片式电容器的一般电性能及参数介绍

2011-08-10 23:04:55来源: 互联网

在交变电压的作用下,电容器并不是以单纯的电容形式出现,它除了具有电容量以外,还存在一定和电感和电阻。在频率较低时,它们的影响很小可以不予考虑;随着工作频率的得高,电感和电阻的影响不能忽视,严重时可能会使电容器失去作用。
因此,我们一般用四个主要的参数来衡量片式电容的一般电性能:电容量(Capacitance)、损耗角正切(Dissipation Factor)、绝缘电阻(Insulation Resistance)、耐电压(Dielectric Withstanding Voltage)。
一、电容量(C)
电容量的大小表示电容器贮存电荷的能力。一般用HP电桥测试。两层平行金属极板中的陶瓷介质为什么能贮存电荷能?这是因为陶瓷介质具有一种特殊的物理特性:电极化(简称极化)。从电学的角度来看,一般导体,例如金属和电解质,其原子和分子对周围电子的束缚力很小,我们称这些电子为自由电子(或叫自由电荷)。在电场的作用下,自由电子将沿电场力的方向作定向运动,形成电流。但在陶瓷介质中,原子、分子中正负电荷却以其价健或离子健的形式存在,相互间强烈地束缚着,我们称之为束缚电荷。在电场的作用下,这些正负电荷只能作微观尺度上相对位移。由于电荷的相对位移,在原子、分子中就产生了感应偶极矩,我们称之为极化。在外电场的作用下,偶极分子将沿电场方向定向偏转,从而在陶瓷介质的表面形成相应的感应电荷。从而电荷就被贮存在电容器中。

图4-片式电容器的极化图
电容量的单位是法拉,但在实际应用中法拉的单位太大,一般采用毫法(mF),微法(uF),纳法(nF)和皮法(pF)。它们之间的关系如下:
1F = 103mF = 106uF = 109nF = 1012pF
片式电容器的电容量除了由它本身的设计与材料特性所决定外,在很大程度下同它的测试条件、温度、电压和频率有很大的关系。对于Ⅰ类电容器(COG),其电性能受上述因素的影响相对较小,但对于Ⅱ类电容器(X7R、Z5U、Y5V),其电性能受上述因素的影响相对较大。
1、 电容量与温度的关系
温度是影响电容器电容量的一个重要因素,我们把电容量同温度的这种关系特性叫收电容器的温度特性(Temperature Coefficient)。一般说来,对于较为稳定的Ⅰ类电容器,其影响相对较小,几乎没有变化,故我们用PPM/℃来表示它的容量变化率;对于Ⅱ类电容器,其影响相对较大,故我们用”%”来表示它的容量变化率。

2、 电容量与直流电压的关系
在电路的实际应用中,电容器两端可能要放加一个直流电压,我们把电容器的这种情况下的特性叫做直流偏压特性。目前直流偏压特性较好的材料有BX。这种材料是在通过对X7R材料改性而得来。另外也可以通过增加介质厚度的方法,取得较好的电容器偏压特性。

电压/密尔介质厚度
图7-偏压与电容量变化率的关系
从图可以看出,对于一个X7R和BX材质的产品来说,介质厚度基本正比于偏压特性。比如,相同容量(100nF)的一个产品,三种不同的介质厚度设计就有三种不同的偏压特性,介质厚度越厚,产品的偏压特性就越好。

3、 电容量与交流电压的关系
同样,Ⅰ类电容器的交流特性比较好,基本不随施加电压的变化而变化。但是,对于Ⅱ类电容器,其容量基本是随所加电压的升高而加速递升的,特别X7R此特性比较明显。

在日常的测试中,我们一般是1.0±0.2V做为电容量与损耗角正切的测试电压,电压较低,因此,对于同一容量采用不同的介质厚度设计,最终所表现出来的容量值不会有太大的差异。但是,随着工作电路中交流电压的不同,这种差异会较为明显。

4、 电容量与工作频率的关系
对于Ⅰ类电容器其应用频率的增加,它的容值不会有什么变化,但对于Ⅱ类电容器,容值下降较为明显。现举例如下:

图9-电容量与频率的关系曲线图

二、绝缘电阻(IR);
完全不导电的绝缘体是没有的。在电介质中通常或多或少存在正、负离子,这些离子在电场作用下将定向迁移,形成离子电流,我们称之为体内漏电流。通常,在电容器的表面,也会或多或少地存在正负离子,这些离子在外电场的作用下,会发生定向迁移,形成表面漏电流。因此,电容器的漏电流是陶瓷介质中体内漏电流与芯片表面的漏电流两部分组成。我们把加在介质两端的电压和漏电流之比称之为介质的绝缘电阻。
R=U/I
由上可知,电容器的绝缘电阻等于表面绝缘电阻与体内绝缘电阻相并联而成。因此,电容器的绝缘电阻除了同其本身所固所介质特性外,同外界环境温度、湿度等有很大的关系。
温度对绝缘电阻的影响主要表现在温度升高时,瓷介的自由离子增多,漏电流急剧增加,介质绝缘电阻迅速降低。但防潮不好的小容量电容器表面漏电流较大,随着温度的升高,表面潮气蒸发,表面绝缘电阻上升。
湿度对电容器电性能影响最大,会因表面吸潮使表面绝缘电阻下降。
三、损耗(DF)和品质因数(Q)
在外加电压作用下,单位时间内因发热而消耗的能量,叫电容器的损耗。理想的电容器把从电源中得到的能量,全部贮存在电容器有介质中,不发生任何形式的能量消耗,事实上电容器在外加电压的作用下是要消耗能量的,介质漏电流,缓慢极化(电偶极矩在电场作用下发生偏转),内外电极金属部位的等效电阻都会消耗一部分能量,形成电容器的损耗。过高的电容器损耗会产生热量使电容器温度升高,造成电路工作状态不稳定,加速电容器的老化。

电容器的好坏并不能单以电容器的消耗能量的多少来定论,因此,一般用电容器的损耗角正切来表示。电容器的损耗角正切是指在一定频率的正弦电压作用下,消耗在电阻上的有功功率和贮存在电容器中的无功功率的比值。因此,其是一个无单位的量。即:

介质损耗同电容量一样,在实际使用中同温度、工作频率、电容器两端所加的电压有很大的关系。
以1206B472K500NT和1812B223K500NT为例:

图10-介质损耗同温度的关系

图12-介质损耗同频率的关系

电容器的品质因素(Q)和等效串联电阻ESR:
在高频电路中,由于频率较高,电容器所测量出来的介质损耗已经很小,不便于参考。因此,为了更好地了解它的高频特性,我们更关心的是它的品质因素Q值和在高频低下所表现出来的等效串联电阻ESR(Equivalent Series Resistance)。

Q值就是介质损耗DF的倒数。即:Q = 1/DF。随着目前信号使用频率的增高、功率的增加,高Q和超高Q的产品需求越来越多。同样,Q值同ESR有着直接的关系,一般高Q即具备低ESR的特性。
在电容中所有损耗的总合叫做电容的等效串联电阻ESR,一般它用毫欧姆来表示。ESR的损耗由介质损耗(Rsd)和金属损耗(Rsm)两部分组成。ESR = Rsd + Rsm
金属损耗( Rsm)则取决于电容构造中所有金属性物质的传导特性。这包括内电极,端电极等。
下面以一个容量值为22 pF的电容器所测得几组数据为例:

由上表可知,介质损耗在低频率下是主要的,而在高频时则很小,金属损耗则与之相反。当频率越高时,金属损耗就表现出”趋肤效应”。现列举我们市场上几个产品容量段的Q值。

因此,在设计时,高频下我们应考虑ESR和Q值对电路设计的影响;低频下应考虑损耗(DF)对电路设计的影响。

四、耐电压(DWV)
电容器的耐电压性能就是指电容器的陶瓷介质在工作状态中能够承受的最大电压,即击穿电压,也就是电容器的极限电压。电容器的标称电压即电容器的工作电压,标称电压一般是相对于直流来说的。而电容器的耐电压常规也是相对直流来说的,但有时也常用交流来表示。一般来说,电容器的标称电压远远低于其瓷介的耐电压。因为,在实际的工作过程中,电容器除了两端时时要承受的直流电压外,另外常有脉冲交流电压存在,而这个交流电压的峰值常常远远高出工作过程中的直流电压。因此,我们标称电压远远低于芯片的耐电压。比如,1206B102K101NT其标称电压为100V,也就是其工作直流电压要低于100V,而实际上其耐电压直流可达1200V左右;交流可达500V左右。

关键字:电容器

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0810/article_11225.html
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