各种电容关键参数解析

huanhuaneda · 发表于 2018-8-28 14:50

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本帖最后由 alexwang 于 2018-9-6 18:38 编辑

各种电容关键参数解析

1、标称电容量和允许偏差

标称电容量是标志在电容器上的电容量。

电解电容器的容值，取决于在交流电压下工作时所呈现的阻抗。因此容值，也就是交流电容值，随着工作频率、电压以及测量方法的变化而变化。在标准JISC 5102 规定：铝电解电容的电容量的测量条件是在频率为 120Hz，最大交流电压为 0.5Vrms，DC bias 电压为1.5 ～ 2.0V 的条件下进行。可以断言，铝电解电容器的容量随频率的增加而减小。

电容器中存储的能量

E = CV^2/2

电容器的线性充电量

I = C （dV/dt）

电容的总阻抗（欧姆）

Z = √ ［ RS^2 + （XC – XL）^2 ］

容性电抗（欧姆）

XC = 1/（2πfC）

电容器实际电容量与标称电容量的偏差称误差，在允许的偏差范围称精度。

精度等级与允许误差对应关系：00（01）-±1%、0（02）-±2%、Ⅰ-±5%、Ⅱ-±10%、Ⅲ-±20%、 Ⅳ-（+20%-10%）、Ⅴ-（+50%-20%）、Ⅵ-（+50%-30%）

一般电容器常用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级，电解电容器用Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级，根据用途选取。

2、额定电压

在最低环境温度和额定环境温度下可连续加在电容器的最高直流电压有效值，一般直接标注在电容器外壳上，如果工作电压超过电容器的耐压，电容器击穿，造成不可修复的永久损坏。

3、绝缘电阻

直流电压加在电容上，并产生漏电电流，两者之比称为绝缘电阻。

当电容较小时，主要取决于电容的表面状态，容量〉0.1uf 时，主要取决于介质的性能，绝缘电阻越大越好。

电容的时间常数：为恰当的评价大容量电容的绝缘情况而引入了时间常数，他等于电容的绝缘电阻与容量的乘积。

4、损耗

电容在电场作用下，在单位时间内因发热所消耗的能量叫做损耗。各类电容都规定了其在某频率范围内的损耗允许值，电容的损耗主要由介质损耗，电导损耗和电容所有金属部分的电阻所引起的。

在直流电场的作用下，电容器的损耗以漏导损耗的形式存在，一般较小，在交变电场的作用下，电容的损耗不仅与漏导有关，而且与周期性的极化建立过程有关。

5、频率特性

随着频率的上升，一般电容器的电容量呈现下降的规律。

电容器参数的基本公式

6、相位角 Ф

　　理想电容器：超前当前电压 90度

　　理想电感器：滞后当前电压 90度

　　理想电阻器：与当前电压的相位相同

7、耗散系数（%）

损耗角正切值 Tan δ

在电容器的等效电路中，串联等效电阻 ESR 同容抗 1/ωC 之比称之为 Tan δ，这里的 ESR 是在 120Hz 下计算获得的值。显然，Tan δ 随着测量频率的增加而变大，随测量温度的下降而增大。

D.F. = tan δ （损耗角）= ESR / Xc = （2πfC）（ESR）

损耗因数，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，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。又称为损耗角正切。

图1中，电容的泄露电阻Rp、有效串联电阻Rs和有效串联电感L式寄生元件，可能会降低外部电路的性能。一般将这些元件的效应合并考虑，定义为损耗因数或DF。

电容的泄漏是指施加电压时流过电介质的微小电流。虽然模型中表现为与电容并联的简单绝缘电阻Rp，但实际上泄露与电压并非线性关系。制造商常常将将泄漏规定为 MΩ-μF 积，用来描述电介质的自放电时间常数，单位为秒。其范围介于 1 秒或更短与数百秒之间，前者如铝和钽电容，后者如陶瓷电容。玻璃电容的自放电时间常数为 1,000 或更大；特氟龙和薄膜电容（聚苯乙烯、聚丙烯）的泄漏性能最佳，时间常数超过 1,000,000 MΩ-μF。对于这种器件，器件外壳的表面污染或相关配线、物理装配会产生泄漏路径，其影响远远超过电介质泄漏。

