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瓷片电容器_图

发布日期:2021-01-14 23:15 作者:beat365亚洲官网

  第 1 页 共 23 页 1、概 述: .........................................................................1 1.1 电容器的种类 ...................................................................1 1.2 电容器的主要特性参数 ...........................................................4 1.2.1 容量(CR)与误差 ...........................................................4 1.2.2 额定工作电压 (UR) .......................................................4 1.2.3 温度系数(TC) ...........................................................5 1.2.4 绝缘电阻(Rj) ...........................................................5 1.2.5 损耗(tgδ) ...............................................................5 1.2.6 频率特性 .................................................................6 1.3 电容器选用与注意事项 ...........................................................6 1.3.1 选择合适的种类 ...............................................................6 1.3.2 合理确定电容器的精度 .....................................................7 1.3.3 确定电容器的额定工作电压 .................................................7 1.3.4 尽量选择绝缘电阻大电容器 .................................................8 1.3.5 考虑温度系数和频率特性 ...................................................8 1.3.6 注意使用环境 .............................................................8 1.3.7 交流条件下工作的电容器,要考虑以下因素: .................................8 2、 陶瓷电容器 ........................................................................9 2.1 概 述 ........................................................................9 2.2 各类瓷介电容器的性能特点 .......................................................9 2.2.1 特点和用途 ...............................................................9 2.2.2 容量、损耗测试条件 .....................................................10 2.2.3Ⅰ类瓷介电容器组别介绍 ..................................................10 2.2.4Ⅱ类瓷片电容器组别介绍 ..................................................11 2.2.5Ⅲ类(半导瓷)瓷介电容器组别介绍(GB 11305-1996) ..........................12 2.3 工艺流程简介 .................................................................12 2.3.1 瓷片电容器: ............................................................12 2.3.2 独石电容器: ............................................................12 2.3.3 贴片电容器: ............................................................12 2.4 瓷介电容器主要性能参数 ........................................................13 2.4.1 电性能参数 ..............................................................13 2.4.2 机械参数 ................................................................14 2.5 瓷介电容器选用注意事项 ........................................................14 3、电容器的寄生作用和杂散电容 ........................................................15 4、电源电路中的电容器 ................................................................22 陶瓷电容知识 1、概 述: 1.1 电容器的种类 因电容器的用途、结构及材料的不同,其种类繁多,一般按照制造电容器的介质材料来进行 分类,可大致分有机介质电容器、无机介质电容器、电解电容器;由于技术的不断进步,一些新 型电容器也在不断涌现(比如双电层电容器、晶界层电容器),其介质层已经与传统的直接介质材 料(看得见、摸得着)完全不同。常见电容器种类见表 1。 表 1 常用电容器种类 类别 品种 性能简介 主要用途 有机介质 电容器 无机介质 电容器 第 2 页 共 23 页 工艺简单,容量范围宽、工 主要用在低频电路中, 纸介电容器 作电压高、成本低;缺点是损耗 比如电力电容器(电压高达 大、热稳定性差。金属化纸介电 几十千伏)、启动电容。 容具有良好的自愈作用。 容量范围大、工作电压范围宽、 可以取代纸介电容器, 涤纶电容器 耐热性好(120~130℃可正常工 一般用在直流及脉动电路 (也叫聚酯电容) 作),缺点是损耗大,是有机薄膜 中,不宜在高频电路中使 电容器中产量最大的品种。 用。 生产过程需要对电容器芯子 在滤波器及对容量要求 进行热处理,以使聚苯乙烯变成 精度高的电路(比如电子 塑性状态,再经老化以提高电容 琴)中普遍采用;其缺点是 聚苯乙烯电容器 器稳定性;容量范围为几十皮法 工作温度范围不宽,上限为 到几微法,额定电压范围从几百 +75℃。所以焊接时间尽可 伏到数钱伏。绝缘电阻高、损耗 能短,以免因过热损坏薄 小、容量稳定。 膜,这种电容用量渐渐减 少。 