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电阻作用
电阻在电路中扮演着重要的角色#xff0c;其作用包括#xff1a; 限制电流#xff1a;电阻通过阻碍电子流动的自由而限制电流。这是电阻最基本的功能之一。根据欧姆定律#xff0c;电流与电阻成正比#xff0c;电阻越大#xff0c;通过电阻的电流就越小。…电阻
电阻作用
电阻在电路中扮演着重要的角色其作用包括 限制电流电阻通过阻碍电子流动的自由而限制电流。这是电阻最基本的功能之一。根据欧姆定律电流与电阻成正比电阻越大通过电阻的电流就越小。 调节电路中的电压电阻器可以分压电路中的电压。通过将电阻器连接到电路中的不同位置可以改变电路中各部分的电压分布。 转换电能电阻将电流转换为热能这在一些电路和设备中是有意为之的。例如电热水壶中的电阻器将电能转化为热能将水加热。 调整电路的工作状态通过改变电阻值或连接方式可以调整电路的工作状态例如调节LED的亮度、调整电机的转速等。 保护电子元件在电路中电阻器常常用作保护元件限制电流过大防止其他电子元件过载或损坏。 滤波器电阻可以与电容器和电感器组合成滤波器用于去除电路中的杂波或频率分量。
总的来说电阻器在电子电路中起到了调节、保护和转换电能的重要作用是电路设计中不可或缺的组成部分。
电阻的相关计算公式
电阻的计算通常使用欧姆定律表示为
\[ R \frac{V}{I} \]
其中
( R \) 是电阻单位欧姆Ω ( V \) 是电压单位伏特V ( I \) 是电流单位安培A。
另外还有一些其他与电阻相关的重要公式
1. 功率与电流、电压的关系
\[ P VI \]
其中
( P \) 是功率单位瓦特W ( V \) 是电压单位伏特V ( I \) 是电流单位安培A。
2. 串联电阻的等效电阻若有 \( n \) 个电阻串联连接则它们的等效电阻为它们的总和
\[ R_{\text{eq}} R_1 R_2 \ldots R_n \]
3. 并联电阻的等效电阻若有 \( n \) 个电阻并联连接则它们的等效电阻由倒数的总和的倒数给出
\[ \frac{1}{R_{\text{eq}}} \frac{1}{R_1} \frac{1}{R_2} \ldots \frac{1}{R_n} \] 制作方式
一般来说碳膜电阻器和金属膜电阻器是制造电阻器的两种常见方法 碳膜电阻器碳膜电阻器是通过在陶瓷或玻璃基板上沉积一层薄碳膜来制造的。然后使用光刻技术将薄碳膜刻蚀成所需的形状和尺寸。最后在碳膜表面涂覆一层保护性材料以增强耐久性。 金属膜电阻器金属膜电阻器是通过在陶瓷或玻璃基板上沉积一层金属薄膜来制造的。这一层金属薄膜的厚度和材料类型决定了电阻的数值。然后使用光刻技术将金属薄膜刻蚀成所需的形状和尺寸。与碳膜电阻器类似最后也需要涂覆一层保护性材料。
在制造电阻器时需要对材料的精确性、薄膜的均匀性以及形状的准确性进行严格控制以确保电阻器具有一致的性能和可靠性。完成后的电阻器通常会进行测试以确保其性能符合规格要求。
贴片电阻
电阻阻值 1、常用电阻阻值表电阻阻值是离散的并不是所有阻值的电阻都有生产要根据需求进行选择 常用电阻阻值表如下----阻值和精度的对比表
5%精度-E241.05.6331608203.9K20K100K510K2.7M1.16.2361809104.3K22K110K560K3M1.26.8392001K4.7K24K120K620K3.3M1.37.5432201.1K5.1K27K130K680K3.6M1.58.2472401.2K5.6K30K150K750K3.9M1.69.1512701.3K6.2K33K160K820K4.3M1.810563001.5K6.6K36K180K910K4.7M2.011623301.6K7.5K39K200K1M5.1M2.212683601.8K8.2K43K220K1.1M5.6M2.413753902K9.1K47K240K1.2M6.2M2.715824302.2K10K51K270K1.3M6.8M3.016914702.4K11K56K300K1.5M7.5M3.3181005102.7K12K62K330K1.6M8.2M3.6201105603K13K68K360K1.8M9.1M3.9221206203.2K15K75K390K2M10M4.3241306803.3K16K82K430K2.2M15M4.7271507503.6K18K91K470K2.4M22M5.130 1%精度-E9610331003321K3.32K10.5K34K107K357K10.233.21023401.02K3.4K10.7K34.8K110K360K10.5341053481.05K3.48K11K35.7K113K365K10.734.81073501.07K3.57K11.3K36K115K374K1135.71103571.1K3.6K11.5K36.5K118K383K11.3361133601.13K3.65K11.8K37.4K120K390K11.536.51153651.15K3.74K12K38.3K121K392K11.837.41183741.18K3.83K12.1K39K124K402K1238.31203831.2K3.9K12.4K39.2K127K412K12.1391213901.21K3.92K12.7K40.2K130K422K
