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[讨论] 陶瓷电容的学问

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发表于 2015-8-11 08:27 | 显示全部楼层 |阅读模式

      随着工艺进步,同样封装的电容耐压和容值越来越大,陶瓷电容的使用范围越来越广。但是,你如果把陶瓷电容当做一个理想电容符号来使用的时候,可能会有意想不到的问题。

下面我们进入陶瓷电容的容值变化的世界。

一、电压值变大了,电容值变小(耐压范围以内)


在给出的多种电容类型中,最常用的是X5R、X7R。所有的型号在环境条件变化时都会出现电容值变化。尤其Y5V在整个环境条件区间内,会表现出极大的电容量变化。

当电容公司开发产品时,他们会通过选择材料的特性,使电容能够在规定的温度区间(第一个和第二个字母),工作在确定的变化范围内(第三个字母)。我正在使用的是X7R电容,它在-55°C到+125°C之间的变化不超过±15%。

当我们在电容两端加上电压时,我们发现电压就会导致电容值的变化(在耐压范围以内)。电容随着设置条件的变化量是如此之大。我选择的是一只工作在12V偏压下的耐压16V电容。数据表显示,4.7-μF电容在这些条件下通常只提供1.5μF的容量。


我们可以看到,不同的型号,不同的耐压,不同的封装的电容,随着电压上升的下降趋势。

对于某个给定的封装尺寸和瓷片电容类型,电容的额定电压似乎一般没有影响。

二、交流偏压特性

除了上面描述的直流电压会影响电容的容值,在电容上面的交流量也会影响电容的容值。

三、随着温度的变化,不同型号的电容容值有不同的走势。

四、ESR和ESL

电容器(图3)中除有容量成分C外,还有因电介质或电极损耗产生的电阻(ESR)及电极或导线产生的寄生电感(ESL)。因此,|Z|的频率特性如图4所示呈V字型(部分电容器可能会变为U字型)曲线,ESR也显示出与损耗值相应的频率特性。


实际电容器


实际电容器的|Z|/ESR频率特性(例)


|Z|和ESR变为上图曲线的原因如下:
低频率范围:低频率范围的|Z|与理想电容器相同,都与频率呈反比趋势减少。ESR值也显示出与电介质分极延迟产生的介质损耗相应的特性。

共振点附近:频率升高,则|Z|将受寄生电感或电极的比电阻等产生的ESR影响,偏离理想电容器(红色虚线),显示最小值。|Z|为最小值时的频率称为自振频率,此时|Z|=ESR。若大于自振频率,则元件特性由电容器转变为电感,|Z|转而增加。低于自振频率的范围称作容性领域,反之则称作感性领域。

ESR除了受介电损耗的影响,还受电极自身抵抗行程的损耗影响。

高频范围:共振点以上的高频率范围中的|Z|的特性由寄生电感(L)决定。高频范围的|Z|可由公式(2)近似得出,与频率成正比趋势增加。

ESR逐渐表现出电极趋肤效应及接近效应的影响。

以上为实际电容器的频率特性。重要的是,频率越高,就越不能忽视寄生成分ESR或ESL的影响。随着电容器在高频领域的应用越来越多,ESR和ESL与静电容量值一样,成为表示电容器性能的重要参数。


以上就电容器寄生成分ESR、ESL对频率特性的巨大影响进行了说明。电容器种类不同,则寄生成分也会有所不同。接下来对不同种类电容器频率特性的区别进行说明。

下图表示静电容量10uF各种电容器的|Z|及ESR的频率特性。除薄膜电容器以外,全是SMD型电容器。

各种电容器的|Z|/ESR频率特性

上图所示电容器的静电容量值均为10uF,因此频率不足1kHz的容量范围|Z|均为同等值。但1kHz以上时,铝电解电容器或钽电解电容器的|Z|比多层陶瓷电容器或薄膜电容器大,这是因为铝电解电容器或钽电解电容器的电解质材料的比电阻升高,导致ESR增大。薄膜电容器或多层陶瓷电容器的电极中使用了金属材料,因此ESR很低。

多层陶瓷电容器和引脚型薄膜电容器在共振点附近的特性基本相同,但多层陶瓷电容器的自振频率高,感应范围的|Z|则较低。这是由于引脚型薄膜电容器中只有引脚线部分的电感增大了。

由以上结果可以得出,SMD型的多层陶瓷电容器在较宽的频率范围内阻抗都很低,也最适于高频用途。




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 楼主| 发表于 2015-8-11 08:28 | 显示全部楼层

下图为长度l缩短,宽度w增大的LW逆转型电容器。由图中的频率特性可知,即使容量相同,LW逆转型电容器的阻抗低于一般电容器,特性优良。使用LW逆转型电容器,即使数量少于一般电容器,也可获得同等性能,通过减少元件数量可以降低成本,缩减实装面积。

LW逆转型电容器的外观


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管理员

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发表于 2015-8-11 08:36 | 显示全部楼层
多谢楼主分享~好文章

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一粒金砂(中级)

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发表于 2015-8-11 08:36 | 显示全部楼层
mark一下,希望楼主每天或每周都可以详细讨论一个器件


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一粒金砂(高级)

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发表于 2015-8-11 09:17 | 显示全部楼层
又给我上了一课


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五彩晶圆(初级)

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发表于 2015-8-11 12:48 | 显示全部楼层

mark一下,希望楼主每天或每周都可以详细讨论一个器件
哈哈 我也这么想的啊  


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