XRY,上海向日亚电子有限公司,1,2,一、概 述二、物理性质三、介 质四、基本特性五、主要参数六、参数的表示方式七、电容器的命名八、数据表九、GBT 26932001 简介,XRY,上海向日亚电子有限公司,3,一、概,述,1.1 什么是电容1.2 什么是电容器,XRY,上海向日亚电子有限公司,4,1.1 什么是电容电容是什么?顾名思义,就是容纳电荷的能力。对任何一个“孤立”的不受外界影响的导体来说,当导体带电时,导体所带的电荷q与相应的电位U的比值C,是一个与导
2、体所带的电量无关的物理量,成为“孤,立”导体的电容。,即,C=,qU,(式 1),导体的电容表征导体特有的性质,在量值上等于这个导体为一单位时导体所带的电量。,XRY,上海向日亚电子有限公司,1.1,1.1,什,么,是,电,容,3,6,9,12,5,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1C,相应的电位为1V时,这个导体的电容即为1法拉,可以用大写的英文字母F表示。如果嫌法拉这个单位太大时,还可以用mF、F、nF、pF等较小的单位表示,他们相互关系为:1F=10 mF=10 F=10 nF=10 pF,XRY,上海向日亚电子有限公司,6,1.2 什么是电容器,电容器是什么?顾名
3、思义,就是容纳电荷的器件。当导体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,概念:“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”。电容器的电容量定义为:当电容器的两极板分别带有等值的异电荷q时,电量q与两极板间相应的电,位差UAUB的比值,即,C=,qU A U B,(式 2),XRY,上海向日亚电子有限公司,1.2,1.2,什,么,是,电,容,器,7,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。因此,可以看到,所谓“孤立导体”的电容器实
4、际上还是两个导体之间的的电容,与一般的电容不同的是,另一导体在无限远处而已。但是电容毕竟是导体之间的特性。孤立导体的电容器事实上是不存在的。,XRY,上海向日亚电子有限公司,8,二、物理性质2.1 电容的物理意义2.2 平板电容器的电容2.3 卷绕电容器的电容,XRY,上海向日亚电子有限公司,9,2.1 电容的物理意义电容器最基本的物理性质可以用(式2)表示,即电容、电荷、电位差(电压)的关系。由这个关系以及电荷和电流的关系还可以得到电路与电子学中最常用的电压与电流的关系,即,q=I t,(式 3),当电流是变化的时候,(式3)应写为:,q=idt,(式 4),XRY,上海向日亚电子有限公司,
5、2.1,2.1,C,1,电,容,的,物,理,意,义,在一般的应用中,电容器的两极板间的电位差成为电容器上的电压,用VC表示。这样由(式3)和(式4)得到电容器电压与电流的关系:1 duVC=idt(式 5)IC=C(式 6)dt电容器的储能为:A=C V 2(式 7)2单位是焦耳。这就是通常表示电容器所具有的储公式。,XRY,上海向日亚电子有限公司,10,2.1,2.1,q,1 Q2,电,容,的,物,理,意,义,1 1,2,2,dA=VdqA=Vdq,QW=A=0 VdqdA=VABdq=dqCA=dA=VABdq=0,Q,qC,dq=2 C,Q=C VABW=C VAB=C VC2 2,XR
6、Y,上海向日亚电子有限公司,11,9,12,2.2 平板电容器的电容,C=,0 Sd,(式 8),(式8)中:S为电容器的极板面积;d为极板间距离;0为真空介电系数;为极板间介质的相对真空介电常数。,0=,14 9 10,=8.85 10(C 2 N 1 m 2),从(式8)中可以得到:平板电容器的电容与极板面积成正比与极板间距离成反比,并且与介质的相对真空系数成正比。因此,与获得大的电容,应选用尽可能大的极板面积、尽可能小的极板间距离和尽可能大的极板间介电系数。这就是制造电容器的准则之一。,XRY,上海向日亚电子有限公司,12,2.3 卷绕电容器的电容卷绕电容器的电容量计算式为:,C=,S2
