电容选用及公式计算
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电容(或称电容量)是表征电容器容纳电荷本领的物理量。我们把电容器的两极板间的电势差增加1伏所需的电量,叫做电容器的电容。电容器从物理学上讲,它是一种静态电荷存储介质(就像一只水桶一样,你可以把电荷充存进去,在没有放电回路的情况下,刨除介质漏电自放电效应/电解电容比较明显,可能电荷会永久存在,这是它的特征),它的用途较广,它是电子、电力领域中不可缺少的电子元件。主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、隔直流等电路中。
电容的符号是C。
C=εS/d=εS/4πkd(真空)=Q/U
在国际单位制里,电容的单位是法拉,简称法,符号是F,常用的电容单位有毫法(mF)、微法(μF)、纳法(nF)和皮法(pF)(皮法又称微微法)等,换算关系是:
1法拉(F)= 1000毫法(mF)=1000000微法(μF)
1微法(μF)= 1000纳法(nF)= 1000000皮法(pF)。
电容与电池容量的关系:
1伏安时=25法拉=3600焦耳
1法拉=144焦耳
相关公式
一个电容器,如果带1库的电量时两级间的电势差是1伏,这个电容器的电容就是1法,即:C=Q/U 但电容的大小不是由Q(带电量)或U(电压)决定的,即:C=εS/4πkd 。其中,ε是一个常数,S为电容极板的正对面积,d为电容极板的距离, k则是静电力常量。常见的平行板电容器,电容为C=εS/d.(ε为极板间介质的介电常数,S为极板面积,d为极板间的距离。)
定义式:C=Q/U
电容器的电势能计算公式:E=CU^2/2=QU/2=Q^2/2C
多电容器并联计算公式:C=C1+C2+C3+…+Cn
generated多电容器串联计算公式:1/C=1/C1+1/C2+…+1/Cn
三电容器串联:C=(C1*C2*C3)/(C1*C2+C2*C3+C1*C3)
旁路、退耦、耦合电容的选取
高手和前辈们总是告诉我们这样的经验法则:“在电路板的电源接入端放置一个1~10μF 的电容,滤除低频噪声;在电路板上的电源与地线之间放置一个0.01~0.1μF 的电容,滤除高频噪声。”在书店里能够得到的大多数的高速PCB 设计、高速数字电路设计的经典教程中也不厌其烦的引用该首选法则(老外俗称Rule of Thumb)。但是为什么要这样使用呢?各位看官,如果你是电路设计高手,你可以去干点别的更重要的事情了,因为以下的内容仅是针对我等入门级甚至是门外级菜鸟。
做电路的人都知道需要在芯片附近放一些小电容,至于放多大?放多少?怎么放?将该问题讲清楚的文章很多,只是比较零散的分布于一些前辈的大作中。鄙人试着采用拾人牙慧的方法将几个问题放在一起讨论,希望能加深对该问题的理解;如果很不幸,这些对你的学习和工作正好稍有帮助,那我不胜荣幸的屁颠屁颠的了。(以上有些话欠砍,在此申明以上不是我所写)
什么是旁路?
旁路(Bypass),在电路中为了改变某条支路的频率特性,使得它在某些频段内存在适当的阻值,而在另一些频段内则处于近似短路的状态,于是便产生了旁路电容的概念。旁路电容之所以为旁路电容,是因为它旁边还存在着一条主路,
而并不是某些电容天生就是用来做旁路电容的,也就是说什
么种类的电容都可以用来做旁路电容,关键在于电容容值的
大小合适与否。旁路电容并不是电解电容或是陶瓷电容的专
利。之所以低频电路中多数旁路电容都采用电解电容原因在
于陶瓷电容容值难以达到所需要的大小。
使用旁路电容的目的就是使旁路电容针对特定频率以上
的信号相对于主路来说是短路的。如图形式:要求旁路电容需要取值的大小;
已知:1、旁路电容要将流经电阻R 的频率高于f 的交流信号近似短路。求旁路电容的大小?
Ic Ir
解:旁路电容C 的目的就是在频率f 以上将原本流经R 的绝大多数电流短路;也即频率为f 时,容抗远小于电阻值;
12R f C 12C f R
当f=1khz,R=1k 时,C 应该远大于0.16uf。因此取47uf 已近很足够了,当然再大一点也不为过,100uf 都还算能接受,电容适当增大可以使得旁路更充分,而且在给定频率以上支路的品质因数更低,也就使得整个支路表现出来的容性更弱,支路对信号相位的影响更小,笔者认为旁路电容的值在上述计算值的100到1000倍都可以接受。不过如果要是大于上式计算出的值的5000倍就不太好了。不过再大也不会得到多少回报,甚至有可能带来不好的后果,因为实际的电容永远都不是一个纯粹的电容。电容越大带来的其分布电感也将更显著。
什么是耦合?
