|
发布时间：2005-12-19 作者：
未知
介质强度
介质强度表征的是介质材料承受高强度电场作用而不被电击穿的能力，通常用伏特/密尔（V/mil）或伏特/厘米（V/cm）表示。
当外电场强度达到某一临界值时，材料晶体点阵中的电子克服电荷恢复力的束缚并出现场致电子发射，产生出足夠多的自由电子相互碰撞导致雪崩效应，进而导致突发击穿电流击穿介质，使其失效。除此之外，介质失效还有另一种模式，高压负荷下产生的热量会使介质材料的电阻率降低到某一程度，如果在这个程度上延续足夠长的时间，将会在介质最薄弱的部位上产生漏电流。这种模式与温度密切相关，介质强度隨温度提高而下降。
任何绝缘体的本征介质强度都会因为材料微结构中物理缺陷的存在而出现下降，而且和绝缘电阻一样，介质强度也与几何尺寸密切相关。由于材料体积增大会导致缺陷隨机出現的概率增大，因此介质强度反比于介质层厚度。类似地，介质强度反比于片式电容器內部电极层数和其物理尺寸。基於以上考虑，进行片式电容器留边量设计时需要确保在使用过程中和在进行耐压测试（一般为其工作电压的2.5倍）時，不发生击穿失效。
如何理解绝缘电阻IR
绝缘电阻
绝缘电阻表征的是介质材料在直流偏压梯度下抵抗漏电流的能力。
绝缘体的原子结构中没有在外电场强度作用下能自由移动的电子。对于陶瓷介质，其电子被离子键和共价键牢牢束缚住，理论上几乎可以定义该材料的电阻率为无穷大。但是实际上绝缘体的电阻率是有限，并非无穷大，这是因为材料原子晶体结构中存在的杂质和缺陷会导致电荷载流子的出现。
因为文中有些图表，不能直接贴出，请详见以下附件（pdf格式）。我们希望和大家一起探讨有关电容方面的问题，谢谢大家的支持。
电容器的射频电流与功率
CAPACITOR RF CURRENT & POWER
这篇文章主要是讨论多层陶瓷电容器的加载电流、功率损耗、工作电压和最大额定电压之间的关系。通过电容的最大电流主要是由最大额定电压和最大功率损耗限制的。电容的容值和工作频率又决定了它们的限制是可调节。对于在固定频率下一个较低容值的电容或者是一个电容在较低的频率下工作，它们的最高电压极限一般都比最大功率损耗的极限到达快一些。
最大的额定电压决定于电容器的阻抗（Xc），就好像功率损耗决定于电阻的阻抗，或者叫做电容的等效电阻（ESR）
Xc是由公式：Xc＝1/[2πFC] 计算出来，这里的F是频率，单位是Hz；C是容量，单位是F。
在没有超出电容器的额定电压情况下，允许流过电容的最大电流峰值是这样计算出来的：I=Er/Xc
这里的Er是电容器的额定电压，电流是峰值电流，单位是A。
流过电容的实际电流是这样计算出来：I=Ea/Xc，这里的Ea是应用电压或者是实际工作。
下面几个例子是讲解在固定的频率不同的电容器这些变数是怎样影响电压和电流的极限值。
例1：0.1 pF，500V 的电容器使用在1000MHZ的频率上：
等效电阻：Xc=1/[2(3.14)(1000×106)(0.1x10－12)]＝1591
ohms
电流峰值：I=500/1591=0.315 Apeak 或 0.22 Arms.