是一种质量优秀的有机薄膜电容 用于电视机、仪器仪表的 器,具有优良的高频绝缘性能, 高频电路作积分电容,也可 容量、损耗在很大范围内与频率 用在其他交流电路中,是音 聚丙烯电容器 无关,温度系数很小,而且介电 响系统中分频电容的最好 (抗干扰电容) 强度随温度的上升而有所增加, 选择。在精密、高稳定电路 这是其他介质材料难以具备的特 中,逐渐取代纸介、聚苯乙 点;耐温性好,吸收系数小,其 烯电容。 他机械性能也优于聚苯乙烯。 比聚酯电容性能优良,耐热性 可代替涤纶、纸介电容 聚碳酸酯电容 与涤纶电容相似。 器,广泛用于直流、交流及 脉动电路中。 高绝缘电阻,低功率系数,低电 主要用于收音机、电视机 云母电容器 感,损耗小、频率稳定性好、高 及无线电通讯设备中,在高 频特性优异,耐高温,分布电容 频、高温下得到更广泛的应 小;缺点是容量较小、体积大, 用;特别适合于高频,在 价格高。 500M 的频率范围性能优良。 有多种温度特性可供选择, Ⅰ类瓷介电容器常用 容量范围和电压范围宽,价格低 于高频电子电路或者用在 廉,是用量最大的电容器品种之 温度稳定性要求高或者补 一。 偿其他元件特性随温度变 瓷介电容器 Ⅰ类瓷介电容器损耗小,容 化的场合; 量对温度、频率、电压和时间的 Ⅱ类瓷介电容器长用于 稳定性好; 低频电路中,中高压陶瓷电 Ⅱ类瓷介电容器体积小、容 容器多为Ⅱ类瓷; 量大,但稳定性稍差、损耗大; Ⅲ类主要用于滤波旁路 Ⅲ类属半导体瓷,容量可以 电容和耦合电容。 做的很大,体积小,但工作电压 低、损耗大、绝缘电阻低。 电解电容器 新型电容器 铝电解电容器 钽电解电容器 MLCC 片式铝电解 片式钽电解 第 3 页 共 23 页 已形成多个等级产品系列,容 广泛用在直流和低频 量范围宽,从 0.1μF 到十几万微 电路中,作为滤波、旁路和 法 , 甚 至 法 拉 级 ; 电 压 从 耦合电容器,有些场合做储 6.3V~600V,大规模生产使得铝电 能电容;音频专用无极性电 解电容器物美价廉,获得最广泛 解电容与普通无极性电容 的应用。铝电解电容器损耗较大, 不同,体积较大,损耗低漏 温度、频率特性差,绝缘性能差, 电流小,在音响分频电路中 电 解 液 随 着 时 间 的 推 移 渐 渐 干 用量较多。 涸、老化,过热甚至发生爆炸, 不宜用在低温和低气 因此体积稍大(φ8 以上)产品必 压环境下。 须有防爆槽。 有固体和非固体钽电解电容 主要用于军品中及高稳 器之分,各项性能指标均优于铝 定仪器仪表线路,如振荡回 电解电容器: 路,时间常数电路、通讯设 化学稳定性高,漏电流小, 备、航空航天设备。 耐压高,耐高温性好,机械强度 高,体积小,但价格较贵,民用 产品中用量不大。由于制造成本 的原因,一般工作电压做的不高, 常用的为 6.3V~125V。 即多层叠片陶瓷电容,一般有 是 SMT 中用量最大的电容 三 种 温 度 特 性 可 供 选 用 ( Ⅰ 类 器,Ⅰ类(NPO)MLCC 具有 NPO,Ⅱ类 X7R、Y5V),大规模生产, 极高的稳定性,用于对容量 价格低廉,规格齐全,是 SMT 的 精度和应用频率较高的如 主 要 电 容 器 品 种 。 容 量 从 谐振电路中;Ⅱ类(X7R、 0.47PF~27μF,电压从 10V~200V; Y5V)MLCC 具有很高的比体 尺寸方面,由早期的 1210、1206、 积容量,适合于旁路、耦合、 0805 基本已经淘汰,0603、0402 滤波以及对容量稳定性要 是目前市场的主流,0201 产品现 求不高的鉴频电路中。在有 在正在走向商品化。 些场合正逐步取代钽电解 电容。 本质上与引线式电解一样,但 属铝电解电容器的高端 结构上不同,采用扁平引线,有适 品种,在日本已经大规模商 于贴装的基座;由于采用特殊电 业化生产,国内生产厂家较 解液和耐高温抗老化胶塞,其性 少.。适合于表面贴装需要 能 和 寿 命 比 普 通 铝 电 解 优 异 许 铝电解的场合。 多。 片钽具备普通钽电解电容的性 高 密 度 表 面 贴 装 设 备 能优点,同时具有体积小、宽温、 中,如个人电脑、移动电话、 高稳定、频率特性好的特点,很 摄象机、雷达等。 适合高密度表面贴装的高档电子 产品。电压范围在 4~50V,常用容 量范围 0.1~100μF。 双电层电容器 (法拉电容\超级 电容器) 第 4 页 共 23 页 是介于电池和电容器之间的一 种特种电容器,具有超大容量, 能作到法拉级容量。双电层电容 器不存在介质,也不是基于极化 现象,而是依靠电极与电解质接 触的界面上形成特有的双电层结 构储存能量并获得容量的。除超 大容量外,双电层电容器还具有 充放点能力强、漏电流小,电荷 储存时间长等特点,从而具有电 池的特性。 由于等效电阻大目前只 能用在直流或低频电路中, 如作为计算机瞬时保护电 源,大电流启动、点火、报 警等装置中的一次电源,闪 光灯以及低频滤波、延时电 路,定时器等。 表 1 中所列的仅是常用的电容器种类,比较少见的品种,如聚四氟乙烯电容器、聚亚酰胺薄膜 电容器、复合薄膜、漆膜电容器、叠片形金属化聚碳酸酯玻璃釉、真空电容器、气体电容器等,是在 一些特殊场合才得以应用,所以不作详细介绍。 表中所列的新型电容器,并不是其品种新,而是该类型电容器近几年技术上获得了巨大的发展, 应用范围也越来越大,将其单列是为了大家便于了解。 目前用量最大的电容器为铝电解电容、陶瓷电容(含 MLCC)、薄膜电容是世界上用量最大的电容 器品种,下面详细分别介绍各类电容器的特点及选用注意事项。 1.2 电容器的主要特性参数 电容器性能参数包括电性能参数、结构特性参数和使用条件等方面的参数。较常用的参数如下: 1.2.1 容量(CR)与误差 电容器的电容量,表示加上电压后它储存电荷的能力大小。储存电越多,电容越大;储存电荷 越小,电容量越小。电容量与电容器的介质薄厚、极板面积、极板间距等因素有关。 电容量的单位有 F(法拉)、mF(毫法)、μF(微法)、nF(纳法)、pF(皮法),其换算关系如下: 1F=103 mF=106μF=109 nF=1012 pF 电容器的实际容量和标称容量存在一定的偏差,称为电容量误差。电容器实际容量对于标称容 量允许最大偏差范围称为电容量的允许误差。 精密型电容器的允许误差较小,而电解电容器的允许误差较大,所以它们分别采用不同的允许 误差等级。 常用的电容器的精度等级与电阻器的表示方法相同,用字母D表示005级,允许误差为± 0.5%;F表示01级,允许误差为±1%;G表示02级,允许误差为±2%;J表示Ⅰ级,允 许误差为±5%;K表示 II 级,允许误差 为±10%;M表示 III 级,允许误差为±20% ; Z 表示允许误差为+80/-20%。 1.2.2 额定工作电压 (UR) 额定工作电压是该电容器在电路中能够长期可靠地工作而不被击穿,所能承受的最大直流电。 它与电容器结构、介质材料和介质的厚度有关。 当在电容器两极板间施加电压之后,极板间的电介质便处在电场中,本来是中性的电介质, 由于外电场力的作用,介质分子内的正负电荷将在空间位置上发生少许偏移(如负电荷逆场方向移 动),形成所谓的电偶极子,也就是介质内部出了电场,破坏了原来的电中性状态。这种现象叫做 电介质的极化。可见,极化状态下的介质是带电荷的,但这些电荷依然受介质本的束缚而不能自由 行动,介质绝缘性能尚未遭到破坏,只有少数电荷脱离束缚而形成很小的漏电流。 如果外加电压不断加强,最后则将使极化电荷大量脱离束缚,引起漏电流剧增,于是介质的 绝缘性能便遭到破坏,使两个极板短接,完全丧失电容的作用,这种现象称为介质击穿。介质击穿 之后,电容器被毁坏。因此,电容器的工作电压要有一定限制,不能任意增加。作为电性能参数, 常用工作电压(保证能够长期正常工作的电压)、试验电压(短时间内,通常是几秒钟而被击穿的 电压)和击穿电压(在迅速试验中,通常只有几秒钟而被击穿的最低电压)等电压值来表示。三者 第 5 页 共 23 页 之间的关系是,工作电压小于试验电压,而试验电压又小于击穿电压。在使用过程中,应注意工作 电压的额定值,选择额定工作电压高于实际工作电压的电容器并留有一定的电压余量,以保证电容 器安全可靠工作。 