相比于电感抽象,电容的理解较为具体些,即,当外加电压存在时,是将绝缘介质的正负电荷吸引到两边,充电的过程就是两边电荷逐步积累的过程,而放电就是外部电荷逐步释放的过程,由于外部电荷的转移不是突变的,是个逐步增加,减少的过程,因而电容两端的电压也不能突变。
谈到电容作用,大家说的较多的是储能,滤波和旁路,依次如下图所示:
储能:正常电容值较大,需靠近负载,为负载快速提供能量。
滤波:滤除交流信号,保证输出电压的稳定。
旁路:由于电容本身存在寄生电感,寄生电阻,超过其谐振频率,电容特性会减弱,呈电感性,因而旁路电容出现了,滤波高频频率信号,若没有电容的寄生特性,大容量电容可以起到无差别滤除一定频率以上的信号。
去耦:当负载发生变化时,去耦电容起到电池的作用,可以满足负载电流的快速变化的需求。
当然电容也有作为隔直通交,只是一个隔的直流,一个隔的交流,本质都是一样的。
不论是储能,滤波,旁路还是去耦,其本质都是电容的充放电特性。
我们看电容充电公式:
其中τ(tao)=RC为时间常数,正常满足3-4τ(tao)可以完成95%的充电,从该公式也可以看出,当C越大时,τ数值变大,所需要的充电时间越长,所以对于频率越高的信号,其周期越小,也就是说在信号很短的周期内,无法满足电容充电到信号有效电平的95%的数值,周期越小,充电时间越短,电容端的充电有效电平越小;而当频率越小时,周期越长,可以对电容充电时间越长,电容端的充电电平数值越高,当电容端电压越高后,能够对电容后端的电平才会越高,当电容端电压越低时,对电容后端的电平越低,即可完成信号的滤波,同时由于电容端充电速度慢,将会电源端到电容端形成电压差,即在传输阻抗端形成较高电压差,产生能量损耗。基于能量损耗,电容充电速度慢(电容充满电压需要更长的时间),从而对信号完成滤波。
当然以上的分析都是基于理想电容,对于理想电容可以看出,当电容容值越大时,即可完成对所需频率信号的滤波,但是在实际应用中,由于存在了寄生参数,当目标频率信号超过谐振频率时,电容特性会失效,因而需要匹配对应频率下低阻抗的电容,不同数值电容并联,又会存在反谐振效应,通常可以按照10倍/100倍的容值进行并联。
同样的道理,当电路用于旁路时,该电容的作用是当负载快速变化时,能够第一时间提供能量,保证电源线上的电平稳定,从理想电容充放电的角度分析,当负载快速变化时,对于电容C而言,其放电时间是一定的,电容C越大,放电时间越长,越能保证高频率的负载稳定,但是由于电容寄生电感的存在,频率越高,电感特性越明显,此时无法保证电流的快速供应,因而需要选择该频率下寄生电感小的电容,关于这一点,也可以从电源完整性的角度分析,即Z=ΔU/Imax,需要确保在我们关心的频率范围内阻抗要小于目标阻抗值。
总结:
1.理想电容的充放电特性是其所有应用的基础;
2.由于电容存在寄生参数,特定频率场景可以选用电容的串联谐振效应;
3.去耦电容的应用需要考虑电源完整性。
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