如果超过这个电流，则工作电压将会超过额定电压。
例2：1.0 pF, 500 V 的电容器使用在1000MHZ的频率上：
等效电阻：Xc=1/[2(3.14)(1000×106)(1.0x10－12)]＝159
ohms
电流峰值：I=500/159= 3.15 Apeak 或者 2.2 Arms
如果超过这个电流，则工作电压将会超过额定电压。
例3：10 pF, 500 V 的电容器使用在1000MHZ的频率上：
等效电阻：Xc=1/[2(3.14)(1000×106)(10x10－12)]＝15.9
ohms
电流峰值：I=500/15.9= 31.5 Apeak 或者 22.2 Arms
如果超过这个电流，则工作电压将会超过额定电压。
结论：最大功率损耗值是在假设电容器的端头是一个无穷大的散热器情况下计算出来得。这时传导到空气中的热量是忽略的。一个10pF,
500V 的电容器工作在1000MHZ的频率，在功率极限下工作的电流峰值是7A，平均电流大概是5
Arms。在这种工作电流情况下，电容器的温度将会升到125℃。为了稳定地工作，它的实际最大工作电流是2
Arms，如果端头的散热效果很好可以到达3Arms。
CAPACITOR RF CURRENT & POWER (英语原文)
This note discusses the relationship of current
handling, power dissipation, applied voltage and
the maximum rated voltage of a multi-layer
ceramic capacitor. Either the maximum voltage
rating or the maximum power dissipation of the
part limits the maximum current through a
capacitor. The capacitance value and the
operating frequency determine which of the two
becomes the governing limit. For lower values of
capacitance at a given frequency, or lower
frequencies at a given capacitance, the voltage
limitation is generally reached before the power
dissipation limitation.
The voltage limitation depends on the capacitors
reactive impedance (Xc), where as the power
dissipation depends on the resistive impedance
or equivalent series resistance (ESR) of the
capacitor.
Xc is calculated by Xc=1/[2πFC], where F=
frequency in hertz and C = Capacitance in
farads.
The maximum allowable peak current flow through
a capacitor (without exceeding the capacitors
rated voltage) is calculated by I=Er/Xc, where
Er is the capacitors rated voltage, and I = the
peak current flow in amperes.
The actual current flow through a capacitor is
calculated by I=Ea/Xc, where Ea is the applied
or working voltage.
The following examples illustrate how these
variables effect the voltage/current limitation
for some specific capacitors at a given
frequency.
EXAMPLE 1: A 0.1 pF, 500 Volt capacitor is to be
used at 1000 MHz:
Xc=1/[2(3.14)(1000x106)(0.1x10-12)]=1591 ohms;
Ipeak=500/1591=0.315 Apeak or 0.22 Arms.
If you exceed this current, you will exceed the
voltage rating of the capacitor.
EXAMPLE 2: A 1.0 pF, 500 Volt capacitor is to be
used at 1000 MHz:
Xc=1/[2(3.14)(1000x106)(1.0x10-12)]=159 ohms;
Ipeak=500/159= 3.15 Apeak or 2.2 Arms.
If you exceed this current, you will exceed the
voltage rating of the capacitor.
EXAMPLE 3: A 10 pF, 500 Volt capacitor is to be
used at 1000 MHz:
Xc=1/[2(3.14)(1000x106)(10x10-12)]=15.9 ohms;
Ipeak=500/15.9=31.5 Apeak or 22.2 Arms.
This current level is actually never reached
because at this frequency, values over
approximately 1.5 pF are limited by the power
dissipation of the capacitor.
IMPORTANT NOTE: The power dissipation limited
data assumes an infinite heat sink at the
capacitor terminations. The heat transferred to
the air is ignored.
The 10pF, 500V capacitor at 1000 MHz would
actually be power limited to about 7Apeak
which is about 5 Arms. At this current level the
temperature of the capacitor would rise to about
125 degrees C. For reliable operation, it would
be practical to limit the current to 2 Arms with
a decent heat sink, or even 3Arms if there is a
very good heat sink at the terminations.