一般来说,不同材质的电容器额定电压余量是不同的,比如瓷片电容器电压余量最大(至少有 2~3 倍的设计余量),铝电解电容电压余量最小(只有 1.06~1.2 倍),在选择时注意这点。 另外电容器的额定电压一般都是指直流电压,交流对电容器的破坏相当严重,假如需要用在 交流电路中,电容器所能承受的电压值应大大折扣,比如表 2 所示为薄膜电容器交流电压与额定电 压的换算关系,选择时予以重视。 表 2 与直流电压额定值对应的交流工作电压换算参考 VDC (V) 允许最高交流工作电压(50HZ或 60HZ)VAC(V) 金属化聚酯 小型金属化聚酯 高频金属化聚丙烯 100 63 40 — 250 150 100 150 400 200 150 200 630 250 200 250 专门设计的交流电容器与普通电容器结构、材料、工艺上有所区别,抗电强度要求更高,比 如 Y1 型安规陶瓷电容,必须能承受 10 倍额定交流电压的试验而不损坏;在不能确定某种电容器的 交流特性值时,一定要咨询生产厂家并索取相关技术资料。 电容器的额定电压是按照一定的优选系列选择的,不是任意取值,比如铝电解电容器的额定 电压系列为 6.3V、10V、16V、25V、35V、50V、63V、100V、160V、200V、250V、400V、450V 等, 应在这些系列电压值中选择。假如要求厂家提供 80V 额定电压的铝电解电容,显然是不合理、不科 学的选择。 1.2.3 温度系数(TC) 电容器的容量会随着温度的变化而变化,这种变化的大小用温度系数来表示。温度系数是指在 一定温度范围内,温度每变化1度,电容量的相对变化值。 电容器的温度系数主要决定于介质材料的温度特性及电容器的结构。温度系数大,则容量随温 度的变化也越大。在实应用中,为了使电路工作稳定,希望温度系数越小越好。 1.2.4 绝缘电阻(Rj) 绝缘电阻表明电容器漏电的大小。电容器漏电越小越好,也就是绝缘电阻越大越好。一般小容 量电容器的绝缘电阻很大,可达几兆欧或几千兆欧。电解电容器的绝缘电阻一般较小。 电容器的绝缘电阻主要取决于介质的绝缘电阻和电容器表面绝缘电阻的大小。介质绝缘电阻 的大小与介质材料的体电阻率、漏电流通过的面积和极间的距离有关。表面绝缘电阻与电容器引出 之间的绝缘材料的电阻率与引线长度和引线之间的距离也有关。 对于大容量的电容器,由于它的极板面积大,介质面积也大,介质厚度也较薄,因此这种电 容器介质绝缘电阻远比表绝缘电阻小,绝缘电阻主要由介质绝缘电阻来决定。 对于小容量的电容器,例如容量为几皮法的电容器,由于它的极板面积小,介质面积也小,介 质绝缘电阻较大。因此这种电容器的绝缘电阻通常取决于电容器的表面绝缘电阻。 电解电容器以漏电流反映绝缘电阻,单位为μA。 1.2.5 损耗(tgδ) 在电场作用下,电容器单位时间内发热而消耗的能量叫电容器的损耗。理想的电容器在电路中 不应消耗能量。但是实际情况不是这样。电容器或多或少都要消耗能量。电容器的能量消耗主要由 介质损耗和金属部分的损耗组成,通常用损耗角正切值(tgδ)来表示。 ① 介质损耗 介质损耗包括电导损耗、极化损耗和电离损耗等。电导损耗是介质的漏电流所引起的。任何 绝缘介质都不是理想的绝缘体,因此都具有漏电流,从而引起损耗。损耗的大取决于介质材料的 特性,同时还同该材料厚度、工作频率的高低以及环境温度有关。通常材料越薄,工作频率越高, 第 6 页 共 23 页 环境温度越高,导损耗就越大。极化损耗一般是由于介质同极化比较缓慢造成的。介质的极化通 常有离子式、电子式和偶极子极化三种形式。电子式、离子式极化能量损耗是很小的,可以忽略 不计。而偶极子极化是属于缓极化的一种形式,其损耗大小与温度和频率有关,因此使损耗角正 切值随温度和频率的变化而起伏波动。第三类介质损耗是电离损耗。电容器的介质与极板之间的 边缘部分存在着空气隙。当气隙之间的电压超过电离电压时,气隙间产生放电,因而引起能量的 损耗。这时的损耗角正切值与外加在电容器上的电压有关。当外加电压低于电离电压时,损耗角 正切值几乎不变或变化极小,一旦大于电离电压时,就会使损耗角正切值急剧增加。 ② 金属损耗 金属损耗包括金属极板所具有的电阻和极板与引出端连接的接触电阻所引起的损耗。当电 容器处于高频工作时,这种损耗在整个中占的比例是很大的。由于各种金属材料的电阻率不同, 金属损耗随频率和温度增高增大的程度也不同。 1.2.6 频率特性 电容器的频率特性通常是指电容器的电参数(如电容量、损耗角正切值等)随电场频率而 变化的性质。在高频条件下工作的电容器,由于介电常数在高频时比低频时小,因此电容量将相应 地减小。与此同时,它的损耗将随频率的升高而增加。此外,在高频工作时,电容器的分布参数, 如极片电阻、引线和极片接触电阻,极片的自身电感等,都将影响电容器的性能,由于这些因素的 影响,使得电容器的使用频率受到限制。 不同品种的电容器,最高使用频率范围不同。小型云母电容器在250MHZ,圆片型瓷介 电容最高工作频率为300MHZ(NPO),小型纸介电容器最高工作频率为80MHZ,中型纸介 电容器只有8MHZ等,选择在高频电路中使用的电容器时一定要参考厂家技术资料规定的电容器 最高使用频率。 1.3 电容器选用与注意事项 1.3.1 选择合适的种类 能满足电路使用要求的电容器种类可能不止一种,选择时应综合考虑。在满足要求的情 况下,就要考虑价格因素。 一般在电路中用于低频耦合、旁路去耦等,电气性能要求不严格时,可以采用纸介电容 器、电解电容器等。低频放大器的耦合是容器,选用 1~22uF 的电解电容器。旁路电容器根据电 路工作频率来选,如在低频电路中,发射极旁路电容选用电解电容器,容量在 10~220uF 之间, 在中频电路中可选用 0.01~0.1uF 的纸介、金属化纸介、有机薄膜电容器等;在高频电路中,则 应选用云母电容器和瓷介电容器。 在电源滤波和退耦电路中,可选用电解电容器。因为在这些使用场合中对电容器的要求不高 只要体积允许、容量足够就可以。 对于可变电容器,应根据电路统调的级数,确定采用单联或多联可变电容器,然后根据容量 变化范围、容量变化曲线、体积等要求来确定相应品种的电容器。 表 3 电容器性能参数的一般分类 适用频率范围 电容器名称 电容量范围① 耐热性(℃)② 空气电容器 甚小 85~125 Ⅰ类陶瓷电容器 小 85~125 高频高频 云母电容器 小、中 70~125 (1MHZ 以上) 玻璃电容器 小、中 85~125 聚苯乙烯电容器 小、中 70~85 聚四氟乙烯电容器 小、中 200 云母纸电容器 小、中 125~300 Ⅱ类陶瓷电容器 中、大 85~125 音频 纸介(包括金属化) 小、中、大 70~125 (1KHZ~20KHZ) 聚碳酸酯电容器 小、中、大 125 涤纶电容 小、中、大 125 第 7 页 共 23 页 铝电解电容 大、甚大 70~105 低频 钽箔电解电容器 大、甚大 80~125 (几百赫兹) 烧结钽电解电容器(液体钽) 大、甚大 85~125 烧结钽电解电容器(固体钽) 中、大、甚大 85~200 ①电容量范围:甚小—几至几百皮法;小—几百至万皮法;中—几万皮法至 1 微法;大—1~10 微法;甚大—10~几千微法 ②电容器能承受的极限温度,此温度下电容器性能比常温下有所变化,易老化。 电容器 类型 空气电容器 Ⅰ类陶瓷电容器 Ⅱ类陶瓷电容器 玻璃电容器 密封云母电容 小型韵母电容 密封纸介电容 小型纸介电容 金属化纸介电容 薄膜电容 直流电解电容 交流电解电容 钽电解电容器 隔直流 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 表 3 各类电容器的主要应用场合 应用范围 启动 脉冲 旁路 耦合 滤波 调谐 交流 ○○○ ○ ○ ○○○ ○○ ○ ○○○○○ ○○ ○ ○○○○ ○ ○ ○○○ ○ ○○○○ ○ ○ ○ ○○○ 温度 补偿 ○ 储能 ○ ○ 1.3.2 合理确定电容器的精度 在旁路、退耦、低频耦合电路中,一般对电容量的精度没有很严格的要求,选用时可根据 设计值,选用相近容量或容量略大些的电容器。 