由于薄膜电容器的优良特性而在电子线路中得到广泛的应用。根据不同的电子线路的不同要求,可以应用特性各异的薄膜电容器来满足要求。
电子线路对电容器的性能要求特别高,薄膜电容器中最常见的聚酯电容器似乎就不能用了。其实不然,在一般的应用中,只要电容器的性能可以满足要求,采用什么介质电容器均可,一般都是使用容易买到和价格低廉的电容器。在一般应用中对电容器的温度系数并没有很高的要求因此,电容器均可以采用最常见的聚酯薄膜电容器或陶瓷电容器。
旁路电容器
电容器最常见的应用就是用作旁路电容器。旁路电容器的作用时设法降低直流母线或电源的交流阻抗,以尽可能地减少由于直流母线或直流电源对电路产生的有害耦合。
电源旁路对电容器的基本要求是尽可能地将直流母线或直流电源中的有害交流信号“短路”旁路。那么是不是所有的电容器都具有所希望的旁路能力,需要对各种电容器作详尽的分析。
(1) 稳压电路对高频有害信号的抑制能力
如果电子线路的供电已经是由稳压电压,那么为什么还要有旁路电容器对稳定的直流电源进行旁路呢,这岂不是多此一举吗?
在理论上,经过稳压电源的稳压后不再需要旁路电容器,直流母线或直流电源上也就不存在有害的交流信号成分。
但是,对于实际的稳压器,无论是线性稳压器还是开关型稳压器均仅有输出的上拉能力,没有下拉能力;不仅如此,无论是线性稳压器还是开关型稳压器的频率响应能力都是有限的。
通常的情况下仅对1KHz以下的频率具有很强的抑制能力,而高于1KHz后,对输出的交流分量的抑制能力随频率的升高而下降。这就是说,在实际上稳压电源自身对高频纹波电压的抑制能力很弱,甚至无法满足电子线路性能的要求。
(2) 旁路电容器的ESR对旁路效果的影响
从上述分析可以看到,旁路电容器的任务主要是旁路频率相对比较高的交流纹波电流,因此,电容量不必像滤波电容器那样大。根据不同的需求,一般可以选0.1-10µF。
由于旁路电容器是旁路由于负载变化而产生的纹波电流,相当于电源的交流等效电路中旁路电容器与负载分享纹波电流。
(3)铝电解电容器的旁路能力
从元器件成本角度考虑,薄膜电容器的价格比较贵,至少相当于相同电容量的铝电解电容器的十倍以上,所以在一般的应用中,往往采用铝电解电容器作为旁路电容器。
在实际应用中,铝电解电容器的旁路效果比较差,其原因是铝电解电容器的ESR太大。还是以1UF为例,1UF的普通低压铝电解电容器的ESR一般为20Ώ左右,是相同电容量薄膜电容器的100倍。用20Ώ与负载旁路纹波电流,其效果将是可想而知的。
随着廉价的大电容量陶瓷电容器的问世,可以采用陶瓷电容器作为旁路电容器替代薄膜电容器。
不能否认的是,如果采用铝电解电容器可以满足旁路效果的话,选用铝电解电容器作为旁路电容器无疑时恰当的选择。
(4)对大电容滤除低频,小电容滤除高频概念的解释
如果需要旁路电容器在1KHz或更低频率时具有良好的旁路效果,由电容器容抗与频率的关系可以知道,0.1µF电容器的容抗在1KHz时为15.9Ώ,不会又很好的旁路效果。如果这时选择ESR在1-3Ώ之间的47-100µF的铝电解电容器,则可以比较好地解决问题。
如果仅仅以ESR在1-3Ώ之间的47-100ΏF的铝电解电容器作为旁路电容器,则由于铝电解电容器的寄生电感比较大,在高频段呈比较大的感抗而影响高频旁路效果。可以将ESR在2-3Ώ之间的47-100µF的铝电解电容器与0.1µF薄膜电容器并联使用。这就是通常所说的“大电容滤除低频,小电容滤除高频”的原因。
(5)作为整流器的缓冲电容器
在工频整流电路中,经常会由于整流二极管的反向恢复而产生不希望的电磁干扰,为了降低这个电磁干扰,可以在整流二极管两端并联缓冲电容器。对于电压、电流比较低的应用,可以选择0.01µF电容器就可以比较好地解决问题。