(欢迎访问:我爱电子制作网 http://www.5iediy.com)
请关注本站2011新款VGA信号源（信号发生器）！
解答
回复：如何理解电容器的静电容量 HOW TO UNDERSTAND THE
CAPACITANCE 发布时间：2005-12-19 作者： 看来看去的狗狗
A.电容量
电容器的基本特性是能够储存电荷（Q），而Q值与电容量（C）和外加电压（V）成正比。
Q = CV
因此充电电流被定义为：
= dQ/dt = CdV/dt
当外加在电容器上的电压为1伏特，充电电流为1安培，充电时间为1秒时，我们将电容量定义为1法拉。
C = Q/V = 库仑/伏特 = 法拉
由于法拉是一个很大的测量单位，在实际使用中很难达到，因此通常采用的是法拉的分数，即：
皮法（pF） = 10-12F
纳法（nF） = 10-9F
微法（mF）= 10-6F
B.电容量影响因素
对于任何给定的电压，单层电容器的电容量正比于器件的几何尺寸和介电常数：
C = KA/f(t)
K = 介电常数
A = 电极面积
t = 介质层厚度
f = 换算因子
在英制单位体系中，f =
4.452，尺寸A和t的单位用英寸，电容量用皮法表示。单层电容器为例，电极面积1.0×1.0″，介质层厚度0.56″，介电常数2500，
C = 2500（1.0）（1.0）/4.452（0.56）= 10027 pF
如果采用公制体系，换算因子f = 11.31，尺寸单位改为cm，
C = 2500（2.54）（2.54）/11.31（0.1422）= 10028 pF
正如前面讨论的电容量与几何尺寸关系，增大电极面积和减小介质层厚度均可获得更大的电容量。然而，对于单层电容器来说，无休止地增大电极面积或减小介质层厚度是不切实际的。因此，平行列阵迭片电容器的概念被提出，用以制造具有更大比体积电容的完整器件。
在这种“多层”结构中，由于多层电极的平行排列以及在相对电极间的介质层非常薄，电极面积A得以大大增加，因此电容量C会随着因子N（介质层数）的增加和介质层厚度t’的减小而增大。这里A’指的是交迭电极的重合面积。
C = KA’N/4.452（t’）
以前在1.0×1.0×0.56″的单片电容器上所获得的容量，现在如果采用相同的介质材料，以厚度为0.001″的30层介质相迭加成尺寸仅为0.050×0.040×0.040″的多层元件即可获得（这里重合电极面积A’为0.030×0.020″）。
C = 2500（0.030）（0.020）30/4.452（0.01）= 10107 pF
上面的实例表明在多层结构电容器尺寸相对于单层电容器小700倍的情况下仍能提供相同的电容量。因此通过优化几何尺寸，选择有很高介电常数和良好电性能（能在形成薄层结构后保持良好的绝缘电阻和介质强度）的介质材料即可设计和制造出具有最大电容量体积系数的元件。
回复：如何理解电容器的容量老化 发布时间：2005-12-19 作者： 看来看去的狗狗
如何理解电容器的容量老化
铁电体陶瓷电容器的容量和介质损耗会展现出随时间延长而衰减的趋势。这种被称为老化的现象是可逆的，其产生的原因在于铁电体晶体结构随温度而变化。
铁电介质以钛酸钡（BaTiO3）为主要成分，加入一定的氧化物以改变材料晶体惯态和对称性，产生出铁电畴。在居里点（120℃）附近，BaTiO3晶体结构由四方相转变为立方相，自发极化不再发生。而当冷却通过居里点时，材料晶体结构又重新由立方相转变为四方相，其点阵结构中不存在对称中心。Ti4+离子可以占据两个非对称位置中的一个，从而导致永久性电偶极。由于相邻晶胞相互作用的影响足以建立起极化畴，因此这些电偶极是自发产生和略微有序的。平行极化畴是随机取向的（在没有外加电场作用的情况下），给系统提供应变能。而应变能的松弛正是材料介电常数老化的原因，具有下列时间关系：
K = K0 -m log t
这里 K = 任意时间t处的介电常数