但在另一些电路中,如振荡回路、延时回路、音调控制电路中,电容器的容量就应尽可能和 计算值一致。在各种滤波器和各种网络中,对电容量的精度有更高的要求,应选用高精度的 电容器来满足电路的要求。 1.3.3 确定电容器的额定工作电压 为了使电容器在是路中能长期安全可靠地工作,在选用电容器时除了要注意容量的大小, 还必须考虑耐压这个参数。 电容器接入电路后,如果电路工作电压高于电容器的额定工作电压,电器就容易发击穿而导 致损坏。选用电容器时,应使额定工作电压高于实际工作电压,并留有足够的余量,以防因 电压波动而损坏电容器。为保证电容器安全可靠地工作,对一般电路,应使工作电压低于电 容器的额定工作电压的 10%~20%。在某些特殊路中,电压波动幅度较大,可留有更大的余量。 在半导体收音机中,由于它的电源电压一般不高,常用 1.5~6V 的电池供电,因此电容器的 额定工作电压只要大于6.3V 或 10V 即可。而用于旁路、耦合等电容器,其额定工作电压不 可适当降低。 电容器的额定工作电压通常是指直流值。如果直流中含有脉动成分,该脉动直流的最大值应 不超过额定值;如果工作于交流,此交流电压的最大值应不超过额定值。并且随着工作频率 的升高,工作电压应降低。 有极性的电解电容器不能用于交流电路,只能在脉动直流下工作,其脉动电压加直流电压的 最大值不能超过允许值。电解电容器的耐温度性能很差,如果工作电压超过允许值,介质损 第 8 页 共 23 页 耗将增大,很容易造成温升过高,最终导致损坏。一般说来,电容器工作时只允许出现较低 的温升,否则属于不正常现象。因此,在设备安装时,应尽远离发热元件(如大功率管、变 压器等)。如果工作环境温度较高,则应降低工作电压使用。 一般小容量电容器的介质损耗很小,耐温度性能和稳定性都比较好,但电路对它们的要求往 往也比较高,因此选择额定工作电压时仍应留有一定的余量,也要注 意环境工作温度的影响。 1.3.4 尽量选择绝缘电阻大电容器 绝缘电阻越小的电容器,其漏电流就越大,漏电流不仅损耗了电路中的电能,重要的 是它会导致电路工作失常或降低电路的性能。漏电流产生的功率损耗,会使是容器发热,而 其温度的升高,又会产生更大的漏电流,如此循环,极易损坏电容器。因此在选用电容器时, 应选择绝缘电阻值足够高的电容器,特别是高温和高压条件下使用的电容器,更是如此。另 外,作为是桥电路中的桥臂、运算元件等场合,绝缘是阻值的高低将影响测量、运算的精度, 必须采用高绝缘电阻值的电容器。电容器的损耗在许多场合也直接影响到电路的性能,在滤 波器、中频回路、振荡回路等电路中,要求损耗尽可能小,这样可以提高回路的品质因数, 改善电路的性能。 1.3.5 考虑温度系数和频率特性 电容器的温度系数越大,其容量随温度的变化就大,这在很多电路中是不允许的。例如 振荡电路中的振荡回路元件、移相网络元件、滤波器等,温度系数大,会使电路产生漂移, 造成电路工作不稳定。这些场合应选用温度系数小的电容器,以确保其能稳定工作。 另外在高频应用时,由于电容器自身电感、引线电感和高频损耗的影响,电容器的性能 会变差。频率特性差的电容器不仅不能发挥其应有的作用,而且还会带来许多麻烦。例如, 纸介电容器的分布电感会使得高频放大器产生超高频寄生振荡,使电路不能正常工作。所以 选用高频电路的电容器时,一要注意电容器的频率参数,二是在使用中注意电容器的引线不 能留得过长,以减小引线电感对电路的不良影响。如在收音电路中,输入回路、本振回路、 中频回路中的电容器应选用温度系数小的电容器;在混频、中放、振荡电路中使用的电容器 应考虑高频特性。有时为了避免电容器分布电感的影响,常在大容量去耦电容器的两端,并 联一只小容量的电容器。因为只用一只电解电容器,往往不能很好地完成旁路任务,造成中 放自激或其他级工作失常,如果用一只高频性能较好的云母或陶瓷电容器与该电解电容器并 联,其容量虽然不大,但对中频和高频信号各自都有有良好的通路,从而消除了有害的耦合。 1.3.6 注意使用环境 使用环境条件的好坏,直接影响电容器的性能和寿命。 ● 长期工作在温度较高的环境中,电容器易产生漏电并加速老化,高温环境下电容量也会发 生一定的变化,因此在设计时,在成本允许的情况下,应尽可能选用温度系数小的电容器, 并远离热源和改善机内通风散热条件,必要时应采用强迫风冷。 ● 在寒冷条件下,由于气温很低,普通电解电容器会因电解液结冰失效,使设备工作失常, 因此必须选择耐寒的电解电容器。 ● 低气压环境下,慎重使用电解电容器。 ● 在多风沙条件下或在湿度较大的环境下工作时,则应选用密封型电容器,以提高备的防 尘抗潮性能。 1.3.7 交流条件下工作的电容器,要考虑以下因素: ● 直流电压值加上交流电压峰值不得超过此值; ● 功率损耗产生的内部温升,此值不应使全部温升(包括环境温度影响)超过最大额定温度; ● 电晕起始电平,电晕能在相当低的交流电平下产生; ● 绝缘电阻:小容量电容器的绝缘电阻单位为MΩ,大容量电容器的绝缘电阻用参数RC,即 时间常数表示,单位为MΩ.μF,电解电容器以漏电流来反映绝缘电阻,单位为μA。 2、 陶瓷电容器 第 9 页 共 23 页 2.1 概 述 1、电容器用陶瓷的分类方法: 适合做电容器的陶瓷很多,为了生产和使用上的规范,将电容器用陶瓷材料按照其性能特点进行 分类,分类的主要依据是介电常数ε、损耗角正切 tgδ、频率特性、温度特性、电压特性等综合考虑, 我国已有完整的电容器用陶瓷材料分类标准,将电容器瓷分成三类(1、2、3 类),由此也将陶瓷电容 器分成 1、2、3 类瓷介电容器。通常将 1 类瓷称做高频瓷(顺电体陶瓷),2 类瓷称为低频瓷(铁电体 陶瓷),3 类瓷称为半导体瓷。 2、电容器瓷的介电常数并非一个恒定值,是一个与温度有关的电参数,为了描述介电常数这种温 度特性,对 1 类瓷用温度系数TC(也用α表示,单位 10-6/℃)来表达,对 2、3 类瓷用介电常数ε随温度 的变化率△ε/ε(%)来表达。温度特性是各类陶瓷电容器瓷分组的主要依据。 3、陶瓷电容可以有引线,也可以无引线(比如 MLCC:贴片陶瓷电容);其包封材料可以是酚醛树 脂(液体涂封)、环氧树脂(粉末涂装,兰色、红色、绿色各种颜色)、釉膜涂装(烧结涂装)。 4、相关词语解释: z 结构类似元件:用相同的工艺和材料制造的电容器,即使它们的外形尺寸和数值可能不 同,也可以认为是结构类似的电容器。 z 初始制造阶段:单层电容器的初始制造阶段是形成电极的介质金属化(即被银瓷片生产)。 多层电容器的初始制造阶段是介质-电极叠压后的第一次共同烧结。 z 1 类瓷介固定电容器:专门设计并用在低损耗、电容量稳定性高或要求温度系数有明确规 定的谐振电路中的一种电容器。例如,在电路中做温度补偿之用。该类陶瓷介质是以标 称温度系数来确定的。 z 2 类瓷介固定电容器:适用于作旁路、耦合或对损耗和电容量稳定性要求不高的电路中的 具有高介电常数的一种电容器。该类陶瓷介质是以在类别温度范围内电容量非线性变化 来确定的。 z 3 类瓷介固定电容器:是一种具有半导体特征的瓷介电容器。该类电容器适于作旁路、耦 合之用。该类陶瓷介质是以在类别温度范围内电容量非线性变化来确定的。 z 内电极:多层电容器介质金属化以形成容量的电极,通常与介质一起烧结,一般是银、 钯、镍材料。 z 外电极(多层电容器):与内电极连接以用来供测试、焊接固定的电极,一般是多次电镀 (铜、镍、锡)而成。 z 专门预处理:2、3 类陶瓷介质大多数具有铁电特性并呈现一个居里温度点,这就造成 2、 3 类陶瓷电容器电容量按对数规律随时间不断减小(称做老化)。将电容器加热到居里点 以上的温度,就发生“去老化”,即通过“老化”而减小的容量又重新恢复。专门预处理 的目的是为了使电容器达到与其先前历史无关的一种确定状态。除非详细规范中另有规 定,试验或试验顺序之间,应按下列条件进行专门预处理:将电容器在上限类别温度下 或者在详细规范中规定的更高温度下经 1 小时后,接着在试验的标准大气条件下恢复 24 ±1 小时。 