電容的原理和性質(zhì)詳細(xì)分析

為了分析電容在電路中合適的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行此次的電容原理和性質(zhì)探索。

（1）電容定義

電容決定式：C=εS/（4πkd）

注意：電容C由電容器本身的構(gòu)造因素決定，與Q、U無(wú)關(guān)。

電容是描述電容器儲(chǔ)存電荷本領(lǐng)大小的物理量。

4. Xc=1/（2πfC） （Xc是容抗） ［1］

（2）電容一般結(jié)構(gòu)模型

圖1 Mutara的DATASHEET里面圖片

電容基本上主要是由金屬片、電介質(zhì)、導(dǎo)電聚合物組成。

1） 金屬片通常是陽(yáng)極，在電路上正電荷的累積的一邊;

2） 電介質(zhì)是絕緣（并非絕對(duì)），將正負(fù)電荷的流通進(jìn)行隔絕;

3） 負(fù)極通常是導(dǎo)電聚合物。

（3）電解電容內(nèi)部的實(shí)物圖，拆解見(jiàn)識(shí)下

有這樣的一個(gè)工作經(jīng)歷，有一個(gè)客戶的線和電解電容靠在一起，線路高溫把電容的絕緣皮融化，電容的鋁殼漏出來(lái)。供應(yīng)商銷售經(jīng)理是說(shuō)其一鋁殼是和負(fù)極接在一起（我測(cè)量過(guò)其實(shí)不是直接導(dǎo)通，有2V左右的電壓，后來(lái)有一次工作碰到外殼被電過(guò)），其二電線不要噴到電容外圍，或者電容就要做兩層絕緣。后來(lái)我找到了供應(yīng)商技術(shù)部長(zhǎng)，部長(zhǎng)建議：電容是不允許高溫烘烤，哪怕還能正常用也要更換，電源的引腳和PCB的焊盤(pán)能加上絕緣墊片更好。

為了探究電容原理，拆了好幾個(gè)電容，里面一股化學(xué)味道兒，里面的結(jié)構(gòu)和圖2所示基本一樣。

（4）電容性質(zhì)

1、在零電勢(shì)時(shí)，電容的陽(yáng)極和陰極不帶電性，呈中性。

2、存在電勢(shì)差時(shí)，高電動(dòng)勢(shì)指向低電勢(shì)（高往低流），正電荷不移動(dòng)，電子從高電勢(shì)往低電勢(shì)移動(dòng)。此時(shí)由于電介質(zhì)絕緣阻擾電容陽(yáng)極和陰極內(nèi)層間的電子穿透，所以陽(yáng)極的電子被驅(qū)趕通過(guò)電纜往陰極走，陰極的電子被累積。此時(shí)陽(yáng)極呈現(xiàn)電的正性，陰極呈現(xiàn)電的負(fù)性。

3、電勢(shì)差加在電容兩端的充放電時(shí)間，Uo=Ui-Ui*e^（-t/（RC）），RC是積分時(shí)間常數(shù)。通常上是取Uo=Ui*95%（估算95%-98%）為充滿的時(shí)間，工作上通常選3RC-4RC為充滿電時(shí)間。這里軟件仿真的充電是5.03ms = 5RC=5*1000*10，是5倍，放電時(shí)間是2.5倍。

（圖4 軟件：tian-ti ）

4、電流超前電壓90°。（軟件：LTspice）

（圖5 軟件：LTspice ）

5、電容兩端的電壓不會(huì)突變。電容的充電和放電與電勢(shì)差有關(guān)，一旦充電飽和，電容就不會(huì)再充電（隔直通交），通過(guò)不斷不同的充放電形式，輸出不同波形?！倦娙莩潆娺^(guò)程不等效于短路，充滿電后不等效于開(kāi)路】

6、電容內(nèi)層結(jié)構(gòu)上是絕緣的，但由于存在工藝性能、電介質(zhì)的極化效益和離子漂移情況，出現(xiàn)少電流在電容內(nèi)部通過(guò)，這個(gè)在電路上應(yīng)該是漏電流現(xiàn)象。

7、電容的種類很多，材料不一樣，電容差異性有時(shí)會(huì)有些大。

8、一個(gè)普通貼片電容的寄生電感主要由幾個(gè)方面組成：

（1）由于電容器需要通過(guò)引線與電路連接，由引線帶來(lái)的寄生電感;

（2）由于電極表面存在的電流，而電流必然帶來(lái)電感使電極表面分布有一個(gè)串聯(lián)電感（ESL）;