12.439.21243921.24K4.02K13K41.2K133K430K12.740.21274021.27K4.12K13.3K42.2K137K432K1341.21304121.3K4.22K13.7K43K140K442K13.342.21334221.33K4.32K14K43.2K143K453K13.7431374301.37K4.42K14.3K44.2K147K464K1443.21404321.4K4.53K14.7K45.3K150K470K14.344.21434421.43K4.64K15K46.4K154K475K14.745.31474531.47K4.7K15.4K47K158K487K1546.41504641.5K4.75K15.8K47.5K160K499K15.4471544701.54K4.87K16K48.7K162K511K15.847.51584751.58K4.99K16.2K49.9K165K523K1648.71604871.6K5.1K16.5K51K169K536K19.157.61915651.91K6.04K20K60.4K205K634K19.6591965781.96K6.19K20.5K61.9K210K649K2060.42005902K6.2K21K62K215K665K20.561.92056042.05K6.34K21.5K63.4K220K680K21622106192.1K6.49K22K64.9K221K681K21.563.42156202.15K6.65K22.1K66.5K226K698K2264.92206342.2K6.8K22.6K68K232K715K22.166.52216492.21K6.81K23.2K68.1K237K732K22.6682266652.26K6.98K23.7K69.8K240K750K23.268.12326802.32K7.15K24K71.5K243K768K23.769.82376812.377.32K24.3K73.2K249K787K2471.52406982.4K7.5K24.9K75K255K806K24.373.22437152.43K7.68K25.5K76.8K261K820K24.7752497322.49K7.87K26.1K78.7K267K825K24.975.52557502.55K8.06K26.7K80.6K270K845K25.576.82617682.61K8.2K27K82K274K866K26.178.72677872.67K8.25K27.4K82.5K280K887K26.780.62708062.7K8.45K28K84.5K287K909K27822748202.74K8.66K28.7K86.6K294K910K27.482.52808252.8K8.8K29.4K88.7K300K931K2884.52878452.87K8.87K30K90.9K301K953K28.786.62948662.94K9.09K30.1K91K309K976K29.488.73008873.0K9.1K30.9K93.1K316K1.0M3090.93019093.01K9.31K31.6K95.3K324K1.5M30.1913099103.09K9.53K32.4K97.6K330K2.2M30.993.13169313.16K9.76K33K100K332K31.695.33249533.24K10K33.2K102K340K32.497.63309763.3K10.2K33.6K105K348K
2、阻值表来源 电阻标准由 IEC国际电工委员会制定标准文件为 IEC60063 和 EN60115-2。 电子元器件厂商为了便于元件规格的管理和选用同时也为了使电阻的规格不至太多采用了统一的标准组成的元件的数值。 电阻的标称阻值分为 E6、E12、E24、E48、E96、E192 六大系列
分别使用于允许偏差为±20、±10%、±5%、±2%、±1%、±0.5%的电阻器。
其中以 E24 和 E96 两个系列为最常用。 “E”表示“指数间距”Exponential Spacing它表明了电阻阻值是由公式计算出来的。 x5%精度