2.2 各类瓷介电容器的性能特点 2.2.1 特点和用途 表 1. 瓷介电容器分类特点 Ⅰ类瓷介电容 具有损耗低和电容量稳定性高的特点,并有多种温度系数, (GB/T 5966-1996) 适用于谐振回路和需要补偿温度效应的电路中。 Ⅱ类瓷介电容器 适用于作旁路或耦合使用,或用在低频损耗和电容量稳定 (GB/T 5968-1996) 性都并非重要的鉴频电路中。 Ⅲ类(半导体型)瓷介电容器 具有体积小、容量高、稳定性一般等特点,适用于要求小 (GB 11305-1996) 体积和绝缘电阻低的低频电路中。 第 10 页 共 23 页 2.2.2 容量、损耗测试条件 表 2. 瓷介电容器容量、损耗测试条件 类别 测试条件 测量电压:≤5V,除非在详细规范中另有规定。 1类 频率:CR≤1000PF 者,f=1MHZ 或 100KHZ(仲裁频率 1MHZ) CR>1000PF 者,f=1KHZ 或 100KHZ(仲裁频率 1KHZ) 测量温度:20±5℃(仲裁温度 20±1℃) 等级(温度特性组别) 测量电压 2B、2C、2X 1.0±0.2V 2D、2E、2F、2R 0.3±0.2V 2类 测量频率: CR≤100PF 者,f=1MHZ,除非在详细规范中另有规定。 CR>100PF 者,f=1KHZ 测量温度:20±2℃(仲裁温度 20±1℃) 温度特性 测量电压 3A、3B、3C 1.0±0.2V 3类 3D、3E、3F、3G 0.3±0.2V 测量频率:f=1KMHZ100KHZ(仲裁频率 1KHZ) 测量温度:20±2℃(仲裁温度 20±1℃) 2.2.3Ⅰ类瓷介电容器组别介绍 z GB/T 5966-1996 表 3. 1 类瓷介电容器优先温度系数等级和代码 标称温度系数 标称温度系数允 等级 字母代码 (a)10-6/℃ 许偏差 10-6/℃ a 允许偏差 +100 ±15 ±30 1A F A 1B G ±15 1A F 0 ±30 1B C G ±60 1F H ±15 -33 ±30 1A F H 1B G ±15 -75 ±30 1A F L 1B G ±15 1A F -150 ±30 1B P G ±60 1F H -220 ±15 ±30 1A F R 1B G -330 ±30 ±60 1A G S 1B H -470 ±30 ±60 1A G T 1B H ±60 1A H -750 ±120 1B U J ±250 1F K -1000 ±60 1A Q H 温度系数色码 红+紫 黑 棕 红 橙 黄 绿 兰 紫 红+黄 第 11 页 共 23 页 ±120 1B J ±250 1F K -1500 ±250 1F V K 橙+橙 -2200 ±500 1F K L 黄+橙 -3300 ±500 1F D L 绿+橙 -4700 ±1000 1F E M 蓝+橙 -5600 ±1000 1F F M 黑+橙 +140≥a≥-1000 5) 1C SL __ 灰 +250≥a≥-1750 5) 1D UM __ 白 注:1、有下划线℃需要时也可以规定。 3、标称温度系数及其允许偏差是采用温度在 20℃和 85℃之间的电容量变化来确定的。 4、一个温度系数为 0×10-6℃和温度系数允许偏差为±30×10-6℃的电容器表示为CG电容器(等级 1B)。 z EIA 标准Ⅰ类温度特性 表 4. EIA 标准Ⅰ类瓷介电容器温度特性一览表 电容器温度特性 标称容量 EIA 代码 组别 温 度 系 数 0.5-2PF 2.1~3.9PF 4.0~9.9PF 10PF 以上 (ppm/℃) CO NPO 0 K(±250) J(±120) H(±60) G(±30) S1 N033 -33 K(±250) J(±120) H(±60) G(±30) U1 N075 -75 K(±250) J(±120) H(±60) G(±30) P2 N150 -150 K(±250) J(±120) H(±60) G(±30) R2 N220 -220 K(±250) J(±120) H(±60) G(±30) S2 N330 -330 K(±250) J(±120) H(±60) G(±30) T2 N470 -470 K(±250) J(±120) J(±120) H(±60) U2 N750 -750 K(±250) J(±120) J(±120) H(±60) P3 N1500 1500 K(±250) K(±250) K(±250) K(±250) R3 N2200 -2200 L(±500) L(±500) L(±500) L(±500) S3 N3300 -3300 L(±500) L(±500) L(±500) L(±500) T3 N4700 -4700 M(±1000) M(±1000) M(±1000) M(±1000) SL:可使用从 P100 到 N1000 的任何 EIA 1 类瓷料(不规定允许偏差) 2.2.4Ⅱ类瓷片电容器组别介绍 z GB/T 5968-1996 分组介绍 表 5 Ⅱ类瓷介电容器温度特性优先值及等级代码 字 母 施加和不施加直流电压时,在类别 类别温度范围和对应的数字代码 代 温度范围内,相对于+20℃时,测得 码 的电容量最大变化。% -55/+1 -55/+85℃ -40/+85℃ -25/+85℃ -10/+85℃ 25℃ 不施加直流电压 施 加 额 定 直 流 1 2 3 4 6 电压 2B ±10 +10/-15 — × × × — 2C ±20 +20/-30 × × × — — 2D +20/-30 +20/-40 — — — — — 2E +22/-56 +22/-70 — × × × × 2F +30/-80 +30-90 — × × × × 第 12 页 共 23 页 2R ±15 +15/-40 × — — — — 2X ±15 +15/-25 × — — — — z EIA 标准Ⅱ、Ⅲ类温度特性 表 6 EIA 标准Ⅱ、Ⅲ类温度特性一览表 第一位字 第二位字 第三位字 (表示下限类别温度) (表示上限类别温度) (温度特性) X -55℃ 4 +65℃ A ±1.0% Y -30℃ 5 +85℃ B ±1.5% Z +10℃ 6 +105℃ C ±2.2% 7 +125℃ D ±3.3% 8 +150℃ E ±4.7% F ±7.5% P ±10% R ±15% S ±22% T +22% -33% U +22% -56% V +22% -82% 2.2.5Ⅲ类(半导瓷)瓷介电容器组别介绍(GB 11305-1996) 表 7 Ⅲ类瓷介电容器温度特性优先值及等级代码 施加和不施加直流电压时,在类 字 别温度范围内,相对于+20℃时, 类别温度范围和对应的数字代码 母 代 测得的电容量最大变化。% -55/+125 -55/+85℃ -40/+85 -25/+85 -10/+70℃ 码 ℃ ℃ ℃ 不施加直流 施加额定直流电 1 2 3 4 5 电压 压 3A ±5 +5/-10 × — — — — 3B ±10 +10/-15 — — × × × 3C ±20 +20/-30 — × × × — 3D +20/-30 +20/-40 — — × × × 3E +22/-56 +22-70 — × — × — 3F +30/-80 +30-90 — × — × — 3G +40/-25 +40/-35 × × — — — 2.3 工艺流程简介 2.3.1 瓷片电容器: A、 干压成型:瓷粉配制——球磨——造粒——成型——烧结——介质金属化——引线焊接——涂装— —打标志——电测 B、 湿法成型:瓷粉配制——球磨——练泥——碾膜——冲压成型—排胶—烧结——介质金属化——引 线焊接——涂装——打标志——电测 2.3.2 独石电容器: 瓷粉配制——球磨——练泥——碾膜——内电极印刷——叠压——切片成型—排胶—烧结—端电极形 成——引线焊接——涂装——打标志——电测 2.3.3 贴片电容器: 瓷粉配制——球磨——流延成膜——内电极印刷——叠压——切片成型—排胶—烧结—外电极电镀— ———电测——编带 第 13 页 共 23 页 2.4 瓷介电容器主要性能参数 2.4.1 电性能参数 1)额定(标称)容量CR及允许偏差: ● 1 类瓷可按照E6、E12、E24 系列,CR<10PF允许按自然数生产,优先允许偏差代 码如下: 表 8 1 类陶瓷电容器优先容量系列及允许偏差 CR≥10PF CR<10PF 优先系列 允许偏差 字母代码 允许偏差 字母代码 E6 ±20% M ±2PF G ±10% K ±1PF F E12 ±5% J ±0.5PF D ±2% G ±0.25PF C E24 ±1% F ±0.1PF B ● 2、3 类陶瓷电容器应从 GB 2471 中的 E3、E6、E12 系列中选取,由优先标称容量允 许偏差代码如下: 表 9 2、3 类陶瓷电容器优先容量系列及允许偏差 优先系列 允许偏差% 字母代码 +80/-20 Z E3 和 E6 +50/-20 S E6 ±20 M E6 和 E12 ±10 K 2)额定电压UR: ● 陶瓷电容额定电压的设计余量都比较大,1 类、2 类瓷介电容必须能承受以下耐电压试 验: 表 10. 