一篇文章帮助你深入了解电容

 新闻资讯     |      2019-05-30 23:52
  在评估纹波时,通常在纹波电压和纹波电流的两个组件周围完成。在大多数应用中,纹波是工程师希望最小化的电路状态。例如,在将AC电力转换为稳定的DC输出的转换器中,努力避免AC电源以小的频率相关的变化信号叠加在DC输出上的现象。然而,在其他情况下,纹波可以是必要的设计功能,例如,时钟信号或数字信号可以利用电压电平的变化来切换设备的状态。
 

 
  在后一种情况下,可以说对纹波的考虑非常简单:不要让峰值电压超过电容器的额定电压。但是,重要的是要记住峰值电压是电路中最高纹波电压和直流偏置电压之和。此外,对使用铋,铝和钽氧化物技术的电解电容还有另一个特殊考虑因素:不要让纹波的最小值低于零电位,因为这会导致电容在反向偏压下工作。压力条件。此要求也适用于低频应用的II类陶瓷电容器。
 
  电容器充当电荷组,当电压增加时,它们被充电;当电压下降时,它们会向负载放电;它们基本上充当了平滑的信号。电容器将经历变化的电压,并且取决于所施加的电源,也可能存在变化的电流,以及连续和间歇的脉动功率。无论输入形式如何,电容性电场所经历的变化都将引起介电材料的偶极子的振荡,从而产生热量。这种反应行为称为自加热,是介电性能成为重要指标的主要原因之一,因为任何寄生电阻(ESR)或电感(ESL)都会增加能耗。具有低损耗的电介质(即低ESR/DF和低ESL)将产生比高ESR和DF电介质更少的热量;然而,这些参数也随频率而变化,因为不同的介电材料在不同的频率范围内(即,最少的热量)提供最佳性能。
 
  电容器电介质非常薄,并且它可能只是电容器总质量的一小部分,因此在评估纹波时也应考虑结构中使用的其他材料。例如,极性电容器(例如陶瓷或薄膜电容器)中的电容器板是金属的;极性电容器(例如钽或铝)具有金属阳极(在钽氧化物技术中,阳极是导电氧化物)和A半导体阴极(例如二氧化锰或导电聚合物)。在外部连接或引脚上,存在各种导电触点,包括金属(例如:铜,镍,银,钯和锡)和导电环氧树脂。当交流信号或电流通过这些材料时,它们会有一定程度的发热。
 
  为了理解这些因素是如何工作的,我们举一个使用固体钽电容来平滑DC输出级的残余AC纹波电流的例子。首先,由于这是极性技术,因此需要正电压偏置以防止AC分量引起反向偏置条件。该偏置电压通常是电源的额定输出电压。在我们考虑纹波之前,我们必须注意所施加的直流偏压产生的热量。电容不是理想的设备。寄生现象是分流电阻器,其跨越将导致漏电流(DCL)发生的介电材料。这种小的直流电流会产生热量,但与其他典型应用不同,热量通常可以忽略不计。 100uF/10V芯片钽电容器在室温下的DCL不超过10uA(100uA @ 85°C),因此其最大功耗为1mW。
 
  接下来,我们看一下由于给定频率下电流的纹波值引起的功耗(等于R,相同频率下电容的ESR)(等于I2R,其中I是电流有效值[rms]) 。我们首先检查正弦纹波电流及其RMS等效电路。如果在某个频率,我们通过100mESR电容产生1A Irms电流,产生100mW。基于电容元件结构和封装材料的热容量以及为向周围环境散热所采取的所有措施(例如,对流,传导和辐射的组合)的连续电源,该电流将导致电容器发热内部直到达到周围环境平衡。在这种情况下,纹波热量是DC漏电流的100倍,因此后者(如上所述)可以忽略不计。但是,在评估新电容器时,最好检查直流漏电流加热情况。
 
  在定义了许多决定由施加的纹波引起的自热的因素之后,我们现在可以设置一个限制。虽然,纹波太大了多少?这个问题几乎没有固定的答案,就像绳子有多长?这个问题的答案是一样的;因此,标准方法是仅设置任意温度变化并将其用作参考。反过来说,给定电容器需要多少纹波才能引起这种变化。
 
  通常,根据电容器技术,建议选择+ 10°C或+ 20°C作为最大温度增量容差。使用以下参考条件计算产生上述条件所需的纹波:3)自由空间(即,没有散热器或强制冷却,并且可以自由地至少在五个方向上[其他方向可以焊接到测试板上]用于热辐射);4)此外,在极性电容器的情况下,施加DC偏压以确保相关的纹波电压不会在电容器两端产生任何反向电压。
 
  然后,增加纹波电流并监控器件温度,直至其建议温度高于环境温度容限点 T达到平衡。测量的Irms通常被称为纹波电流限制,但就最大电压标度或最大ESR限制而言,它不是实际限制;事实上,这是一个最佳实践条件,可以作为应用评估的基础。其中:R是纹波频率下电容器的ESR,热阻抗是每单位时间产生的热量和温度,单位为°C/W.
 
  从上面可以看出,对于给定的电容器,功耗是频率的函数(由于ESR的影响)。热阻抗(在这种情况下,根据经验测量)也可以基于电容器的质量和其构成材料的热容量来计算。然而,电容器的环境条件(即系统的热管理)对应用中的电容器的发热具有相同的效果。对于相同体积和成分的电容器,热阻抗是相同的。因此,如果已知ESR,则可以计算相同产品系列的每个标称参数电容器的每单位时间的功耗,并且还可以通过将热阻乘以功耗来计算预期的温升。