例 2丝印为“1003”则1%精度 带有字母“R”的丝印 带字母”R”的电阻一般阻值较小精度多为 1%不过也不绝对可以把 R 看作是小数点前边的数字 为有效值。 例丝印为“22R0”将 R 看作小数点前面的 22 表示有效值读数为 22.0Ω即精度为 22Ω的 1% 精度电阻 带有数字和 R 之外字母的丝印 这种电阻丝印在 0603 封装中比较常见精度为 1%与之对应的标准为 E-96。 E-96 规定用两位数字加一个字母作为丝印实际阻值可以通过查表来获取两位数字表明了电阻数值字母表明了 10 的 x 次方也需要查表。 例丝印为“88A”从下表知“88”代表 8.06A 代表102即阻值8.06 ∗ 102 806。 两位数字查表个位 十位012345678901.001.021.051.071.101.131.151.181.21
11.241.271.301.331.371.401.431.471.501.5421.581.621.651.691.741.781.821.871.911.9632.002.052.102.152.212.262.322.372.432.4942.552.612.672.742.802.872.943.013.093.1653.243.323.403.483.573.653.743.833.924.0264.124.224.324.424.534.644.754.874.995.1175.235.365.495.625.765.906.046.196.346.4986.656.816.987.157.327.507.687.878.068.2598.458.668.879.099.319.539.76 阻值倍数代码代码ABCDEFGHXYZ倍数10210310410510610710810910110010-1
电阻精度 电阻的精度一般用字母表示 T±0.01% A±0.05% B±0.1% D±0.5% F±1% J±5% K±10% 最常用的精度是 1%和 5% 一般场合使用 5%精度有精度要求的使用 1%电阻比如 DCDC电流采样特殊要求的根据实际 情况选择更高精度的。 电阻的封装
封装的命名是根据电阻的实际尺寸来的—英寸单位 例子0402 实际尺寸1mm*0.5mm 0.04 英寸*0.02 英寸 0402 常用的电阻封装有 01005、0201、0402、0603、0805、1206、1210、1218、2010、2512 目前一般电子产品主要用 04020603 封装的要求功率高点的用 1206 的手机或者穿戴设备会用 到更小封装比如 010050201 等。
电阻的功率
电阻额定功率与封装 电阻的额定功率主要由封装决定但也不是绝对的还跟电阻的工艺薄膜还是厚膜品牌阻值 大小等有一定关系。 如果上网查功率与封装的关系的话会有一些网友给出功率与封装表格那并不一定总是正确的使 用时需要谨慎。 下面列一些厂家的电阻与额定功率的关系表格。
各品牌电阻功率与封装的关系封装国巨 YAGEO罗姆 ROHM风华 FH光颉 Viking网上查询参考建议R010051/32W1/32W1/32W1/32W1/32W1/32WR02011/20W1/20W1/20W1/20W1/20W1/20WR04021/16W 1/8W1/16W1/16W1/16W1/16W1/16WR06031/10W 1/5W1/10W1/16W 1/10W1/10W1/10W1/16WR08051/8W 1/4W1/8W 1/10W0.5%1/8W 1/10W1/8W1/8W1/10WR12061/4W 1/2W1/4W 1/8W0.5%1/4W 1/8W1/4W1/4W1/8WR12101/2W1/4W(1~9.76Ω) 1/3W(10K~3.3MΩ 1/2W(10K~9.76Ω)1/4W 1/3W1/3W1/3W1/4WR25121W 2W1W1W1W1W1W
同一封装不同品牌的电阻功率可能不同。 同一封装不同精度的电阻功率可能不同。 同一封装不同阻值的电阻功率可能不同。 电阻额定功率与温度的关系 需要注意的是上一小节提供的额定功率是在 70℃条件一下的如果温度超过 70℃其额定功率是会下降的。 并且R01005 和 R0201 比其它封装电阻的额定功率随温度升高有下降得更快的趋势。 R01005 和 R0201 电阻的工作温度范围是-55℃~125℃R0402 及其以上工作温度范围为-55℃ ~155℃。 如下图是贴片电阻的负荷额定功率下降曲线。 注 1曲线①使用于 010050201 产品曲线②使用于 0402、0603、0805、1206、1210、2010、 2512 产品。 注 2当电阻使用的环境温度超过 70℃时其额定负荷额定功率按照上述曲线下降。 2.1.1.6、电阻的额定电压 电阻是有额定耐压值的不能超过额定耐压值使用。 1、材质相同厚膜的额定电压各品牌相差不大。 2、材质不同额定电压有差别薄膜要比厚膜要低。 3、封装越大额定电压升高。