1 类、2 类瓷介电容耐电压试验施加电压值 额定电压(V) 试验电压(V) ≤500V 2.5UR >500V 1.5UR+500V ●而 3 类电容器的试验电压为 1.5 UR ,施加电压时间为 60S,在试验期间电容器应无击穿或飞 弧。 ● 一般情况下,瓷片电容器额定电压均指的是直流电压,用于工频交流电压下的瓷片电 容器须经过特殊设计,应能承受 10 倍交流额定耐电压试验,安规或拟制电源电压电磁 干扰用的 Y 类陶瓷电容(GB/T 14472-1998)即属此类,耐压对此类电容很重要。 ● 1 类、2 类瓷片电容常用的额定电压的优先值有 50V(63V)、100、150V(160V)、250V、 500V、1KV、2KV、3KV、6.3KV 等,交流瓷片电容额定电压的优先值有 150V~、250V~、 400V~;3 类瓷片电容额定电压的优先值为 16V、25V、50V。 ● 额定电压通常标志在电容器本体上,1KV 以下直接标示,1KV 以上用 KV 为单位标示, 交流产品标示安全等级:如 Y1T402、Y2T252 3) 损耗角正切 tgδ: ● 1 类瓷介电容器损耗角正切不应超过下列数值: 损耗角正切tgδ×10-4 标称容量 +100 ≥ α —750≥α> —1500≥α> —3300≥α> α≤—5600 (PF) > —1500 —3300 —5600 —750 和 SL CR≥50 15 20 30 40 50 第 14 页 共 23 页 5 ≤ CR < 1.5 ( 150/ 2.0 ( 150/ CR 3.0 ( 150/ CR 4.0 ( 150/ CR 5.0(150/ CR 50 CR +7) +7) +7) +7) +7) CR<5 当用户要求是,详细规范应规定极限值 ● 2 类瓷介电容器损耗角正切不应超过 0.035 或详细规范规定更小的值。 ● 3 类瓷介电容器损耗角正切不应超过: 温度特性 3A、3B、3C、3G 3D、3E、3F 损耗角正切 tgδ ≤0.035 ≤0.05 4)温度特性:详见表 3、表 4、表 5、表 6、表 7。 5)绝缘电阻:绝缘电阻是瓷片电容很重要的技术指标,按照 GB/T 2693-2001 之 1.5.2 条的 要求,绝缘电阻测试条件如下: ● 1、2 类瓷介电容器: UR <100V者,测量电压不大于UR的任何值,仲裁电压为UR,通常取 10V; 100V≤UR <500V者,测量电压 100V; 500V≤UR者,测量电压 500V; 充电电流不应超过 0.05A; 绝缘电阻(Rj)应在 1 分钟结束时测量。 ● 3 类瓷介电容器:测量电压为额定电压。 ● 瓷介电容器的绝缘电阻应满足下列要求: 1 类:Rj≥10000MΩ 2 类:Rj≥4000MΩ 2 类:Rj≥1000MΩ 2.4.2 机械参数 1) 直径:一般情况下,厂家的规格书或标准中给出的圆片瓷介电容的直径尺寸(如 05、06、 08、10、12、14、16、20 等)指的是产品的最大尺寸; 2) 厚度:该尺寸也是产品的最大尺寸; 3) 引线间距(成型方式):瓷片电容的引线 的整数倍,引线可以有多种成型方式 (内弯、外弯、双弯、单弯); 4) 引线直径:瓷片电容的引线)mm 之间,一般为 0.5mm、0.6mm、0.8mm, 个别高压或交流瓷片电电容器使用 1.0 mm 直径的引线 瓷介电容器选用注意事项 2.5.1 瓷片电容器产品类型表示方法: CC1:一类高频低压瓷片电容器 CT1:二类低频低压瓷片电容器 CS1:三类低频低压瓷片电容器 CC81:一类高频高压瓷片电容器 CT81:二类低频高压瓷片电容器 CT7:交流安规瓷片电容器 2.5.2 温度特性:选用瓷片电容时一定要指定温度特性组别,一般原则为: ● Ⅰ类瓷片电容:对小容量电容(CR≤100PF),如果要求容量稳定性较高,选用NPO;如 果容量要求一般则选用SL(SL:可使用从P100 到N1000 的任何一类瓷料) ● Ⅱ类瓷片电容:在电路中主要做隔直、旁路、耦合使用,容量大、体积小、损耗不大, 可选择 2B、2E、2F 组温度特性。 ● Ⅲ类瓷片电容:体积更小,电容量更大,使用小型化电路中;该类电容器绝缘电阻较 低,额定电压一般只做到 50V,老化特性明显,长期储存的产品使用前必须进行预处理。 2.5.3 额定电压:瓷片电压余量较大,选择时不必再留余量(即不必进行电压降额设计),但须在给定 第 15 页 共 23 页 的电压优先系列中选择。 2.5.4 温度特性:瓷片电容对温度比较敏感,高温环境对瓷片电容性能影响很大,会造成容量、耐压、 绝缘特性严重劣化,甚至漏电、击穿,因此瓷片电容不能靠近发热器件。 2.5.5 频率特性:陶瓷电容器的容量是在规定的频率、规定的电压下测量的(见表 2 ),陶瓷电容器的 容量随着施加电压和频率会有一定的变化,特别是 2、3 类陶瓷电容器,有较大的电压系数;在特高频 下使用的陶瓷电容器,为了实现高精度的补偿,应在推荐的工作频率上测试补偿特性。 2.5.6 交流电压:电流对瓷片电容有较大的破坏作用,在相当低的交流电平下即可产生电晕,因此在脉 动电路或交流电路中慎用瓷片电容。 2.5.7 安规元件:选用安规瓷片电容时一定要求厂家提供安规证书,在更换该类电容厂家时一定要到整 机安规认证机构进行备案。 3、电容器的寄生作用和杂散电容 问:我想知道如何为具体的应用选择合适的电容器,但我又不清楚许多不同种类 的电容器有 哪些优点和缺点? 答:为具体的应用选择合适类型的电容器实际上并不困难。一般来说,按应用分 类,大多 数电容器通常分为以下四种类型(见图 14.1): ·交流耦合,包括旁路(通过交流信号,同时隔直流信号) ·去耦(滤掉交流信号或滤掉叠加在直流信号上的高频信号或滤掉电源、基准电源 和信号 电路中的低频成分) ·有源或无源 RC 滤波或选频网络 ·模拟积分器和采样保持电路(捕获和储存电荷) 尽管流行的电容器有十几种,包括聚脂电容器、薄膜电容器、陶瓷电容器、电解电容器, 但是对某一具体应用来说,最合适的电容器通常只有一两种,因为其它类型的电容器,要 么有 的性能明显不完善,要么有的对系统性能有“寄生作用”,所以不采用它们。 问:你谈到的“寄生作用”是怎么回事? 答:与“理想”电容器不同,“实际”电容器用附加的“寄生”元件或“非理想 ”性能来表征,其表 现形式为电阻元件和电感元件,非线性和介电存储性能。“实际”电容器模型如图 14.2 所示。由于这 些寄生元件决定的电容器的特性,通常在电容器生产厂家的产品说明中都有详细说明。在每项应用中 了解这些寄生作用,将有助于你选择合适类型的电容器。 第 16 页 共 23 页 图 14.2 “实际”电容器模型 问:那么表征非理想电容器性能的最重要的参数有哪些? 答:最重要的参数有四种:电容器泄漏电阻RL(等效并联电阻EPR)、等效串联电阻(ESR)、等效串联电 感(ESL)和介电存储(吸收)。 