7、 d,=0.159,Sd,(式 9),式中:C为微法,S为电极面积(厘米2),d为介质厚度(厘米),为介电常数。,XRY,上海向日亚电子有限公司,13,三、介,质,3.1 介质的相对介电系数3.2 介质损耗3.3 介质击穿3.4 介质击穿场强3.5 介质吸收(弛豫时间)与残余电压,XRY,上海向日亚电子有限公司,14,3.1 介质的相对介电系数在物理学的实验中可以发现,对外界开路的并充以电荷的两电容极板间的电场变小。这一现象表明,插入介质的电容器的两极板间的电势减小,由(式1)得知:在电容器的电荷量不变的条件下,电容极板间电压减小的结果必然是电容量的增加。由此可知:电容极板间插入介质可以增加电
8、容量。为增加电容量,通常要在电容的极板间加入相对介电系数较大的介质。,XRY,上海向日亚电子有限公司,15,3.2 介质损耗在外加电压下,电介质一部分电能转换为热能的现象,成为介质损耗。一般来说,电介质都有微弱的导电性,因产生漏电流而引起的能量损耗是较小的。主要的介质损耗是在高频交变电压作用下,高频外电场使电介质反复极化的过程中发生的。频率越高,发热越显著。如果剧烈发热将使电介质丧失绝缘性能并引起破坏。,XRY,上海向日亚电子有限公司,16,3.3 介质击穿在强电场中,电介质中的一部分失去极化特征而成为导体,最后导致电介质的损坏(如晶格裂缝、氧化、熔化等)现象,这种现象称为电介质的击穿现象。电
9、介质的击穿有三种形式,即热击穿、化学击穿和电击穿。热击穿是电介质的损耗引起的,当损耗所产生的热量对于电介质向周围传递的热量时,电介质的温度迅速上升,电导率随之增加,甚至导致电介质的热损坏。所以,热击穿总是在电容器的最不好的地方发生的。,XRY,上海向日亚电子有限公司,17,3.3,3.3,化学击穿是电介质长期处于高压下工作之后出现的。强电场会在电介质表面或内部小孔附近引起的局部 介空气碰撞电离,从而引起电介质的电晕,生成臭氧 质击和二氧化碳。这些气体对有机绝缘材料是有害的,穿会使这些材料绝缘性能降低,并损坏电介质。电击穿是电介质在强电场作用下,被激发自由电子而引起的。这时,电介质中出现的电子随
10、电场的增大而急剧增大,从而破坏电介质的绝缘性能。,XRY,上海向日亚电子有限公司,18,8,3.4 介质击穿场强表1:电容器常用介质的相对介电常数、介质损耗和介电强度,介质材料空 气玻 璃云 母聚酯薄膜聚丙烯氧化铝低瓷介中瓷介高瓷介纯水电容器油电容器纸,相对介电系数1.000 5855106833.222.21001200120 00081.52.1,介质损耗0.010.00051.005(50HZ)0.02(106HZ)310-4(50HZ)0.010.020.030.006(50HZ)0.17,介电强度100300KV/mm10003000KV/mm300KV/mm400KV/mm70 0
11、00KV/mm200KV/cm280410KV/mm,XRY,上海向日亚电子有限公司,19,V,3.5 介质吸收(弛豫时间)与残余电压如果电容器不存在介质吸收,则接上直流电源时的初,始充电或极化电流是:,ti=e RC(式 10)R,式中,i为电容器的极化电流;V为外加电压;R为电容器串联的电阻;e为自然数(2.718);C为电容器的电容;t为时间。,XRY,上海向日亚电子有限公司,20,3.5,3.5,当时间t 趋于无穷大,极化电流趋于零。如果R 值小,这个过程将会在很短时间内完成,并且电容器充满电。但是实际上,对于固体介质电容器,将充,介,质,吸,收,满电的电容器瞬时放电后再开路,过一段时
12、间会因为有些原先的电荷被介质吸收,“在电容器的极板上”当然会积累新的电荷,这就产生成为介质吸收效应,对应的电容器产生的电压称为残余电压。对于液态电极或电介质,残余电压的产生则是有内阻,(,弛,豫,时,间,),与,造成的,这个内阻不仅仅是 ESR,而且是粗糙电极的深处的寄生电阻,这个电阻通常在电容器外无法测量。,残,余,电,压,XRY,上海向日亚电子有限公司,21,四、基本特性4.1 电容器各参数之间的关系4.2 电容器的连接4.3 电容器的主要作用,XRY,上海向日亚电子有限公司,22,4.1 电容器各参数之间的关系电容器在时域中电流和电压的关系为:,1u C=C idt 或 i=C,dudt
13、,(式 11),在正弦波Vmsint的激励下电容器中电流为:,i=C,dudt,=C V m cos t,=C V m s in(t+)2=I m s in(t+)2,(式 12),XRY,上海向日亚电子有限公司,23,4.1,4.1,=,=,Vm V 1 1,=X C(式 14),在正弦波的激励下,电容器上的电流超前电压/2,弧度即90;同样将(式12)中比较可得:Im=C Vm(式 13)电容器中的电流峰值与电压峰值的比为:I m I C 2 f C,电,容,器,各,参,数,之,间,的,式中:XC具有与电阻相同的量纲,因而成为电容器的电抗,简称为容抗。很显然,频率越高,容抗越,关,系,小;