各品牌电阻的额定电压封装国巨(厚膜)罗姆厚膜风华厚膜光颉(厚膜)光颉(薄膜)参考建议R020125V25V25V15V15VR040250V50V50V50V25V25VR060375V50V50V75V50V50VR0805150V150V100V150V100V100VR1206200V200V200V200V150V150VR1210200V200V200V200V150V150VR2512200V200V200V250V150V150V
电阻的温漂
电阻温度系数 TCR 电阻温度系数temperature coefficient of resistance 简称 TCR表示电阻当温度改变 1 摄氏度时 电阻值的相对变化单位为 ppm/℃ppmpart per million百万分之几。 温度系数 (R-Ra)/Ra ÷ (T-Ta) × 1000000 Ra: 基准温度条件下的阻值 Ta: 基准温度 20℃ R: 任意温度条件下的阻值 T: 任意温度 一般常用电阻温度系数的范围为-200~500ppm/℃
电阻温漂影响 例100ppm/°C 电阻温度系数的贴片电阻器从基准温度 20°C 到 100°C 时的阻値变化率是 阻值变化率温差*温度系数/100 万(100-20)*100/10000000.8% 0Ω电阻
1、0Ω电阻的作用 1、方便测试电流 2、兼容设计跳线 3、模拟地数字地分开单点接地 4、占个位置可换成其它阻值的电阻也可换成磁珠 5、做电路保护充当低成本熔丝 … 2、0Ω电阻阻值多大 根据电阻标准文件 EN60115-20Ω电阻实际最大阻值 10mΩ20mΩ50mΩ可选实际查询各个厂 家普通 0Ω电阻的阻值最大可达 50mΩ 3、0Ω电阻过流能力 需要注意的是不同厂家的 0Ω电阻过流能力并不相同可从下表看出
各品牌 0Ω电阻阻值和额定电流厂家罗姆 ROHM国巨 YAGEO光颉 Viking参考建议封装最大阻值额定电流最大阻值额定电流最大阻值额定电流最大阻值额定电流R020150mΩ0.5A50mΩ0.5A50mΩ1A50mΩ0.5AR040250mΩ1A50mΩ1A50mΩ1A50mΩ1AR060350mΩ1A50mΩ1A50mΩ1A50mΩ1AR080550mΩ2A50mΩ2A50mΩ2A50mΩ2AR120650mΩ2A50mΩ2A50mΩ2A50mΩ2AR121050mΩ2A50mΩ2A50mΩ2.5A50mΩ2AR251250mΩ4A50mΩ2A50mΩ4A50mΩ2A
如果需要能过超大电流的 0Ω电阻也是有的只不过这种电阻就不常规罗姆的超大过流能 力的 0Ω电阻单个可达到 20A-60A阻值最大只有 0.5mΩ不过价格也非常贵。
电阻思考
0Ω电阻到底能过多大电流啊 这个问题想必每个硬件工程师都查过与之相关的还有个问题0Ω电阻阻值到底多大这两个问题本来是很简单的问题答案应该也是明确的。问题出就出在网上网友给出的答案都不尽相同有人说 0Ω 电阻其实是 50mΩ有人说没那么大是 20mΩ。有的说 0603 只能过 1A 电流有的说可以过 1.5A。 那么到底是多大呢下面我们一步一步来看。 0Ω电阻阻值大小 我专门去查了下电阻的标准根据 EN60115-2 电阻标准文件 里面是这么说的0Ω电阻的阻值是 0Ω但也会有偏差0Ω最大电阻偏差有三种可以选择分别是10 毫欧20 毫欧和 50 毫欧。也就是说 0Ω电阻偏差可以允许有多种偏差那么主要看就看电阻厂商做 哪种了。 我下载了几大品牌的罗姆国巨光颉的普通 0Ω电阻规格书查看了下他们标注的的 0Ω电阻 最大阻值都是 50 mΩ。 所以可以得出结论常用的普通 0Ω电阻阻值最大不超过 50mΩ。 0Ω电阻的过流能力 网上会有一种观点说 0Ω电阻的电流是根据功率算出来的电阻按照 50 毫欧来算。这样的话0805 的电阻功率一般为 1/8W算出额定电流应该是 1.58A但是我们查规格书发现几大品牌的都是 2A 与计算出来的有些出入。 额定电流综合之后表格如下 我们看到常规的电阻的电流都不大按照综合后的最小值最大的也就 2A如果设计电路时发现 我要用 3A 或 4A 的 0Ω电阻那怎么办呢其实很简单可以用 2 个 0Ω电阻并联起来就行了。 可能会觉得奇怪怎么有的封装变大了但是过流并没有增加呢例如 0805 和 1206 都是 2A这里呢应该是额定电流虽然没有增加但是瞬间电流应该是能过更大了。如果你打开国巨的电阻规格书你会发现它写了 2 个参数一个是额定电流一个是最大电流额定电流都是 2A但是最大电流 0805 是5A1206 是 10A。 特殊大额定电流的 0Ω电阻 如果是更大的电流也是电阻可选的不过这些电阻就不常规了比如这个罗姆的超低阻值电阻最大阻值 0.5 毫欧小了 100 倍额定电流更是达到了 20 多安但是呢价格非常贵要好几毛钱而普通电阻一分钱能买好几个。 一个小知识--常用电阻阻值表怎么定的 说到电阻都知道电阻阻值不是任意的那么你知道电阻是咋定的吗 当你发现有 4.99K 的电阻有 5.1K 的电阻但是没有 5K 的电阻的时候有没有感叹这是哪个脑残定的阻值哦 下面就来说一说“电阻值是怎么定的” 阻值标准 电阻标准由 IEC国际电工委员会制定标准文件为 IEC60063。 我们常用的阻值标准由 E24 和 E96 两种。 E24 是 5%精度的数量较少E96 是 1%精度的数量较多当然如果某种电阻阻值是 5%精度的肯定能找到同阻值 1%的反之则不一定。 E24、E96 啥意思啥意思呢 请看下面的公式
