新聞中心

EEPW首頁(yè) > 模擬技術(shù) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 片式電容器的一般電性能及參數(shù)介紹

片式電容器的一般電性能及參數(shù)介紹

作者: 時(shí)間:2011-08-10 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

在交變電壓的作用下,電容器并不是以單純的電容形式出現(xiàn),它除了具有電容量以外,還存在一定和電感和電阻。在頻率較低時(shí),它們的影響很小可以不予考慮;隨著工作頻率的得高,電感和電阻的影響不能忽視,嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)使電容器失去作用。
因此,我們一般用四個(gè)主要的參數(shù)來(lái)衡量片式電容的一般電性能:電容量(Capacitance)、損耗角正切(Dissipation Factor)、絕緣電阻(Insulation Resistance)、耐電壓(Dielectric Withstanding Voltage)。
一、電容量(C)
電容量的大小表示電容器貯存電荷的能力。一般用HP電橋測(cè)試。兩層平行金屬極板中的陶瓷介質(zhì)為什么能貯存電荷能?這是因?yàn)樘沾山橘|(zhì)具有一種特殊的物理特性:電極化(簡(jiǎn)稱(chēng)極化)。從電學(xué)的角度來(lái)看,一般導(dǎo)體,例如金屬和電解質(zhì),其原子和分子對(duì)周?chē)娮拥氖`力很小,我們稱(chēng)這些電子為自由電子(或叫自由電荷)。在電場(chǎng)的作用下,自由電子將沿電場(chǎng)力的方向作定向運(yùn)動(dòng),形成電流。但在陶瓷介質(zhì)中,原子、分子中正負(fù)電荷卻以其價(jià)健或離子健的形式存在,相互間強(qiáng)烈地束縛著,我們稱(chēng)之為束縛電荷。在電場(chǎng)的作用下,這些正負(fù)電荷只能作微觀尺度上相對(duì)位移。由于電荷的相對(duì)位移,在原子、分子中就產(chǎn)生了感應(yīng)偶極矩,我們稱(chēng)之為極化。在外電場(chǎng)的作用下,偶極分子將沿電場(chǎng)方向定向偏轉(zhuǎn),從而在陶瓷介質(zhì)的表面形成相應(yīng)的感應(yīng)電荷。從而電荷就被貯存在電容器中。

圖4-片式電容器的極化圖
電容量的單位是法拉,但在實(shí)際應(yīng)用中法拉的單位太大,一般采用毫法(mF),微法(uF),納法(nF)和皮法(pF)。它們之間的關(guān)系如下:
1F = 103mF = 106uF = 109nF = 1012pF
片式電容器的電容量除了由它本身的設(shè)計(jì)與材料特性所決定外,在很大程度下同它的測(cè)試條件、溫度、電壓和頻率有很大的關(guān)系。對(duì)于Ⅰ類(lèi)電容器(COG),其電性能受上述因素的影響相對(duì)較小,但對(duì)于Ⅱ類(lèi)電容器(X7R、Z5U、Y5V),其電性能受上述因素的影響相對(duì)較大。
1、 電容量與溫度的關(guān)系
溫度是影響電容器電容量的一個(gè)重要因素,我們把電容量同溫度的這種關(guān)系特性叫收電容器的溫度特性(Temperature Coefficient)。一般說(shuō)來(lái),對(duì)于較為穩(wěn)定的Ⅰ類(lèi)電容器,其影響相對(duì)較小,幾乎沒(méi)有變化,故我們用PPM/℃來(lái)表示它的容量變化率;對(duì)于Ⅱ類(lèi)電容器,其影響相對(duì)較大,故我們用”%”來(lái)表示它的容量變化率。

2、 電容量與直流電壓的關(guān)系
在電路的實(shí)際應(yīng)用中,電容器兩端可能要放加一個(gè)直流電壓,我們把電容器的這種情況下的特性叫做直流偏壓特性。目前直流偏壓特性較好的材料有BX。這種材料是在通過(guò)對(duì)X7R材料改性而得來(lái)。另外也可以通過(guò)增加介質(zhì)厚度的方法,取得較好的電容器偏壓特性。