（3）由于材料的介電損耗帶來(lái)的電感。［2］

9、集成電路可看成一個(gè)等效電流或電壓源，為了使噪聲最低，供電網(wǎng)絡(luò)的阻抗應(yīng)該盡可能小。在一定的頻率范圍內(nèi)，加大去耦電容可以有效減小網(wǎng)絡(luò)阻抗。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于電容器固有的寄生電感和電阻，并且這些寄生參數(shù)隨著頻率的增大也會(huì)增大，尤其在高頻高速的工作狀態(tài)，電容的這種退耦作用甚至?xí)?。并且通常電容越大體積也越大，所帶來(lái)的寄生電感也越大。為了減少供電網(wǎng)絡(luò)的阻抗，，理想去耦電容是電容值越大越好，寄生電感越小越好，體積也越小越好，以利于靠近集成電路的電源和接地入口。［3］

10、電容理論上是不產(chǎn)生也不消耗能量，是儲(chǔ)能元件。實(shí)際上是發(fā)熱的，不同產(chǎn)品發(fā)熱量自然不同，我以前在某一個(gè)的烤機(jī)過(guò)程，測(cè)過(guò)溫度有達(dá)到40攝氏度。

11、電容能夠提高效率、提高功率因數(shù)。其一比如LCC電路，拓?fù)渖献儔浩鞯穆└泻碗娙菥涂梢越M成一個(gè)諧振電路，當(dāng)然再多幾個(gè)電容和電感都是可以的，看如何計(jì)算。減少損耗，提高效率，按照按照能量守恒和定積分分析，如果在關(guān)斷過(guò)程中，如果電壓和電流都是最小值投影到區(qū)域內(nèi)，他們的面積就會(huì)更小，損耗就小。如果在導(dǎo)通過(guò)程中，如果電壓和電流都是最大值投影到區(qū)域內(nèi)，他們的面積就會(huì)更大，能量轉(zhuǎn)換就更加有效。其二比如感性負(fù)載，感性負(fù)載的電壓超前，可以并上電容的電流超前來(lái)補(bǔ)償，最終使得電壓和電流投影得面積更大，減少不必要得無(wú)功功率，提高有功功率分比，功率因數(shù)數(shù)學(xué)理論上100%是滿足得，但是實(shí)際受到限制，經(jīng)常見(jiàn)到產(chǎn)品是0.85。

12、電容必然存在漏電流，沒(méi)有電介質(zhì)是完全絕緣的。漏電流過(guò)大可能出現(xiàn)“雪崩現(xiàn)象”，電容會(huì)失效，甚至短路，會(huì)使用如前面的電路，串聯(lián)一個(gè)3V/歐姆電阻阻抗匹配。

等等。

（5）電容擺放位置不同，有不同的叫法

【1】 去耦，在電源的輸出端并聯(lián)一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娙?，猶如水庫(kù)的緩沖作用，可以大大減小負(fù)載等的波動(dòng)對(duì)電源的影響，這就是退耦作用。［4］

【2】 諧振，如單片機(jī)外界無(wú)源晶振和負(fù)載電容組成諧振電路，給單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)。

【3】 移相，全橋的ZVS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

【4】 旁路，IC電源旁邊的104或者105電容。

【5】 濾波，射頻電路、高頻信號(hào)的串接電容，如組成基本的LPF、HPF、BPF、BEF濾波電路等。

【6】 儲(chǔ)能，超級(jí)電容維持?jǐn)嚯姾蟮睦m(xù)能作用。

等等。

（6）電容應(yīng)用

（圖6 Mutara的DATASHEET里面）

此圖來(lái)源于Mutara datasheet，主要特點(diǎn)就是電流上升過(guò)程，當(dāng)供能不足時(shí)，電壓會(huì)被拉低。

1、地和大地PE并聯(lián)電阻和電容。102、103 1KV 1M經(jīng)典配置。

2、104、105、106，擺放位置以濾除高頻優(yōu)先。

3、相位補(bǔ)償、功率補(bǔ)償?shù)鹊取?/p>

總結(jié)：

1、一般電容內(nèi)部模型構(gòu)想，整體有兩個(gè)儲(chǔ)存電能的容器，中間絕緣，理論上是沒(méi)有電子通往，受到電場(chǎng)作用。工作時(shí)是一個(gè)充電和放電的過(guò)程。2、充放電公式：Uo=Ui-Ui*e^（-t/（RC））3、Xc=1/（2πfC） （Xc是容抗）

4、沒(méi)有新發(fā)現(xiàn)。