电容
电容的作用
电容器在电路中同样扮演着至关重要的角色其作用主要包括以下几个方面 储存电荷电容器能够存储电荷就像是一种电荷的容器。当电容器两端施加电压时正电荷会聚集在一端负电荷聚集在另一端形成电场。这种电场存储了电荷当需要释放电荷时电容器就会释放电荷。 调节电路中的电压类似于电阻器电容器也可以用来调节电路中的电压。但是与电阻器不同的是电容器通过储存电荷来实现电压的调节。在交流电路中电容器可以对电压进行相位移动用于调节电路的相位关系。 滤波器电容器可以与电感器和电阻器组合成滤波器用于去除电路中的杂波或特定频率的信号。这种滤波器通常被用于电源和通信系统中。 电容器能量的存储与释放电容器能够存储电能并在需要时释放电能。这在一些应用中非常重要比如脉冲电路中的能量存储与释放。 阻断直流电流由于电容器对直流电流的阻抗是无穷大的因此它可以阻断直流电流只允许交流电流通过。这使得电容器在许多电路中用于去除直流偏置。
电容的相关公式
电容器在电路中的作用与其电容量相关因此在分析电路时我们需要考虑电容器的性质。以下是一些与电容器相关的电路公式
1. 电容器充电/放电的电压变化 - 充电时电压变化\[ V(t) V_0 \left(1 - e^{-\frac{t}{RC}}\right) \] - 放电时电压变化\[ V(t) V_0 e^{-\frac{t}{RC}} \] 其中 - \( V(t) \) 是时间 \( t \) 时电容器上的电压 - \( V_0 \) 是电容器开始充电或放电时的初始电压 - \( R \) 是电路中的电阻 - \( C \) 是电容器的电容 - \( e \) 是自然对数的底。
2. 电容器与电阻串联的时间常数 当电容器与电阻串联时时间常数 \( \tau \) 用于描述电容器充电或放电的快慢程度。时间常数的计算公式为 \[ \tau R \times C \] 其中 - \( \tau \) 是时间常数 - \( R \) 是电路中的电阻单位欧姆Ω - \( C \) 是电容器的电容单位法拉F。
3. 交流电路中的电容阻抗 在交流电路中电容器的阻抗 \( Z_C \) 与频率 \( f \) 和电容值 \( C \) 相关计算公式为 \[ Z_C \frac{1}{2 \pi fC} \] 其中 - \( Z_C \) 是电容器的阻抗 - \( f \) 是交流电路中的频率 - \( C \) 是电容器的电容。
4. 电容器在交流电路中的电流和电压之间的相位关系 电容器在交流电路中引起电压与电流之间的相位差为 \( -90^\circ \)。这意味着电容器的电流落后于电压 \( \frac{\pi}{2} \) 弧度或者说电流滞后于电压 \( 90^\circ \)。
电容的本质
两个相互靠近的导体中间夹一层不导电的绝缘介质这就构成了电容器。当电容器的两个极板之间加上电压时电容器就会储存电荷。 电容量的大小 电容器的电容量在数值上等于一个导电极板上的电荷量与两个极板之间的电压之比。电容器的电容量的基本单位是法拉(F)。在电路图中通常用字母 C 表示电容元件。 电容量的大小公式 陶瓷电容 MLCC 陶瓷电容物理结构 MLCCMulti-layer Ceramic Capacitors是片式多层陶瓷电容器英文缩写。是由印好电极内电极的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片再在芯片的两端封上金属层外电极从而形成一个类似独石的结构体故也叫独石电容器。 可以看到内部电极通过一层层叠起来来增大电容两极板的面积从而增大电容量。 陶瓷介质即为内部填充介质不同的介质做成的电容器的特性不同有容量大的有温度特性好的有频率特性好的等等这也是为什么陶瓷电容有这么多种类的原因。 电容的单位
电容的基本单位是F法此外还有μF微法、nF、pF皮法由于电容 F 的容量非常大所以我们看到的一般都是μF、nF、pF 的单位而不是 F 的单位。 它们之间的具体换算如下 1F1000 000μF 1μF1000nF1000 000pF 电容容量 常用陶瓷电容容量范围0.5pF~100uF。 实际生产的电容的陶瓷容量值也是离散的常用电容容量如下表