薄膜电容器作为滤波电容器
作为50Hz的工频整流滤波,薄膜电容器的电容量太小而不可能应用,但是数十千赫甚至数百千赫的开关电源输出整流滤波,铝电解电容器的滤波效果将大打折扣,由于频率高,薄膜电容器相对低的电容量已经不再是问题。因此,在高性能的大功率开关电源中,薄膜电容器将显示出其优异特性。
薄膜电容器的最大特点是ESR可以坐到非常小,而且可以承受较大的峰值电流和电流有效值,这正适合作为高频整流滤波电容的用途。特别是在铝聚合物电解电容器、钽/钽聚合物电解电容器耐压不能及的电压等级,薄膜电容器显示出它的优异性能。
高频整流滤波要求电容器应具有尽可能低的寄生电感和ESR,开关电源用薄膜电容器,如EC公司的80µF/30V薄膜电容器的ESR几乎可以忽略不计。它的外引线为铜板,电容器的聚酯薄膜厚度仅1.8µm,由人测试其击穿电压不低于70V,与聚酯薄膜的40V/µm的绝缘破坏电压是一致的;75V/40µF电容器每个引出端竟然用每一侧都有13只的双列直插引脚,以尽可能地降低ESR。这样,即使是上百安的纹波电流,在ESR上也不会造成1mV的纹波电压,这是其他介质电容器所不能及的。
电容器作为耦合电容器
作为耦合电容器,既要将交流或脉冲信号“无衰减”地耦合到后级,同时又不能影响后级的直流工作点,因而需要电容器的绝缘电阻要高,通常的聚酯薄膜电容器即可以满足要求。
由于薄膜电容器的漏电流远远小于其他介质电容器,因此,薄膜电容器作为耦合电容器所产生的漏电流影响也是最小的。薄膜电容器的价格比较高,在应用中是需要考虑的。
电容器在采样-保持电路中的应用
在采样-保持电路中最关键的是电容器的绝缘电阻,因此应选择绝缘电阻最高的介质电容器;其二时介质吸收要小,否则会影响采样型号幅度。如果采样频率较高,还应考虑损耗因数,通常在薄膜电容器中,损耗因数均可以满足要求,所要做的是锦上添花,将电路的性能做的更好。
对薄膜电容器,聚苯乙烯、聚丙烯介质吸收相对最低,而考虑温度系数,则聚苯乙烯介质电容器是采样保持电容器的最佳选择。
电容器在震荡电路、定时电路、延迟电路和滤波器中的应用
在振荡电路、定时电路、延迟电路中为满足电路的温度稳定性,需要电容器的电容量具有良好的温度稳定性以确保振荡频率、定时时间、延迟时间具有良好的温度稳定性,这时以温度系数低的聚碳酯介质电容器为首选,其温度系数可以接近于零,在整个工作温度范围内电容量几乎没有变化,对谐振频率、定时时间及延迟时间都没有影响。
不仅如此,电容器的容差也可以小于1%;其次应选用复合膜电容器,这种电容器的介质时利用正温度系数介质和负温度系数介质组合而成的,使温度系数互补接近为零,在整个工作温度范围内电容量的变化可以小于0.1%,这种电容器在国家标准中以CH表示,如国产的CH11复合膜电容器的电容量可以从1nF-0.47µF,并且在市场上很容易买到。
这种电容器采用黄色树脂封顶,容差范围有1%、2%、5%、10%,如选用聚苯乙烯或聚苯硫醚介质电容器,则电容量在整个温度范围的变化将达到±1%,对于定时电路的定时时间和延迟电路的延迟时间的影响也将是±1%,对于谐振电容器都找不到,采用聚丙烯2:聚酯1.在温度几乎不变的环境下电容器的选择将无特殊要求,但是一定不能用第二类陶瓷电容器作为振荡电容器的实验,结果刚开机时频率很高,但是随着电容器的温度上升振荡频率明显下降,远远超出性能要求。
与振荡电路、定时电路、脉冲延迟电路相同,由电容器与其他器件构成的滤波器。选频网络、带通滤波器、带阻滤波器等,为保证其选频精度,同样需要电容器具有良好的温度稳定性和比较优异的电容量的容差。
如果电路工作的环境温度变化不大,可以选用薄膜电容器中最廉价的聚酯介质电容器,所需要的比较精确的电容量可以采用两只或多只电容器并联获得。
原标题:薄膜电容器的一般应用