K0 = 时间t0（t0 < t）处的介电常数
m = 衰减速率
上面公式是对数关系，如果采用半对数图处理所得数据，其结果将会近似于一条直线，正如下图所示。每十倍时内K（或电容量）变化的百分数可以通过计算得出，用做衡量瓷料优劣的一个指标。
与微观结构有关，进而对极化产生影响的的因素（材料纯度、晶粒尺寸、烧结情况、晶界、空隙率，内应力）同样也决定了畴壁移动和重新取向的自由程度。
图略（请下载附件看全文）
由此可知，材料老化的速率与材料组分和工艺过程密切相关，同时对那些影响材料介电常数的因素也非常敏感。
铁电体容量的时间损耗是不可避免的，尽管通过把介质加热到居里点以上，使材料晶体结构变回“顺电”立方态的方法可以得到恢复。但一旦冷却下来，材料晶体结构再次转变为四方相，自发极化再次出现，产生的新极化畴使得老化过程重新开始。
顺电体，例如NPO，中由于不存在自发极化的机制，因此观察不到老化现象。老化速率受电容器“电压状态”的影响。元件在高温（低于居里温度）直流偏压负荷试验中表现出了容量损耗，但老化速率很低。从理论上讲，高温下的电压负荷会促进极化畴的的弛豫。当然，如果实际温度超过了居里点，电压效应则会消失。
回复：如何理解温度特性TCC HOW TO UNDERSTAND THE TCC
发布时间：2005-12-19 作者： 看来看去的狗狗
A．温度系数（容量—温度特性）：
通过调整配方将居里点尖峰移至室温附近的高K介质在25℃时展现出极高的介电常数，但同时，不管是升温还是降温，K值都会出现非常大的变化。而低K介质，其配方系统使得居里尖峰被压低和宽化，因此能如人们所希望的那样表现出更佳的稳定性。
Ⅰ类瓷的温度系数（T.C.）用ppm/℃表示，而Ⅱ类瓷用%ΔC。测量温度系数的方法是将片式电容器样品置于温度可控的温度实验室或“T.C.”实验室中，精确地读取不同温度（通常为-55℃、25℃、125℃）下的电容量。显然，精密的夹具和测试仪器就变得非常重要了，特别是测量小电容量时，其ppm/℃数值非常小，容量较基准值的变化往往远小于1皮法。由于存在去老化性，因此在测高K的Ⅱ类介质时就必须注意。如果在加热过程中对去老化的样品进行测量，其T.C.结果肯定是错误的；所以T.C.测量必须在对电容器去老化后至少一个小时才能进行。
采用下面的表达式就可以计算出任何给定的温度范围内Ⅰ类介质的温度系数，单位为ppm/℃：
T.C.(ppm/℃) = [(C2 – C1) / C1(T2 – T1)]106
这里： C1 = T1下的电容量
C2 = T2下的电容量
且 T2 > T1
举例：某一样品的电容量测量值如下：
-55℃，1997 pF
25℃，2000 pF
125℃，2004 pF
则-55℃到25℃范围内的T.C.斜率为：
T.C. = [（2000-1997）106] / 1997[25-(-55)] = 18.7
ppm/℃
25℃到125℃范围内的T.C.斜率为：
T.C. = [（2004-2000）106] / 2000(125-25) = 20.0
ppm/℃
Ⅱ类介质的温度系数是以在室温基准值上变化的百分数来表示的，其变化量较线性介质大了好几个数量级。
B．介质的分类
Ⅰ类介质由于其采用非铁电（顺电）配方，以TiO2为主要成分（介电常数小于150），因此具有最稳定的性能。通过添加少量其他（铁电体）氧化物，如CaTiO3
或SrTiO3，构成“扩展型”温度补偿陶瓷则可表现出近似线性的温度系数，介电常数增加至500。两种类型的介质都适用于电路中对稳定性要求很高的电容器，即介电常数无老化或老化可忽略不计，低损耗（DF<0.001，或对于扩展型T.C.介质DF<0.002），容量或介质损耗随电压或频率的变化为零或可忽略不计以及线性温度特性不超出规定的公差。
用“字母—数字—字母”这种代码形式来表示Ⅰ类陶瓷温度系数的方法已经被广泛应用，并被美国电子工业协会（EIA）标准198所采用。
|