pF 级0.5pF、1pF、2 pF、3 pF、4 pF、5 pF、6 pF、7 pF、8 pF、9 pF、10 pF、11 pF、12 pF、13 pF、15 pF、16 pF、17 pF、18 pF、19 pF、20 pF、21 pF、22 pF、23 pF、24 pF、27 pF、30 pF、33 pF、36 pF、39 pF、43 pF、47 pF、51 pF、56 pF、62 pF、68 pF、75 pF、82 pF、 91 pF、100 pF、120 pF、150 pF、180 pF、220 pF、270 pF、330 pF、390 pF、470 pF、560 pF、680 pF、820 pF、910 pFnF 级1nF、1.2nF、1.5nF、1.8nF、2.2nF、2.7nF、3.3nF、3.9nF、4.7nF、5.6nF、6.8nF、8.2nF、 10nF、12nF、15nF、18nF、22nF、27nF、33nF、39nF、47nF、56nF、68nF、82nF、 100nF、120nF、220nF、330nF、470nF、680nFuF 级1uF、2.2 uF、4.7 uF、10 uF、22 uF、47 uF、100 uF
陶瓷电容容量从 0.5pF 起步可以做到 100uF并且根据电容封装尺寸的不同容量也会不同。选购电容器不能一味的选择大容量选择合适的才是正确的例如 0402 电容可以做到 10uF/10V0805 的电容可以做到 47uF/10V但是为了好采购、成本低一般都不会顶格选电容。 一般推荐 0402 选 4.7uF-6.3V0603 选 22uF/6.30805 选 47uF/6.3V其它更高耐压需要对应降低容量。 满足要求的情况下选择主要就看是否常用价格是否低廉。 额定电压 陶瓷电容常见的额定电压有2.5V、4V、6.3V、10V、16V、25V、50V、63V、100V、200V、250V、450V、500V、630V、1KV、1.5KV、2KV、2.5KV、3KV 等等。 额定电压值与电容的两极板间的距离有关系额定电压越大一般距离就要更大否则介质会被击穿。因此这就导致了同等容量的电容耐压值高的一般尺寸会更大。 电容器的外加电压不得超过规范中规定的额定电压实际在电路设计中一般选用电容时都会让额定电压留有大概 70%的裕量。 电容类型 同介质种类由于它的主要极化类型不一样其对电场变化的响应速度和极化率亦不一样。 在相同的体积下的容量就不同随之带来的电容器的介质损耗、容量稳定性等也就不同。介质材料划按容量的温度稳定性可以分为两类即Ⅰ类陶瓷电容器和Ⅱ类陶瓷电容器 NPO 属于Ⅰ类陶瓷而其他的 X7R、X5R、 Y5V、Z5U 等都属于Ⅱ类陶瓷。 MLCC 陶瓷电容主要分为 2 大类高节介电常数型和温度补偿型
类型高介电常数型Ⅱ类温度补偿型Ⅰ类型号X7R、X5R、Y5V、Z5UCH、C0GNP0主要原料强介电材料钛酸钡一般介电材料氧化钛TiO2 锆酸钙CaZrO3介电常数1000~2000020~300 左右容量容量大容量较小特征•相对介电常数会随着温度、电压的变化而•相对介电常数不会随着温度、电压的变化 变化导致容量也会发生变化。 •静电容量会随着时间而变化。而变化容量基本稳定。即使处于高温、高 电力、高频率的环境中 tanð电容损耗 也很小稳定性极佳。 •具有较高的 Q 值1000~8000。
电容品牌
国外村田 muRata、松下 PANASONIC、三星 SAMSUNG、太诱 TAIYO YUDEN、TDK、威世 VISHAY、等等。 国内国巨 YAGEO(中国台湾)、风华 FH、宇阳科技 EYANG、信昌电陶 PSA、三环 CCTC 等
电容实际电路模型
电容作为基本元器件之一实际生产的电容都不是理想的会有寄生电感等效串联电阻存在同时 因为电容两极板间的介质不是绝对绝缘的因此存在数值较大的绝缘电阻。 阻抗-频率特性
根据上述电容模型我们可以得到电容的复阻抗公式 2比较小的时候容抗远大于感抗电容主要成容性在频率比较高的时候电容主要呈感性。
而当即谐振的时候阻抗等于等效串联电阻此时阻抗达到最小值如果是用来滤波的话 此时效果最好。 谐振频率
从上小节可知电容在谐振频率处阻抗最低滤波效果最好那么各种规格的电容的谐振频率是多少呢 下图是村田常用电容的谐振频率表
村田普通电容谐振频率型号参数容值谐振频率50V_CH_060310pF1.9GHz50V_C0G_0603100pF700MHz50V_X7R_06031nF210MHz50V_X7R_060310nF70MHz16V_X7R_0603100nF25Mhz16V_X7R_06031uF9MHz16V_X5R_060310uF2MHz6.3V_X5R_080547uF850KHz 等效串联电阻 ESR 从上小节可以看出陶瓷的等效串联电阻并不是恒定的它是跟频率有很大的关系。上述 10uF 电容在 100hz 的时候ESR 是 3Ω在 700Khz 的时候达到最小ESR 是 3mΩ相差了 1000 倍是非常大的。 我们非常关心陶瓷电容的 ESR 到底是多大特别用在开关电源的时候需要用来计算纹波的大小。那么各中电容型号的 ESR 是多少呢 下图为村田普通电容的 ESR 表。