电容器泄漏电阻RP:在交流耦合应用、存储应用(例如模拟积分器和采样保持器)以及当电容器用于高 阻抗电路时,RP是一项重要参数,电容器的泄漏模型如图 1 4.3 所示。 图 14.3 电容器的泄漏模型 理想电容器中的电荷应该只随外部电流变化。然而实际电容器中的RP使电荷以RC时间常 数决定的速率 缓慢泄漏。 电解电容器(钽电容器和铝电容器)的容量很大,由于其隔离电阻低,所以漏电流非常大 (典型值 5~ 20nA/μF),因此它不适合用于存储和耦合。 最适合用于交流耦合及电荷存储的电容器是聚四氟乙烯电容器和其它聚脂型(聚丙烯、聚 苯乙烯等)电 容器。 等效串联电阻(ESR),R ESR :电容器的等效串联电阻是由电容器的引脚电阻与电容器两个极间的等效 电阻相串联构成的。当有大的交流电流通过电容器,R ESR 使电容器消耗能量(从而产生损耗)。这对 射频电路和载有高波纹电流的电源去耦电容器会造成严重后果。但对精密高阻抗、小信号模拟电路不 会有很大的影响 。R ESR 最低的电容器是云母电容器和薄膜电容器。 等效串联电感(ESL),L ESL:电容器的等效串联电感是由电容器的引脚电感与电容器两个极板的等效 电感串联构成的。像R ESR 一样,L ESL在射频或高频工作环境下也会出现严重问题,虽然精密电路本 身在直流或低频条件下正常工作。其原因是用于精密模拟电路中的晶体管在过渡频率(transition frequencies)扩展到几百兆赫或几吉赫的情况下,仍具有增益,可以放大电感值很低的谐振信号。 这 就是在高频情况下对这种电路的电源端要进行适当去耦的主要原因。 电解电容器、纸介电容器和塑料薄膜电容器不适合用于高频去耦。这些电容器基本上是由多层塑料或 纸介质把两张金属箔隔开然后卷成一个卷筒制成的。这种结构的电容具有相当大的自感,而且当频率 只要超过几兆赫时主要起电感的作用。对于高频去耦更合适的选择应该是单片陶瓷电容器,因为它们 具有很低的等效串联电感。单片陶瓷电容器是由多层夹层金属薄膜和陶瓷薄膜构成的,而且这些多层 薄膜是按照母线平行方式排布的,而不是按照串行方式卷 绕的 单片陶瓷电容的不足之处是具有颤噪声(即对振动敏感),所以有些单片陶瓷电容器可能会出现自共振, 具有很高的Q值,因为串联电阻值及与其在一起的电感值都很低。另外,圆片陶瓷电容器,虽然价格不 太贵,但有时电感很大。 第 17 页 共 23 页 问:在电容器选择表中,我看到“损耗因数”这个术语。请问它的含义是什么? 答:因为电容器的泄漏电阻、等效串联电阻和等效串联电感,这三项指标几乎总是很难分开,所以许 多电容器制造厂家将它们合并成一项指标,称作损耗因数或 DF,主要用来描述电容器的无效程度。损 耗因数定义为电容器每周期损耗能量与储存能量之比。实际上损耗因数等于介质的功率因数或相角的 余弦值。如果电容器在关心频带范围的高频损耗可以简化成串联电阻模型,那么等效串联电阻与总容 抗之比是对损耗因数的一种很好的估算,即 DF≈ωR ESR C 还可以证明,损耗因数等于电容器品质因 数或 Q 值的倒数,在电容器制造厂家的产品说明中 有时也给出这项指标。介质吸收,R DA ,C DA : 单 片陶瓷电容器非常适用于高频去耦, 但是考虑介质吸收问题,这种电容器不适用于采样保持放大 器中的保持电容器。介质吸收是一种有滞后性质的内部电荷分布,它使快速放电然后开路的电容器恢 复一部分电荷,见图 14.4。因为恢复电荷的数量是原来电荷的函数 ,实际上这是一种电荷记忆效应。 如果把这种电容器用作采样保持放大器中的保 图 14.4 介质吸收作用使电容器快速放电,然后开路以恢复原来一部分电荷, 那么势必对测量结果产生误差。对于这种类型应用推荐的电容器,正如前面介绍的还是聚脂型电容器, 即聚苯乙烯电容器、聚丙烯电容器和聚四氟乙烯电容器。这类电容器介质吸收率很低(典型值<001% =。 常见电容器特性比较见表 14.1。 关于高频去耦的一般说明: 保证对模拟电路在高频和低频去耦都合适的最好方法是用电解电容器,例如一个钽片电容与一个单片 陶瓷电容器相并联。这样两种电容器相并联不但在低频去耦性能很好,而且在频率很高的情况下仍保 持优良的性能。除了关键集成电路以外,一般不必每个集成电路都接一个钽电容器。如果每个集成电 路和钽电容器之间相当宽的印制线cm,可在几个集成电路之间共用一个钽电容 器。 关于高频去耦另一个需要说明的问题是电容器的实际物理分布。甚至很短的引线都有不可忽视的电感, 所以安装高频去耦电容器应当尽量靠近集成电路,并且做到引脚要短,印制线路板导电条宽。 为了消除引脚电感,理想的高频去耦电容器应该使用表面安装元件。只要电容器的引脚长度不超过 15mm,还是选择末端引线电容器(wire ended capacitors)。电容器的正确使用方法如图 14.5 所示。 (a) 正确方法 (b) 错误方法 ·使用低电感电容器(单片陶瓷电容器) ·安装电容器靠近集成电路 ·使用表面安装电容器 ·短引脚、宽导电条 第 18 页 共 23 页 图 14.5 电容器的正确使用杂散电容 前面我们已经讨论了电容器像元件一样的寄生作 表 14。1 各种电容器件性能比较表 类型典型介质吸收优点缺点 NPO陶瓷电容器 吸收<0.1% 外型尺寸小、价格便宜、稳定性好、电容值范围宽、 销售商多、电感低 通常很低,但又无法限制到很小的数值(10nF) 聚苯乙烯电容器 0.001%~0.02% 价格便宜、DA很低、电容值范围宽、稳定性好 温度高于 85°C,电容器受到损害、外形尺寸大、电感高 聚丙烯电容器 0.001%~0.02% 价格便宜、DA很低、电容值范围宽 温度高于+105°C,电容器受到损害、外形尺寸大、电感 第 19 页 共 23 页 聚四氟乙烯电容器 0.003%~ 0.02% DA很低、稳定性好、可在+125°C以上温度工作、电容值范围宽 价格相当贵、外形尺寸大、电感高 MOS电容器 0.01% DA性能好,尺寸小,可在+25°C以上温度工作,电感低 限制供应、只提供小电容值 聚碳酸酯电容器 0.1% 稳定性好、价格低、温度范围宽 外形尺寸大、DA限制到 8 位应用、电感高 聚酯电容器 0.3%~0.5% 稳定性中等、价格低、温度范围宽、电感低 外形尺寸大、DA限制到 8 位应用、电感高 单片陶瓷电容器(高k值)>0.2% 电感低、电容值范围宽 稳定性差、DA性能差、电压系数高 云母电容器 >0.003% 高频损耗低、电感低、稳定性好、效率优于 1% 外形尺寸很大、电容值低(<10nF=、价格贵 铝电解电容器很高 电容值高、电流大、电压高、尺寸小 泄漏大、通常有极性、稳定性差、精度低、电感性 钽电解电容器很高 尺寸小、电容值大、电感适中 泄漏很大、通常有极性、价格贵、稳定性差、精度差 用,下面让我们讨论一下称作“杂散”电容(stray capacitance)的另一种寄生作用。 问:什么是杂散电容? 答:像平行板电容器一样,(见图 14.6)不论什么时候,当两个导体彼此非常靠近(尤其是当两个导体保 持平行时),便产生杂散电容。它不能不断地减小,也不能像法拉弟屏蔽一样用导体进行屏蔽。 C=0.0085×ER ×Ad 其中: C=电容,单位PF ER =空气介电常数 A=平行导体面积,单位mm2 d=平行导体间的距离,单位mm 图 14.6 平行板电容器模型 杂散电容或寄生电容一般出现在印制线路板上的平行导电条之间或印制线路板的相对面上的导电条或 导电平面之间,见图 14.7。杂散电容的存在和作用,尤其是在频率很高 时,在电路设计中常常被忽视, 第 20 页 共 23 页 所以在制造和安装系统线路板时会产生严重的性能问题,例如,噪声变大,频率响应降低,甚至使系 统不稳定。 通过实例说明如何用上述电容公式计算印制线路板相对面上的导电条产生的杂散电容 。对于普通的印 制线mm,则其单位面积杂 散电容为 3pF/cm2 。在 250MHz频率条件下,3pF电容对应的电抗为 212.2Ω。 问:请问如何消除杂散电容? 答:实际上从来不能消除杂散电容。最好的办法只能设法将杂散电容对电路的影响减到最小。 