在許多情況下,可以使用相對簡單的集總模型來表示真實電容器,該模型由理想電容器和幾個附加元件組成。
ESR
等效串聯電阻(在模型中以 Resr 表示)描述了電荷通過電容器時產生的損耗。電極和引線材料的電阻是一個促成因素,而介電材料本身內部也會產生損耗,損耗往往佔主導地位。ESR 與電容器選擇的關係有兩個面向:1)它影響電容器的交流響應;2)由於熱限制,它限制了允許流過電容器的交流電流量。與其他電阻器一樣,電流流過電容器的 ESR 會導致 I2R 損耗,造成電容器內部溫度升高,縮短設備壽命。
ESR 受裝置類型和結構的影響,同時也受溫度和測試頻率的不同程度的影響。在許多情況下,電容器的 ESR 不會直接在規格書中提供,而是以 Q、耗散因數(DF)或 Tan δ 等概括數值表示。所有這些都是電容器 ESR 與容抗(XC)的商,以不同的方式表達。Tanδ 和耗散因數都計算為ESR/XC,本質上是相同的數字,但需要注意的是,耗散因數通常以百分比表示,而不是簡單的無量綱因子。Q 只是 Tan δ 的倒數,或是 XC/ESR。
ESL
等效串聯電感來自裝置引線的部分自感、由於電路中裝置引線的幾何形狀而形成的線圈等。在集總模型近似中,ESL 由一個理想電感器(Lesl)與一個理想電容器(Cnom)串聯表示,後者代表設備的標稱電容值。ESL 與電容器選擇的相關性主要在於其對交流反應的影響。如集總模型所示,現實世界的電容器的行為類似於串聯的 LCR 電路。隨著施加的交流電壓頻率的增加,ESL 的感抗會增加到等於設備的容抗的程度,此時電容器表現為電阻器。當頻率高於該點時,電容器實際上就是一種電感器。
洩漏
在集總模型中,洩漏被表達為與理想電容器並聯的相對大值電阻器。這是因為電容器內所使用的介電材料不是完美的絕緣體,當施加恆定電壓時,會允許一定量的直流電流通過電容器。洩漏與電容器選擇的相關性取決於應用;它可能是微功率應用中的功耗問題、精密模擬應用中的誤差來源或電源應用中的可靠性/熱管理問題。
極化
極化是大多數電解電容器的非理想特性,它們依賴透過電化學作用形成的電介質。對這種電容器施加極性錯誤的電壓會導致用於建立電容器介電層的電化學過程發生逆轉。這種電化學破壞介電層的過程會導致高於規定的漏電流,而當變薄的介電層在施加電壓的壓力下開始擊穿時,漏電流會加劇。
由於漏電流會導致內部發熱,而溫度升高又會導致漏電流增加,因此會產生串接效應(cascading effect),當錯誤地施加的電壓的源阻抗較低時,可能會導致相當嚴重的災難性故障。
非極化電解電容器(實際上是兩個背對背放置的極化電容器)可用於施加電壓極性未知或可能偶爾反轉的應用,但使用時需要謹慎。
介電吸收
介電吸收,也稱為「浸透」,是指電容器介電體中的能量存儲,其吸收和釋放的時間比設備的標稱電容和 ESR 所預測的時間要長。在集總元件模型中,它可以表示為電阻器和電容器(或其多個實例)的串聯連接,並與設備的標稱電容並聯。
實際上,這意味著電容器在直流電位下保持一段時間,然後短暫放電,看起來會在一定程度上自行充電。在不同的例子中,透過保持在直流電位一段時間的電容器的電阻器進行的放電將透過放電曲線快速變化部分期間的通常的指數方程式很好地建模。然而,在曲線的「長尾」部分,電容器將傳輸比通常的 R-C 放電方程式預測的電流更高的電流。
這種現像在精密類比電路中可能會出現問題,但在高壓、高電容設備(例如許多功率因數校正或直流總線濾波應用中使用的設備)中,可能會造成致命的安全隱患。目前和歷史上用於此類應用的許多類型的電容器都是最容易透過介電吸收來儲存能量的電容器,其中一些能夠「自充電」至先前施加電壓的五分之一。對於較大的設備,由於該過程而在端子處存在的能量和電壓足以直接造成傷害(燒傷或心臟驟停是兩種可能性),或對電擊的非自願反應間接造成傷害。
____ 對 _____ 的依賴
在第一個空白處,填上任何感興趣的設備參數;電容、ESR、ESL、洩漏、壽命等。溫度、電壓、頻率、時間等。有些關係並不是特別牢固,通常可以忽略不計,而有些關係則比一隻吸入有毒氣體的 800 磅重的大猩猩更牢固,更不容忽視。因此,在選擇設備時應該考慮這種關係的存在和相關性。
老化
某些類型的電容器的特性會表現出顯著的變化,這種變化發生的時間比大多數感興趣的電訊號的時間長得多,就像Krispy Kreme® 甜甜圈離開油炸鍋後特性會隨時間發生變化一樣。這可能會從設計、製造或校準的角度帶來問題;例如,剛從回流焊爐出來時測試正常的設備,可能在一週後就不符合規格了。
微音器/壓電效應
回想一下,兩個平行板之間的電容方程式是電極分離/電介質厚度的強函數;如果極板之間的距離發生變化(例如施加機械力),電容也會發生變化。如果電容改變但儲存電荷量保持不變,則電容器端子之間的電壓與電容的變化成反比。
結果是電容器在機械和電氣領域之間提供了一種轉換機制,通常稱為微音效應,因為它與舞台表演、便攜式電子設備等中使用的音訊麥克風相似/應用。應用程序,但當它導致機械訊號意外耦合到電路中,成為雜訊源或更糟的是,成為意外的回授路徑時,也會出現問題。
傳感機制也是雙向的;在電容器端子上施加電壓會導致機械力施加到電極上,而這種力又會以機械方式耦合到周圍環境中,例如可聽見的雜訊。儘管由於靜電力(「靜電吸附」背後的現象)的存在,所有電容器中都存在這種現象,但它在採用壓電電介質材料的設備中最為明顯。這種材料在機械應變作用下會產生電荷,而向另一個方向受到電場作用時則會發生機械變形。由於壓電效應往往會在每伏電壓下產生比靜電力大得多的機械力,因此在包含壓電材料的電容器中,電氣和機械領域之間的耦合要強得多。