村田普通电容 ESR型号参数容量最小 ESR 值50V_CH_060310pF200mΩ50V_C0G_0603100pF130mΩ50V_X7R_06031nF380mΩ50V_X7R_060310nF60mΩ16V_X7R_0603100nF20mΩ16V_X7R_06031uF8mΩ16V_X5R_060310uF3mΩ6.3V_X5R_080547uF1.8mΩ
精度大小 相对于电阻的精度来说电容的精度要低很多以下是一般电容的精度。 同一类型的电容精度一般厂家会生产 2~4 种精度的档次共选择。
电容类型精度档次NP0C0G(0.5pF~4.9pF)B(±0.1pF); C(±0.25pF)NP0C0G(5.0pF~9.9pF)D(±0.5pF)NP0C0G(≥10pF)F(±1%), G(±2%), J(±5%),K(±10%)X7RJ(±5.0%)K(±10%)M(±20%)X5RJ(±5.0%)K(±10%)M(±20%)Y5VM(±20%)Z(-20%,80%)
温度特性 不同类型的电容的工作温度范围是不同的、并且其容量随温度的变化也不同相差非常大如下表
温度特性对照表电容型号工作温度范围容量随温度变化值C0G(NP0)-55~125℃0±30ppm/℃X7R-55~125℃±15%X6S-55~105℃±22%X5R-55~85℃±15%Y5U-30~85℃22%/-56%Y5V-30~85℃22%/-82%Z5U10~85℃22%/-56%
Z5V10~85℃22%/-82%
在设计电路的时候需要考虑不同电容的温度系数按照使用场景选择符合要求的电容。在一些对电容量由要求的地方就不能选择 Y 或者 Z 系列的电容。 直流偏压特性
陶瓷电容的另外一个特性是其直流偏压特性。 对于在陶瓷电容器中又被分类为高诱电率系列的电容器(X5R、X7R 特性)由于施加直流电压其静容量有时会不同于标称值因此应特别注意。 例如对高介电常数电容器施加的直流电压越大其实际静电容量越低。 容值越高的电容直流偏压特性越明显如 47uF-6.3V-X5R 的电容在 6.3V 电压处电容量只有其称值的 15%左右而 100nF-6.3V-X5R 的电容容值为其标称值的 75%左右 那么DC 偏压特性的原理是怎样的呢 陶瓷电容器中的高诱电率系列电容器现在主要使用以 BaTiO3 (钛酸钡) 作为主要成分的电介质。 BaTiO3 具有的钙钛矿perovskite形的晶体结构在居里温度以上时为立方晶体 ubicBa2离子位于顶点O2-离子位于表面中心Ti4离子位于立方体中心的位置。
在居里温度约 125℃以上时的立方晶体cubic的晶体结构在此温度以下的常温领域一个轴轴延长其他轴略微缩短的正方体tetragonal晶体结构。 此时作为 Ti4离子在结晶单位的延长方向上发生了偏移的结果产生极化不过这个极化即使没有外部电场或电压的情况下也会产生因此称为自发极化spontaneous polarization。 这样有自发极化而且可以根据外部电场转变自发极化的朝向的特性被称为强诱电型ferro electricity。 与单位体积内的自发极化的相转变相同的是电容率可视为静电容量进行观测。 当没有外加直流电压时自发极化为随机取向状态但当从外部施加直流电压时由于电介质中的自极化受到电场方向的束缚因此不易发生自发极化时的自由相转变。其结果导致得到的静电容量较施偏压前低。 这就是当施加了直流电压后静电容量降低的原理。 此外对于温度补偿用电容器 (CH、C0G 特性等) 以常诱电性陶瓷作为主要原料静电容量不因直电压特性而发生变化。 漏电流和绝缘电阻 陶瓷电容绝缘电阻比较大漏电流小。 绝缘电阻主要与容量有关容量越大漏电流越大下面列出村田的几种普通电容的绝缘电阻表格供参考。
陶瓷电容绝缘电阻比较大漏电流小。 绝缘电阻主要与容量有关容量越大漏电流越大下面列出村田的几种普通电容的绝缘电阻表格 可供参考。
电容型号绝缘电阻额定电压下漏电流
10pF_CH_0603_50V≥10000MΩ≤0.005uA100pF_C0G_0603_50V≥10000MΩ≤0.005uA1nF_X7R_0603_50V≥10000MΩ≤0.005uA10nF_X7R_0603_50V≥10000MΩ≤0.005uA100nF_X7R_0603_50V≥500MΩ≤0.1uA1uF_X7R_0603_25V≥50MΩ≤0.5uA10uF_X5R_0603_10V≥5MΩ≤2uA47uF_X5R_0805_6.3V≥1.06MΩ≤5.94uA
尽管陶瓷电容的漏电流不大但是大电容的电容量也达到了微安级别如果是做超低功耗的产品的话 也需要好好选择一些绝缘电阻大的电容。 常见问题 机械应力导致电容失效
