解析電源設計1 儲能元件 電容

2021-08-21 11:43:53 字數 1519 閱讀 2939

化學電池是眾所周知的儲藏電能的元件,然而,在電路設計中廣泛使用的其儲能性來滿足各種功能的元件是電容和電感。

電容顧名思義是存放電荷的容器,最常見的理論模型是平板電容,在兩個極板之間充滿介電物質來設計這樣的電容。理想電容器是一種隔直流通交流的元件。

圖1 平板電容

電容的計算單位是f(法拉),以單位電壓能容納多少電荷為衡量,決定電容的並不是外部電壓,而是極板的距離,面積和介電材料本身的性質。電容作為一種廣泛使用的元件,其工藝和用料不僅決定了它的容量,還影響著其頻率特性,漏電電流,溫度特性和穩定性,從而決定了它在不同的電路中扮演怎樣的角色。從電腦顯示卡造成的花屏現象到收音機裡吱吱叫的雜訊都很可能是受到電容的影響,在中有更詳細的電容型別及其發展的**。電容器在電源設計中關鍵的作用莫過於濾波,一般我們將電容器模擬為乙個水庫,通過調節流量,保持下游的電路穩定。如圖2,在濾波電路中,輸入的交流電持續給電容充電,電容在交流的高電壓時充電,低電壓時放電來回補輸出端,以形成直流輸出。

圖2 電容濾波電路

電容的阻抗公式是:z =1/2πfc,阻抗跟頻率成反比,因此,我們可以看到,當電容固定時,頻率越高,阻抗越小。在濾波電路中,濾波電容和輸出端併聯,直流分沒有影響的輸出到負載,而頻率越高的分量越容易被電容迴路傳回輸入端。

從阻抗公式,我們還可以看到乙個經驗說法的悖論,按設計經驗,「小電容濾高頻,大電容濾低頻」,然而從理論分析,阻抗和電容值也成反比,因此,對於高頻訊號而言,如果面對併聯小電容的負載,阻抗值變大,將更多的被輸出,而反過來,要輸出低頻就要抑制。為什麼經驗和理論向左呢?

要解決這個問題就不得不面對現實,作為電子元件,電容器的結構和材料也會產生寄生電感,具有其自身的自諧振頻率(self resonant frequency,srf),其等效公式

ω=1/(lc)1/2

當輸入電源的頻率成分在srf以下,電容器呈容性,而對於高於srf的頻率成分,電容器呈感性,這將意味著大於srf工作時,圖2不再成立。

自諧振頻率與電容的容值成反比,那麼越大的電容器,自諧振頻率就越小,對於高頻分量而言,這樣的大電容器被視為感性元件,而不起作用,僅對低於sfr的低頻交流成分起到濾除作用。因此,就造成了實際上「小電容濾高頻,大電容濾低頻」的說法。一般應用上,會採用大小電容併聯的方式,大小電容一般相差兩個數量級,這樣才能更好的達成電源濾波目的。

圖3 大小電容併聯濾波

圖4 不同容量的電容器

圖4是不同容量的電容器,其中三個圓柱形的是電解電容,容量達到數µf,最大的是2200µf,電解電容有極性,需要注意接入正確的電位點,黃色的是0.1µf的獨石電容,可以用以併聯達成濾波電路。

圖5 實際電容等效圖

除了寄生電感,電容器的等效串聯電阻(esr,equivalent series resistance )也是選擇電容產品的時候經常被考慮到的因素,圖5中,我們可以看到把電容器等效成寄生電感,esr和理想電容的示圖,esr的存在會減弱電容充放電效率,產生熱量會造成電容壽命下降和引入電路雜訊,對於電解電容而言,esr還會隨著使用過程中電解液的變化而變化,從而造成穩定性下降。

高srf低esr是選用好電容的理想條件,此外,電容器的選擇要根據設計目的結合使用經驗,多做除錯實驗,以便設計出穩定的電子裝置。

解析電源設計2 儲能元件 電感

與理想電容器相對應,理想電感是一種通直流隔交流的電子元件。電感通過把電能儲存成磁能,達成儲能目的。組成電感的材料沒有電容那麼複雜,是由矽鋼片製作的鐵芯,和在其上用銅線纏繞的線圈來構成的。根據中學物理學知識,我們知道,當直流電通過線圈時,線圈作為為普通導線,會形成環繞導線的電場,不過沒有磁場的產生,當...

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