電壓/密爾介質(zhì)厚度
圖7-偏壓與電容量變化率的關(guān)系
從圖可以看出,對(duì)于一個(gè)X7R和BX材質(zhì)的產(chǎn)品來(lái)說(shuō),介質(zhì)厚度基本正比于偏壓特性。比如,相同容量(100nF)的一個(gè)產(chǎn)品,三種不同的介質(zhì)厚度設(shè)計(jì)就有三種不同的偏壓特性,介質(zhì)厚度越厚,產(chǎn)品的偏壓特性就越好。

3、 電容量與交流電壓的關(guān)系
同樣,Ⅰ類(lèi)電容器的交流特性比較好,基本不隨施加電壓的變化而變化。但是,對(duì)于Ⅱ類(lèi)電容器,其容量基本是隨所加電壓的升高而加速遞升的,特別X7R此特性比較明顯。

在日常的測(cè)試中,我們一般是1.0±0.2V做為電容量與損耗角正切的測(cè)試電壓,電壓較低,因此,對(duì)于同一容量采用不同的介質(zhì)厚度設(shè)計(jì),最終所表現(xiàn)出來(lái)的容量值不會(huì)有太大的差異。但是,隨著工作電路中交流電壓的不同,這種差異會(huì)較為明顯。

4、 電容量與工作頻率的關(guān)系
對(duì)于Ⅰ類(lèi)電容器其應(yīng)用頻率的增加,它的容值不會(huì)有什么變化,但對(duì)于Ⅱ類(lèi)電容器,容值下降較為明顯?,F(xiàn)舉例如下:

圖9-電容量與頻率的關(guān)系曲線圖

二、絕緣電阻(IR);
完全不導(dǎo)電的絕緣體是沒(méi)有的。在電介質(zhì)中通常或多或少存在正、負(fù)離子,這些離子在電場(chǎng)作用下將定向遷移,形成離子電流,我們稱(chēng)之為體內(nèi)漏電流。通常,在電容器的表面,也會(huì)或多或少地存在正負(fù)離子,這些離子在外電場(chǎng)的作用下,會(huì)發(fā)生定向遷移,形成表面漏電流。因此,電容器的漏電流是陶瓷介質(zhì)中體內(nèi)漏電流與芯片表面的漏電流兩部分組成。我們把加在介質(zhì)兩端的電壓和漏電流之比稱(chēng)之為介質(zhì)的絕緣電阻。
R=U/I
由上可知,電容器的絕緣電阻等于表面絕緣電阻與體內(nèi)絕緣電阻相并聯(lián)而成。因此,電容器的絕緣電阻除了同其本身所固所介質(zhì)特性外,同外界環(huán)境溫度、濕度等有很大的關(guān)系。
溫度對(duì)絕緣電阻的影響主要表現(xiàn)在溫度升高時(shí),瓷介的自由離子增多,漏電流急劇增加,介質(zhì)絕緣電阻迅速降低。但防潮不好的小容量電容器表面漏電流較大,隨著溫度的升高,表面潮氣蒸發(fā),表面絕緣電阻上升。
濕度對(duì)電容器電性能影響最大,會(huì)因表面吸潮使表面絕緣電阻下降。
三、損耗(DF)和品質(zhì)因數(shù)(Q)
在外加電壓作用下,單位時(shí)間內(nèi)因發(fā)熱而消耗的能量,叫電容器的損耗。理想的電容器把從電源中得到的能量,全部貯存在電容器有介質(zhì)中,不發(fā)生任何形式的能量消耗,事實(shí)上電容器在外加電壓的作用下是要消耗能量的,介質(zhì)漏電流,緩慢極化(電偶極矩在電場(chǎng)作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)),內(nèi)外電極金屬部位的等效電阻都會(huì)消耗一部分能量,形成電容器的損耗。過(guò)高的電容器損耗會(huì)產(chǎn)生熱量使電容器溫度升高,造成電路工作狀態(tài)不穩(wěn)定,加速電容器的老化。

電容器的好壞并不能單以電容器的消耗能量的多少來(lái)定論,因此,一般用電容器的損耗角正切來(lái)表示。電容器的損耗角正切是指在一定頻率的正弦電壓作用下,消耗在電阻上的有功功率和貯存在電容器中的無(wú)功功率的比值。因此,其是一個(gè)無(wú)單位的量。即:

介質(zhì)損耗同電容量一樣,在實(shí)際使用中同溫度、工作頻率、電容器兩端所加的電壓有很大的關(guān)系。
以1206B472K500NT和1812B223K500NT為例:

圖10-介質(zhì)損耗同溫度的關(guān)系

圖12-介質(zhì)損耗同頻率的關(guān)系

電容器的品質(zhì)因素(Q)和等效串聯(lián)電阻ESR:
在高頻電路中,由于頻率較高,電容器所測(cè)量出來(lái)的介質(zhì)損耗已經(jīng)很小,不便于參考。因此,為了更好地了解它的高頻特性,我們更關(guān)心的是它的品質(zhì)因素Q值和在高頻低下所表現(xiàn)出來(lái)的等效串聯(lián)電阻ESR(Equivalent Series Resistance)。

Q值就是介質(zhì)損耗DF的倒數(shù)。即:Q = 1/DF。隨著目前信號(hào)使用頻率的增高、功率的增加,高Q和超高Q的產(chǎn)品需求越來(lái)越多。同樣,Q值同ESR有著直接的關(guān)系,一般高Q即具備低ESR的特性。
在電容中所有損耗的總合叫做電容的等效串聯(lián)電阻ESR,一般它用毫歐姆來(lái)表示。ESR的損耗由介質(zhì)損耗(Rsd)和金屬損耗(Rsm)兩部分組成。ESR = Rsd + Rsm
金屬損耗( Rsm)則取決于電容構(gòu)造中所有金屬性物質(zhì)的傳導(dǎo)特性。這包括內(nèi)電極,端電極等。
下面以一個(gè)容量值為22 pF的電容器所測(cè)得幾組數(shù)據(jù)為例:

由上表可知,介質(zhì)損耗在低頻率下是主要的,而在高頻時(shí)則很小,金屬損耗則與之相反。當(dāng)頻率越高時(shí),金屬損耗就表現(xiàn)出”趨膚效應(yīng)”。現(xiàn)列舉我們市場(chǎng)上幾個(gè)產(chǎn)品容量段的Q值。

因此,在設(shè)計(jì)時(shí),高頻下我們應(yīng)考慮ESR和Q值對(duì)電路設(shè)計(jì)的影響;低頻下應(yīng)考慮損耗(DF)對(duì)電路設(shè)計(jì)的影響。

四、耐電壓(DWV)
電容器的耐電壓性能就是指電容器的陶瓷介質(zhì)在工作狀態(tài)中能夠承受的最大電壓,即擊穿電壓,也就是電容器的極限電壓。電容器的標(biāo)稱(chēng)電壓即電容器的工作電壓,標(biāo)稱(chēng)電壓一般是相對(duì)于直流來(lái)說(shuō)的。而電容器的耐電壓常規(guī)也是相對(duì)直流來(lái)說(shuō)的,但有時(shí)也常用交流來(lái)表示。一般來(lái)說(shuō),電容器的標(biāo)稱(chēng)電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其瓷介的耐電壓。因?yàn)椋?在實(shí)際的工作過(guò)程中,電容器除了兩端時(shí)時(shí)要承受的直流電壓外,另外常有脈沖交流電壓存在,而這個(gè)交流電壓的峰值常常遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出工作過(guò)程中的直流電壓。因此,我們標(biāo)稱(chēng)電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于芯片的耐電壓。比如,1206B102K101NT其標(biāo)稱(chēng)電壓為100V,也就是其工作直流電壓要低于100V,而實(shí)際上其耐電壓直流可達(dá)1200V左右;交流可達(dá)500V左右。

電容器相關(guān)文章:電容器原理


電荷放大器相關(guān)文章:電荷放大器原理
電容相關(guān)文章:電容原理
絕緣電阻測(cè)試儀相關(guān)文章:絕緣電阻測(cè)試儀原理
離子色譜儀相關(guān)文章:離子色譜儀原理


評(píng)論


相關(guān)推薦

技術(shù)專(zhuān)區(qū)

關(guān)閉