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北斗星技術——元器件科普之電容最基本的幾大作用


 作為無源元件之一的電容,其作用不外乎以下幾種:
1、應用于電源電路,實現旁路、去藕、濾波和儲能的作用。下面分類詳述之:
 
1)旁路
旁路電容是為本地器件提供能量的儲能器件,它能使穩壓器的輸出均勻化,降低負載需求。 就像小型可充電電池樣,旁路電容能夠被充電,并向器件進行放電。 為盡量減少阻抗,旁路電容要盡量靠近負載器件的供電電源管腳和地管腳。 這能夠很好地防止輸入值過大而導致的地電位抬高和噪聲。地彈是地連接處在通過大電流毛刺時的電壓降。
2)去藕
去藕,又稱解藕。 從電路來說, 總是可以區分為驅動的源和被驅動的負載。如果負載電容比較大, 驅動電路要把電容充電、放電, 才能完成信號的跳變,在上升沿比較陡峭的時候, 電流比較大, 這樣驅動的電流就會吸收很大的電源電流,由于電路中的電感,電阻(特別是芯片管腳上的電感,會產生反彈),這種電流相對于正常情況來說實際上就是一種噪 聲,會影響前級的正常工作,這就是所謂的“耦合”。
去藕電容就是起到一個“電池”的作用,滿足驅動電路電流的變化,避免相互間的耦合干擾。將旁路電容和去藕電容結合起來將更容易理解。旁 路電容實際也是去藕合的,只是旁路電容一般是指高頻旁路,也就是給高頻的開關噪聲高一條低阻抗泄防途徑。高頻旁路電容一般比較小,根據諧振頻率一般取 0.1μF、0.01μF 等;而去耦合電容的容量一般較大,可能是10μF 或者更大,依據電路中分布參數、以及驅動電流的變化大小來確定。
旁路是把輸入信號中的干擾作為濾除對象,而去耦是把輸出信號的干擾作為濾除對象,防止干擾信號返回電源。這應該是他們的本質區別。
3)濾波
從理論上(即假設電容為純電容)說,電容越大,阻抗越小,通過的頻率也越高。但實際上超過1μF 的電容大多為電解電容,有很大的電感成分,所以頻率高后反而阻抗會增大。有時會看到有一個電容量較大電解電容并聯了一個小電容,這時大電容通低頻,小電容通高頻。 電容的作用就是通高阻低,通高頻阻低頻。電容越大低頻越容易通過,電容越小高頻越容易通過。具體用在濾波中,大電容(1000μF)濾低頻,小電容 (20pF)濾高頻。曾有網友形象地將濾波電容比作“水塘”。由于電容的兩端電壓不會突變,由此可知,信號頻率越高則衰減越大,可很形象的說電容像個水 塘,不會因幾滴水的加入或蒸發而引起水量的變化。它把電壓的變動轉化為電流的變化,頻率越高,峰值電流就越大,從而緩沖了電壓。濾波就是充電,放電的過程。
4)儲能
儲能型電容器通過整流器收集電荷,并將存儲的能量通過變換器引線傳送至電源的輸出端。 電壓額定值為40~450VDC、電容值在220~150 000μF 之間的鋁電解電容器(如EPCOS 公司的 B43504 或B43505)是較為常用的。根據不同的電源要求,器件有時會采用串聯、并聯或其組合的形式, 對于功率級超過10KW 的電源,通常采用體積較大的罐形螺旋端子電容器。
2、應用于信號電路,主要完成耦合、振蕩/同步及時間常數的作用:
1)耦合
舉個例子來講,晶體管放大器發射極有一個自給偏壓電阻,它同時又使信號產生壓降反饋到輸入端形成了輸入輸出信號耦合, 這個電阻就是產生了耦合的元件,如果在這個電阻兩端并聯一個電容, 由于適當容量的電容器對交流信號較小的阻抗,這樣就減小了電阻產生的耦合效應,故稱此電容為去耦電容。
2)振蕩/同步
包括RC、LC 振蕩器及晶體的負載電容都屬于這一范疇。
3)時間常數
這就是常見的 R、C 串聯構成的積分電路。當輸入信號電壓加在輸入端時,電容(C)上的電壓逐漸上升。而其充電電流則隨著電壓的上升而減小。電流通過電阻(R)、電容(C)的特性通過下面的公式描述:
i = (V / R)e - (t / CR)
此外,再附上常用電容的一大誤區:
鉭電容替代電解電容的誤區
通常的看法是鉭電容性能比鋁電容好,因為鉭電容的介質為陽極氧化后生成的五氧化二鉭,它的介電能力(通常用ε表示)比鋁電容的三氧化二鋁介質要高。
因此在同樣容量的情況下,鉭電容的體積能比鋁電容做得更小。(電解電容的電容量取決于介質的介電能力和體積,在容量一定的情況下,介電能力越高,體積就可以做得越小,反之,體積就需要做得越大)再加上鉭的性質比較穩定,所以通常認為鉭電容性能比鋁電容好。
但這種憑陽極判斷電容性能的方法已經過時了,目前決定電解電容性能的關鍵并不在于陽極,而在于電解質,也就是陰極。因為不同的陰極和不同的陽極可以組合成不同種類的電解電容,其性能也大不相同。采用同一種陽極的電容由于電解質的不同,性能可以差距很大,總之陽極對于電容性能的影響遠遠小于陰極。
還有一種看法是認為鉭電容比鋁電容性能好,主要是由于鉭加上二氧化錳陰極助威后才有明顯好于鋁電解液電容的表現。如果把鋁電解液電容的陰極更換為二氧化錳,那么它的性能其實也能提升不少。
可以肯定,ESR是衡量一個電容特性的主要參數之一。但是,選擇電容,應避免ESR越低越好,品質越高越好等誤區。衡量一個產品,一定要全方位、多角度的去考慮,切不可把電容的作用有意無意的夸大。
普通電解電容的結構是陽極和陰極和電解質,陽極是鈍化鋁,陰極是純鋁,所以關鍵是在陽極和電解質。陽極的好壞關系著耐壓電介系數等問題。
一般來說,鉭電解電容的ESR要比同等容量同等耐壓的鋁電解電容小很多,高頻性能更好。如果那個電容是用在濾波器電路(比如中心為50Hz的帶通濾波器)的話,要注意容量變化后對濾波器性能的影響。
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