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PCB设计之电容篇

   日期:2014-04-16    
核心提示:给导体加电位,导体就带上电荷。但对于相同的电位,导体容纳电荷的数量却因它本身结构的不同而不同。导体能够容纳电荷的能力称为电容。

1.电容的结构和特性

给导体加电位,导体就带上电荷。但对于相同的电位,导体容纳电荷的数量却因它本身结构的不同而不同。导体能够容纳电荷的能力称为电容。 通常,某导体容纳的电荷Q(库仑)与它的电位V(伏特,相对于大地)成正比,即有

, 所以
,C就是该导体的电容量。电容的单位是法拉(F),

 

 

 

图1 电容器的结构和符号

如图1(a)所示,在两块平行的金属板之间插入绝缘介质,且引出电极就成为了电容器。它的电路符号见图1(b)所示,分别为有极性电容和无极性电容。

若给电容器充电,电容器的两极板上就会积累电荷。如图2(a)所示为给电容量为C的电容器以恒定电流强 度I充电示意图。假设电容器初始不带电荷,即它两端的初始电压等于零。我们回忆电流的定义:电荷在导体内流动形成了电流,单位时间内流过导体横截面的电荷 量称为电流强度,即有

,则
,又因在电容器中有
,故
,所以

 

即电容量为C的电容器在恒定电流强度I的作用下,两端电压V随时间t线性上升,上升曲线如图2(b)所示。

 

 

图2 给电容器恒流充电

电容器两端的电压越高则所容纳的电荷就越多,即储能就越大。但电容器两极板间绝缘介质的耐电强度是有限的,若两极板间的电场强度太高,就可能将绝缘介质击穿,从而使电容器短路。因此在应用中要兼顾电容器的耐压。

结论:电容器在电路中有容纳电荷的作用,也即存储能量的作用。电容器存储能量是需要时间的,因此电容器两端电压不能突变。且电容量越大,可存储的能量就越多。电容器最重的两个参数是它的电容量和耐压。

2.RC充放电回路

图3(a)所示电路是以一个RC充放电回路示意图。假设电容器两端的初始电压为零,开关K与1端接通的瞬间,电源通过电阻R对电容器充电,此时电容器的充电电流为最大E/R,若持续以这个电流充电,则VC的上升曲线是一条线性的直线,如图3(b)中的虚线所示。

 

 

图3 RC充放电回路

但是因在整个充电过程中充电电流为

,故随着VC的上升,充电电流强度IC逐渐减小,则VC上升的幅度也逐渐变小,直到上升至电源电压E,同时充电电流为0。这样使实际的VC上升曲线如图3(b)所示。VC是按指数规律上升的,它随时间t变化的表达式为:

 

 

 

其中,

为时间常数。

 

可以看出串联电阻R越大,充电电流就越小,则充电时间就越长;电容量C越大,所需要的电荷就越多(即储能越多),充电时间也就越长。

当电容充满电后,VC等于E。此时开关K与2端接通,则电容器通过R放电,放电电流为

,VC逐渐降低。在接通2端的瞬间,放电电流为最大
,但随着VC的降低,放电电流也逐渐降低,直至VC为0V,放电电流也为0。这样以来,电容放电时VC的下降曲线如图1.7(c)所示。VC也是按指数规律下降的,它随时间t变化的表达式为:

 

 

 

3.电容的容抗

在电路中电容有一个很重要的作用,就是通交流、隔直流。若一个直流电压加在电容的一端,则电容稳定后 (即充放电过程完成后),在电容的另一端不能感受到这个电压,即直流被隔开,这一点我们从RC充放电回路也可以看出来;若输入Vi是一个交流信号,则Vo 会输出同频率的交流信号,且输入交流信号频率越高,输出Vo的幅度就越大,即交流信号通过了这个电容。

其实我们可以这样来理解,交流信号的幅度和方向都是随时间变化的,而电容对电压的反应是有隋性的,即它 两端的电压不能突变。当电容器一个极板的电位随输入信号变化较快时,电容器两端的电压变化较慢,则引起它的另一个极板的电位也跟着以同样的方式变化。这样 以来,虽然有一些损失(电容两端电压毕竟变化了一点),但也相当于交流信号通过了这个电容器。而且,输入信号变化的越快(即频率越高),电容器容量越大 (即它两端的电压变化越慢),就越容易通过。

在电路中,电容器C对信号的容抗为:

 

 

式中f为信号的频率,单位为赫兹,容抗XC的单位为欧姆。

4.电容的滤波作用

利用电容的特性我们可以制作滤波器。如图4(a)所示的电路就是一个高通滤波器,即输入信号频率越高则越容易通过,频率越低越不容易通过,不允许直流通过,这样就可滤除信号中的低频率成份。相反图4(b)所示的电路则是一个低通滤波器,它可以滤除信号中的高频成份。

 

 

(a)高通滤波器 (b)低通滤波器

图4 滤波器电路

5.常用电容器的分类

电容的选取要慎重,一般可选择较知名的电容品牌,如TDK电容、国巨电容等,作为质量的保证。

(1)铝电解电容

铝电解电容为有极性电容,在电路中它的“+”极必须要接电位较高的一端。它的实物照片如图5(a)所示。

优点:容量大,能耐受大的脉动电流。

缺点:容量误差大,泄漏电流大;普通电解电容器不适于在高频和低温下应用,不宜使用在25kHz以上频率。

 

 

图5 电容实物

用途:低频旁路、信号耦合、电源滤波。

(2)钽电解电容

钽电解电容也为有极性电容。实物照片如图5(b)所示。

优点:温度特性、频率特性和可靠性均优于普通电解电容器,特别是漏电流极小,寿命长,容量误差小,而且体积小,单位体积下能得到最大的电容电压乘积。

缺点:对脉动电流的耐受能力差,若损坏易呈短路状态,价格较高。

用途:在许多场合可替代铝电解电容,用于超小型高可靠性设备中。

(3)单片陶瓷电容

是目前用量较大的电容。实物照片如图5(c)所示。

优点:温度和频率稳定性都很好,损耗低,寿命长。

缺点:不能做成大容量电容。

用途:高频滤波、振荡和耦合等。

 
标签: PCB设计 电容
  
  
  
  
 
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