电容并不总是容性的!

发布时间:2023-9-15 18:35    发布者:eechina
关键词: 电容 , 容性
作者:René Kalbitz 博士,伍尔特电子电容产品经理。

在理想元件理论中,电容表现为容性。然而,这仅在特定的工作条件下成立,且取决于频率范围。本文重点介绍不同电容的阻抗特性,并说明电容何时会表现为容性,何时不表现为容性。
通常用阻抗和频率来表示电容的频率特性。通过研究这些频谱,可获得大量电化学、物理和技术相关信息 [2]。由于在某些情况下,产品规格书无法提供所有数据,工程师们不得不依靠测得的频谱为电路设计选择合适的元件。为了尽可能完善数据库,伍尔特电子 (Würth Elektronik eiSos, WE) 采用在线工具 REDEXPERT [1] 为用户提供频谱和其他测量数据。

通过图 1 所示的电路,几乎可以对所有类型电容阻抗与频率的变化关系进行建模,包括多层陶瓷电容 (MLCC) 和超级电容 (SC)。

image001.png
图 1 电容的标准等效电路,包含电容 CS、等效串联电阻 RESR、等效串联电感 LESL 和漏电阻 RLeak。

公式中的 CS 代表纯电容,它并不实际存在于任何电气元件中。任何实际存在的电容都有损耗,因此会降低充电速度。这种现象可以用纯等效串联电阻 RESR 来描述,同时负载和导线的电阻也会影响等效串联电阻。金属导体中的任何交变电流都会感应出一个与电流方向相反的磁场,这种特性可以用等效串联电感LESL描述。

CS、RESR 和 LESL 是描述所有频谱所需的关键参数。在最简条件下它们被假定为常数,不随频率变化。漏电流可由纯电阻 RLeak 近似表述。通常情况下,RLeak 比 RESR 大几个数量级,可忽略不计 [2]。

通过改变 CS、RESR、LESL 和 RLeak,可以计算出所有电容的基本频率响应。图 2 和图 3分别显示了电容值为 4.7 µF 和 50 F 时的阻抗和电容频率特性。

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图 2 根据标准模型计算的阻抗谱|Z ̂ |:WCAP-FTBE(上),WCAP-STSC(下)。

这两个示例的参数分别对应于伍尔特电子产品组合中的以下元件:
        超级电容 (WCAP-STSC):CS = 50 F,RESR = 15 mΩ,LESL = 5 nH,RLeak = 10 MΩ;
        薄膜电容 (WCAP-FTBE):CS = 4.7 µF,RESR = 5 mΩ,LESL = 5 nH,RLeak = 10 MΩ。

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图 3 根据模型计算得出的电容频谱 Re(C ̂)。WCAP-STSC 曲线(红)对应于左侧纵坐标,WCAP-FTBE 曲线(蓝)对应于右侧纵坐标。

一般来说,频谱中的关键点可由以下四个特征频率表述:

RESRC 元件的特征频率(等式 1):

image009.png         (1)


LC 元件的特征频率(等式 2):

image011.png         (2)


"R" _"Leak"  "C" 元件的特征频率(等式 3):

image015.png

"R" _"ESR"  "L" 元件的特征频率(等式 4):


image019.png (4)




图 2 和图 3展示了两种主要特征:

洛伦兹振荡:fRC > fLC,CS = 4.7µF 时;以及

德拜弛豫:fRC < fLC,CS = 50 F 时。

图 2中的黑蓝虚线表示纯电容和寄生电感部分。RC 元件的特征频率 fRC 为电容的充放电频率。

当频率为 fRC 时,超级电容的频率特性曲线(图 3)呈肩状突起。低于该频率时,可从图表中得出容值。高于 fRC 时,下图 3中所示的阻抗谱在 RESR 时趋于平稳。

fLC 为 LC 元件的特征频率,即寄生电感和电容耦合产生共振的频率(fRC > fLC ),如上图 2所示。低于该频率时,电容器表现为容性,即它可以储存电荷;高于该频率时,电容表现为感性。如上图 2所示,自谐振导致阻抗谱 (WCAP-FTBE) 出现极小值。阻抗谱的最小值即 RESR 值。在具体应用中,电容不应在 fLC 及以上频率下工作。物理过程详见 [2]。

fLeak 是 RLeakC 元件的特征频率。低于该频率时,电容表现为阻值为 RLeak 的电阻。

fRL 为 RESRL 元件的特征频率,高于该频率时,电容表现为电感值为 LESL 的电感(图 3,下),导致高频时阻抗升高。

这两个例子阐述了一个相对简单的模型,用于说明高容值和低容值电容的表现 [2]。其中,特征频率是重要的分析工具,可以作为解读电容实测频率特性的准则。有关不同电容的测量频谱的详细说明,请参见 Application Note ANP109 [2]。

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