耦合,有联系的意思。单元电路级联时,中间如果采用的是电容来传递信号,能量通过电容从前级传至后级,则此电容即耦合电容,作为耦合电容就应当使得两级的直流信号无法串通,只有交流信号得以通过,正因为如此使得静态的设置不相互影响,那么耦合电容该如何设定呢?
已知:如图,Rs 表征了前级的输出电阻,R
表征了后级的输入电阻,级间传递的信号频率
在f 以上求C 的大小。
解:要求信号尽可能多的传到R 则C 的容
抗应当远小于R 即:
1122R C f C f R
如果R=5000,需要传输的信号频率为1000hz以上,则C=0.032uf
因此3.2uf便可以了,当然适当大点会更好啊,一般的电路输入电阻求起来不是一下两下的是,因而笔者建议将输入电阻取个大概的较小的值然后估算出电容的值,稍微大一点,不会有问题。
由上式可知C的大小不受Rs的影响。那么Rs到底影响了什么呢?当Rs较大时,R便相对更小,前级信号传递到后级的电压值更小,也就是Rs太大,或是R太小,那么增加电容的值(即加深级间耦合的程度)也无法挽回大局,电压信号还是会降低很多。
什么是退耦?
退耦(Decouple),最早用于多级电路中,为保证前后级间传递信号而不互相影响各级静态工作点的
而采取的措施。在电源中退耦表示,当芯片内部进行开关动作或输出发生变化时,需要瞬时从电源线上抽取较大电流,该瞬时的大电流可能导致电源线上电压的降低,从而引起对自身和其他器件的干扰。为了减少这种干扰,需要在芯片附近设置一个储电的“小水池”以提供这种瞬时的大电流能力。
在电源电路中,旁路和退耦都
是为了减少电源噪声。旁路主要是
为了减少电源上的噪声对器件本身
的干扰(自我保护);退耦是为了
减少器件产生的噪声对电源的干扰
(家丑不外扬)。有人说退耦是针对低频、旁路是针对高频,我认为这样说是不准确的,高速芯片内部开关操作可能高达上GHz,由此引起对电源线的干扰明显已经不属于低频的范围,为此目的的退耦电容同样需要有很好的高频特性。本文并不刻意区分退耦和旁路,认为都是为了滤除噪声,而不管该噪声的来源。
退耦电路的形式当然不只上面图示的那样,退耦电路就一个作用就是稳定电源的电压,使电源电压不发生动摇,如果电源电压都动摇了,那么整个电路的静态都在摇,势必使得输出的信号不理想。退耦,顾名思义就是减退耦合,使得电源与后级,后级的级与级之间没有交流信号的串扰,如此而已,而之所以用两个电容只是为了达到优势互补,达到较好的隔交流的作用。
印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时.操作它们时均会产生较大火花放电,必须采
用RC吸收电路来吸收放电电流。一般R取1~2kΩ,C取2.2~4.7μF
一般的10PF左右的电容用来滤除高频的干扰信号,0.1UF左右的用来滤除低频的纹波干扰,还
可以起到稳压的作用
滤波电容具体选择什么容值要取决于你PCB上主要的工作频率和可能对系统造成影响的谐波
频率,可以查一下相关厂商的电容资料或者参考厂商提供的资料库软件,根据具体的需要
选择。至于个数就不一定了,看你的具体需要了,多加一两个也挺好的,暂时没用的可以
先不贴,根据实际的调试情况再选择容值。如果你PCB上主要工作频率比较低的话,加两个
电容就可以了,一个虑除纹波,一个虑除高频信号。如果会出现比较大的瞬时电流,建议
再加一个比较大的钽电容。
其实滤波应该也包含两个方面,也就是各位所说的大容值和小容值的,就是去耦和旁路。
原理我就不说了,实用点的,一般数字电路去耦0.1uF即可,用于10M以下;20M以上用1到
10个uF,去除高频噪声好些,大概按C=1/f 。旁路一般就比较的小了,一般根据谐振频率
一般为0.1或0.01uF
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