14、同样,电容量越大,容抗越小。(式14)的关系也表明了电容器的滤波、旁路、隔离直流同时耦合交流信号的作用。,XRY,上海向日亚电子有限公司,24,容,器,的,串,联,4.2 电容器的连接,C1,C2,Cn,电串联电容器的电容:,1 1 1 LC C1 C2串联电容器的容抗:,1Cn,(式 15),X C=X C1+X C2+L+X Cn,(式 16),XRY,上海向日亚电子有限公司,25,的,并,联,1 1 1,C1,C2,Cn,电容器,并联电容器的电容:CC1C 2LCn并联电容器的容抗:,(式 17),X C X C1 X C2,L,1X Cn,(式 18),XRY,上海向日亚电子有限公司,
15、26,4.3 电容器的主要作用电容器的主要作用:储能、滤波、耦合、旁路、谐振、移相、保持(采样保持电路和积分电路)。,XRY,上海向日亚电子有限公司,27,五、主要参数5.1 额定电压与介电常数5.2 电容量5.3 容量误差5.4 损耗因数5.5 等效串联电阻5.6 温度系数5.7 工作温度范围5.8 漏电流5.9 寿 命5.10 实际电容器模型,XRY,上海向日亚电子有限公司,28,5.1 额定电压与介电常数电容器两端可以持续时加的电压,一般电容器为直流电压,专门用于交流电的则为交流有效值电压。电容器的额定电压(reted voltage)低于电容器的介电强度(dieletric stren
16、gth)(击穿电压),制作工艺不同,击穿电压与电容器的额定电压的差值也不尽相同。如电解电容器的氧化铝介质可以控制的非常精确,故一般的击穿电压为额定电压的1.11.3倍;其它介质则通常为1.752倍以上;抑制电源电磁干扰用电容器则需要更高的比值,以确保电气安全。,XRY,上海向日亚电子有限公司,29,5.2 电容量电容器的电容量(capacitance)由测量交流容量时所呈现的阻抗决定。通常交流电容量随频率、电压及测量方法的变化而变化,只不过不同的规格的电容器变化程度不一样而已,除非要求电容器特别精确、温度特性特别稳定,一般电容器的电容量随频率的变化低于电容量的容差精度。和频率一样,测量时温度对
17、电容器的容量有一定的影响。随着温度的下降,电容量会随之变化。,XRY,上海向日亚电子有限公司,30,5.3 容量误差电容器在制造过程中不可能确保每个电容器的电容量都与设计值(或标称值)完全一致,总是存在一定的偏差,即电容器的容量误差(tolerance)。电容器的误差多以百分数表示。多数电容器的电容误差为J级:5%;K级:10%;M级:20%;S级:50%20;Z级:80%20。,XRY,上海向日亚电子有限公司,31,5.4 损耗因数由于漏电流、介质吸收、等效串联电阻等原因产生的损耗与工作频率有关系。对于介质吸收,通常只要损耗低,其介电系数的变化就可以忽略。介质在电场的极化过程使分子间碰撞而消
18、耗能量,从而产生损耗,因而也造成了介电系数的下降。在电解电容中,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忽略不计。因此,电解电容的损耗因素(dissipation factor)则以串联等效电阻ESR同容抗1C之比,有时也称损耗角正切(tan)表示。因此,电解电容的损耗角正切(tan)是随频率上升的。,XRY,上海向日亚电子有限公司,32,5.4,5.4,损耗因素标志着电容器本身在工作时自身的损耗大小,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,损,耗,因,数,器存储的功率之比,即,损耗因素=,每个周期消耗的功率每个周期存
19、储的功率,这就是电容器损耗因素的最基本的定义。,XRY,上海向日亚电子有限公司,33,5.5 等效串联电阻电容器电极到引出端的电阻,一般箔式电容器的等效串联电阻(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。,XRY,上海向日亚电子有限公司,34,5.6 温度系数温度系数(temperature characteristics)是电容量随温度变化的程度,有的介质的介电系数随温度的升高而变大,大多数的介质属于这一类,通常其变化范围小于容差范围;而有的介质随温度的上升而减小
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