问:那么应该如何减小杂散电容呢? 答:减小杂散电容耦合影响的一种方法是使用法拉弟屏蔽(Faraday shield),它是在耦合源与受影响 电路之间的一种简捷接地导体。 问:杂散电容是如何起作用的? 答:让我们看一下图 14.8。图中示出了高频噪声源VN如何通过杂散电容C耦合到系统阻抗Z的等效电容。 如果我们几乎或不能控制V N ,或不能改变电路阻抗Z 1 的位置,那么最好的解决方法是插入一个法 拉弟屏蔽。 图 14.9 示出了法拉第屏蔽中断耦合电场的情况。 图 14.8 通过杂散电容耦合的电压噪声 (a) 电容屏蔽中断耦合电场; (b) 电容屏蔽使噪声电流返回到噪声源,而不通过阻抗Z1; 第 21 页 共 23 页 图 14.9 法拉第电容屏蔽 请注意法拉第屏蔽使噪声和耦合电流直接返回到噪声源,而不再通过阻抗Z1 。 电容耦合的另一个例子是侧面镀铜陶瓷集成电路外壳。这种 DIP 封装,在陶瓷封装的顶上有 一小块方 形的导电可伐合金盖,这块可伐合金盖又被焊接到一个金属圈(metallized rim)上 (见图 14.10)。生 产厂家只能提供两种封装选择:一种是将金属圈连接到器件封装角上的一个引 脚上;另一种是保留金 属圈不连接。大部分逻辑电路在器件封装的某一角上有一个接地引脚 ,所以这种器件的可伐合金盖接 地。但是许多模拟电路在器件封装的四个角上没 有一个接地引脚,所以这 ·侧面镀铜陶瓷 DIP 封装, 有时有隔离的可伐合金 盖·该封装器件受容性干扰易受损坏,所以应尽可能接地 图 14.10 由可伐合金盖引起的电容效应 种可伐合金盖被悬浮。可以证明,如果这种陶瓷 DIP 封装器件 的芯片不 被屏蔽,那么它要比塑料 DIP 封装的同样芯片更容易受到电场噪声的损坏。 不论环境噪声电平有多么大,用户最好的办法是将任何侧面镀铜陶瓷封装集成电路凡是生产 厂家没有 接地的可伐合金盖接地。为了接地可将引线焊接到可伐合金盖上(这样做不会损坏 芯片,因为芯片与 可伐合金盖之间热和电气隔离)。如果无法焊接到可伐合金盖上,可使用接地的磷青铜片做接地连接, 或使用导电涂料将可伐合金盖与接地引脚连接。绝对不允许将 没有经过检查的实际上不允许和地连接 的可伐合金盖接地。有的器件应将可伐合金盖接到电源端而不是接到地,就属于这种情况。在集成电 路芯片的接合线(bond wires)之间不能采用法拉第屏蔽,主要原因是在 芯片的两条接合线与其相联的 引线框架之间的杂散电容大约为 0.2pF(见图 14.11),观测值 一般在 0.05pF 至 0.6pF 之间。 图 14.11 芯片接合线之间的杂散电容 考虑高分辨率数据转换器(ADC 或 DAC),它们都与高速数据总线 连接。数据总线V/ns 的速率传送噪声)通过上述杂散电容影响 ADC 或 DAC 的模拟端口(见图 14.12 )。由此引起的数字边缘耦合势必降低转换器的性能。 第 22 页 共 23 页 图 14。12 高速数据总线上的数字噪声通过杂散电容进入数据转换器的模拟端口 为了避免这个问题,不要将数据总线与数据转换器直接相连,而应使用一个 锁存缓冲器作为接口 。 这种锁存缓冲器在快速数据总线与高性能数据转换器之间起到一个法拉第屏蔽作 用。虽然这种方法增 加了附加的器件,增加了器件的占居面积,增加了功耗,稍降低了可靠性及稍提高了设计复杂程度, 但它可以明显地改善转换器的信噪比。 4、电源电路中的电容器 电容器是实现电源的宽范围电压和电流组合的最关键的无源元件之一。尽管每种电容器都能储存 电能,但对于特定的应用来说,电介质技术在电容器的选择中起着重要的作用。 电容器在电源中最重要的应用是在存储能量、浪涌电压保护、EMI 抑制和控制电路等方面。我们可 以通过图 1 了解到针对不同的应用领域,这些电介质技术彼此竞争或互为补充的关系。 储能 储能型电容器通过整流器收集电荷,并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。电压 额定值为 40~450Vdc、电容值在 220~150 000μF 之间的铝电解电容器(如 EPCOS 公司的 B43504 或 B43505)是较为常用的。根据不同的电源要求,器件有时会采用串联、并联或其组合的形式, 对于功 率级超过 10kW 的电源,通常采用体积较大的罐形螺旋端子电容器。 要选择合适的电容值,需查看其额定直流电压、允许的电压波纹和充/放电周期。但是,在选择用 于该应用的电解电容器时,应当考虑以下参数。 典型电源中的电容器波纹电流为各个频率上的波纹电流的组合。波纹电流的 rms(均方根)值决定 了电容器的温升。 常见的一个错误是通过把各个频率上的波纹电流的平方值相加来计算 rms 电流负载。实际上,必 须考虑到随着波纹频率的增加,电容器的 ESR 下降。 正确的做法是根据波纹因子的频率图估算出高频(到 100Hz)时的波纹电流。采用估算的电流平方 值来确定波纹电流。这才是真实的电流负载。 由于环境温度决定着负载条件下的电容器寿命,因此,那些声誉卓著的制造商们均精确定义了波 纹电流负载、环境温度与概率寿命之间的关系。在实际工作条件下,利用波纹电流负载和环境温度来 确定概率寿命,而将公布的概率寿命作为绝对值。 浪涌电压保护 开关频率很高的现代功率半导体器件易受潜在的损害性电压尖峰脉冲的影响。跨接在功率半导体 器件两端的浪涌电压保护电容器(如 EPCOS B32620-J 或 B32651..56)通过吸收电压脉冲限制了峰值电 压,从而对半导体器件起到了保护作用,使得浪涌电压保护电容器成为功率元件库中的重要一员。 半导体器件的额定电压和电流值及其开关频率左右着浪涌电压保护电容器的选择。由于这些电容 器承受着很陡的 dv/dt 值,因此,对于这种应用而言,薄膜电容器是恰当之选。 在额定电压值高达 2000Vdc 的条件下,典型的电容额定值在 470pF~47nF 之间。对于大功率的半 导体器件,如 IGBT,电容值可高达 2.2μF,电压在 1200Vdc 的范围内。 不能仅根据电容值/电压值来选择电容器。在选择浪涌电压保护电容器时,还应考虑所需的 dv/dt 第 23 页 共 23 页 值。 耗散因子决定着电容器内部的功率耗散。因此,应选择一个具有较低损耗因子的电容器作为替换。 EMI/RFI 抑制 这些电容器连接在电源的输入端,以减轻由半导体所产生的电磁或无线电干扰。由于直接与主输 入线相连,这些电容器易遭受到破坏性的过压和瞬态电压。因此,世界上各个地区都推出了不同的安 全标准,包括欧洲的 EN132 400,美国的 UL1414 和 1283 以及加拿大的 CSA C22.2 No.0,1 和 8。 采用塑膜技术的 X-级和 Y-级电容器(如 EPCOS B3292x/B81122)提供了最为廉价的抑制方法之一。 抑制电容器的阻抗随着频率的增加而减小,允许高频电流通过电容器。X 电容器在线路之间对此电流提 供“短路”,Y 电容器则在线路与接地设备之间对此电流提供“短路”。 根据所能承受的浪涌电压的峰值,对 X 和 Y 电容器还有更细的分类。例如:一个电容值高达 1μF 的 X2 电容器的额定峰值浪涌电压为 2.5kV,而电容值相近的 X1 电容器,其额定峰值浪涌电压则为 4kV。 应根据负载断电期间的峰值电压来选择合适的干扰抑制电容器的级别。 控制和逻辑电路 各类电容器均被应用于电源控制电路中,除非是在恶劣的环境条件下,否则这些电容器都是具有 低电压和低损耗的通用型元件。 在恶劣的环境下使用的电源,通常选用高温元件。工业或专业用电源,可选择低 ESR 元件,如 EPCOS B45294 系列,在要求较高的总体可靠性时,是不错的选择。 为了对装配的自动化、外型尺寸的压缩、装配成本的下降以及由此带来的生产率的提高等加以利 用,大多数设计师试图沿用控制电路中所采用的 SMD 电容器技术。但是,选用混合技术以充分利用某 些引线元件所具有的低得多的成本这一优势的工程师也不在少数。


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