有效串联电感 ESL（图 1）产生自电容引脚和电容板的电感，它能将一般的容抗变成感抗，尤其是在较高频率时；其幅值取决于电容内部的具体构造。管式箔卷电容的引脚电感显著大于模制辐射式引脚配置的引脚电感。多层陶瓷和薄膜电容的串联阻抗通常最低，而铝电解电容的串联阻抗通常最高。因此，电解电容一般不适合高频旁路应用。

电容制造商常常通过阻抗与频率的关系图来说明有效串联电感。不出意料的话，这些图会显示：在低频时，器件主要表现出容性电抗；频率较高时，由于串联电感的存在，阻抗会升高。

有效串联电阻 ESR（图 1 的电阻 Rs）由引脚和电容板的电阻组成。如上文所述，许多制造商将 ESR、ESL 和泄漏的影响合并为一个参数，称为“损耗因数”或 DF。损耗因数衡量电容的基本无效性。制造商将它定义为每个周期电容所损失的能量与所存储的能量之比。特定频率的等效串联电阻与总容性电抗之比近似于损耗因数，而前者等于品质因数 Q 的倒数。

损耗因数常常随着温度和频率而改变。采用云母和玻璃电介质的电容，其 DF 值一般在 0.03% 至 1.0% 之间。室温时，陶瓷电容的 DF 范围是 0.1% 至 2.5%。电解电容的 DF 值通常会超出上述范围。薄膜电容通常是最佳的，其 DF 值小于 0.1%。

8、品质因素

Q = cotan δ = 1/ DF

9、等效串联电阻ESR（欧姆）

ESR = （DF） Xc = DF/ 2πfC

10、功率消耗

Power Loss = （2πfCV2）（DF）

11、功率因数

PF = sin δ （loss angle） – cos Ф （相位角）

12、阻抗 Z

在特定的频率下，阻碍交流电流通过的电阻即为所谓的阻抗（Z）。它与电容等效电路中的电容值、电感值密切相关，且与 ESR 也有关系。

Z = √ ［ESR^2 + （XL - XC）^2 ］

式中，XC = 1 / ωC = 1 / 2πfC

XL = ωL = 2πfL

电容的容抗（XC）在低频率范围内随着频率的增加逐步减小，频率继续增加达到中频范围时电抗（XL）降至 ESR 的值。当频率达到高频范围时感抗（XL）变为主导，所以阻抗是随着频率的增加而增加。

13、漏电流

电容器的介质对直流电流具有很大的阻碍作用。然而，由于铝氧化膜介质上浸有电解液，在施加电压时，重新形成的以及修复氧化膜的时候会产生一种很小的称之为漏电流的电流。通常，漏电流会随着温度和电压的升高而增大。

14、纹波电流和纹波电压

在一些资料中将此二者称做“涟波电流”和“涟波电压”，其实就是 ripple current，ripple voltage。含义即为电容器所能耐受纹波电流/电压值。它们和ESR 之间的关系密切，可以用下面的式子表示：

Urms = Irms × R

式中，Vrms 表示纹波电压，Irms 表示纹波电流，R 表示电容的ESR

由上可见，当纹波电流增大的时候，即使在 ESR 保持不变的情况下，涟波电压也会成倍提高。换言之，当纹波电压增大时，纹波电流也随之增大，这也是要求电容具备更低 ESR 值的原因。叠加入纹波电流后，由于电容内部的等效串连电阻（ESR）引起发热，从而影响到电容器的使用寿命。一般的，纹波电流与频率成正比，因此低频时纹波电流也比较低。

各种电容关键参数：

1、铝电解电容器

用浸有糊状电解质的吸水纸夹在两条铝箔中间卷绕而成，薄的化氧化膜作介质的电容器。因为氧化膜有单向导电性质，所以电解电容器具有极性。容量大，能耐受大的脉动电流，容量误差大，泄漏电流大；普通的不适于在高频和低温下应用，不宜使用在25kHz 以上频率低频旁路、信号耦合、电源滤波。

电容量：0.47--10000u

额定电压：6.3--450V

主要特点：体积小，容量大，损耗大，漏电大

应用：电源滤波，低频耦合，去耦，旁路等

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