陶瓷电容最坑的失效就是短路了一旦陶瓷电容短路产品无法正常使用危害非常大那么造成短路失效的原因是什么呢 答案是机械应力、机械应力会产生裂纹从而是电容容量变小或者是短路。 为什么会产生扭曲裂纹呢这是由于贴片是焊接在电路板上的。对电路板施加过大的机械力、使得电路板弯曲或老化从而产生了扭曲裂纹。扭曲裂纹从下面的外部电极的一端延伸到上面的外部电极的话容量就会下降使得电路呈现出开状态开放。因此即使裂纹不是十分严重如果到达贴片内部电极焊剂中的有机酸和湿气会通过裂纹的缝隙侵入导致绝缘电阻性能降低。另外电压负荷会变高电流的流量过大时最糟糕的情况会导致短路。一旦出现了扭曲裂纹是很难从外面将其去除的因此为了防止裂纹的产生应当控制不要施加过大的机械力。 一般电容封装越大越容易产生机械应力失效。 机械应力行为那么常见会出现应力的行为有哪些呢 ①贴片原因贴片机拾取电容力度过大施力点不在中心电容不平都可能碰坏电容。 ②过量焊锡当温度变化时过度的焊锡在贴片电容器上面产生很高的张力从而是电容器断裂焊锡不足时又会使电容器从 PCB 上剥离。 ③PCB 弯曲焊接到 PCB 板上后PCB 弯曲拉动瓷片电容过应力后损坏。 ④跌落、碰撞PCB/成品跌落导致振动或变形使电容受到机械应力。 ⑤手工焊接突然加热或冷却导致张力比较大解决办法是先预热 PCB 设计注意事项 电容放置方向平行于 PCB 弯曲方向放置位置远离 PCB 大形变位置。避免电容在长边受力如受力大小是AB、AC、AD 电容也需要远离螺丝孔、减小应力。 啸叫
一般温度特性为 X5R/BX7R/R 的高介电常数陶瓷电容器中电介质材料使用强介电性的钛酸钡系的陶瓷具有压电效应。 在施加交流电压时独石陶瓷电容器贴片会发生叠层方向伸缩。因此电路板也会平行方向伸缩而因电路板的振动而产生了噪声。贴片及电路板的振幅仅为 1pm1nm 左右但发出的声响却十分大。其实几乎无法听到电容器本身发出的噪声但将其安装于电路板后振动会随之增强振幅的周期也达到了人耳能够听到的频率带(20Hz20kHz)所以声音可通过人耳进行识别。例如可听到ji----、ki----pi----等声响。陶瓷电容器的啸叫现象其振动变化仅为 1pm1nm 左右为压电应用产品的 1/10 至几十分之一非常之小因此我们可以判断这种现象对独石陶瓷电容器本身及周围元器件产生的影响不存在可靠性问题。 3、陶瓷电容 MLCC 失效分析案例 Q1MLCC 电容是什么结构的呢 A多层陶瓷电容器是由印好电极内电极的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片再在芯片的两端封上金属层外电极制成的电容。 MLCC 电容特点 机械强度硬而脆这是陶瓷材料的机械强度特点。 热脆性MLCC 内部应力很复杂所以耐温度冲击的能力很有限。 组装缺陷 1、焊接锡量不当 当温度发生变化时过量的焊锡在贴片电容上产生很高的张力会使电容内部断裂或者电容器脱帽裂纹一般发生在焊锡少的一侧焊锡量过少会造成焊接强度不足电容从 PCB 板上脱离造成开路故障。 2、墓碑效应 在回流焊过程中贴片元件两端电极受到焊锡融化后的表面张力不平衡会产生转动力矩将元件一端拉偏形成虚焊转动力矩较大时元件一端会被拉起形成墓碑效应。 原因本身两端电极尺寸差异较大锡镀层不均匀PCB 板焊盘大小不等、有污物或水分、氧化以及焊盘有埋孔锡膏粘度过高锡粉氧化。 措施 ①焊接之前对 PCB 板进行清洗烘干去除表面污物及水分 ②进行焊前检查确认左右焊盘尺寸相同 ③锡膏放置时间不能过长焊接前需进行充分的搅拌。 本体缺陷—内在因素 1、陶瓷介质内空洞 原因 ① 介质膜片表面吸附有杂质 ② 电极印刷过程中混入杂质 ③内电极浆料混有杂质或有机物的分散不均匀。 2、电极内部分层 原因多层陶瓷电容器的烧结为多层材料堆叠共烧。瓷膜与内浆在排胶和烧结过程中的收缩率不同在烧结成瓷过程中芯片内部产生应力使 MLCC 产生再分层。 预防措施在 MLCC 的制作中采用与瓷粉匹配更好的内浆可以降低分层开裂的风险。 3、浆料堆积 原因 ① 内浆中的金属颗粒分散不均匀 ② 局部内电极印刷过厚 ③ 内电极浆料质量不佳。 本体缺陷—外在因素
机械应力裂纹
原因多层陶瓷电容器的特点是能够承受较大的压应力但抗弯曲能力比较差。当 PCB 板发生弯曲变形时MLCC 的陶瓷基体不会随板弯曲其长边承受的应力大于短边当应力超过 MLCC 的瓷体强度时弯曲裂纹就会出现。电容在受到过强机械应力冲击时一般会形成 45 度裂纹和 Y 型裂纹。 机械裂纹电容 常见应力源工艺过程中电路板操作流转过程中的人、设备、重力等因素通孔元器件插入电路测试单板分割电路板安装电路板点位铆接螺丝安装等。 措施
①选择合适的 PCB 厚度。 ②设计 PCBA 弯曲量时考虑 MLCC 能承受的弯曲量。比较重的元器件尽量均匀摆放减少生产过程中由于重力造成的板弯曲。 ③优化 MLCC 在 PCB 板的位置和方向减小其在电路板上的承受的机械应力MLCC 应尽量与 PCB上的分孔和切割线或切槽保持一定的距离使得 MLCC 在贴装后分板弯曲时受到的拉伸应力最小。 ④MLCC 的贴装方向应与开孔、切割线或切槽平行以确保 MLCC 在 PCB 分板弯曲时受到的拉伸应力均匀防止切割时损坏。 ⑤MLCC 尽量不要放置在螺丝孔附近防止锁螺丝时撞击开裂。在必须放置电容的位置可以考虑引线式封装的电容器。 ⑥测试时合理使用支撑架避免板受力弯曲。
热应力裂纹
电容在受到过强热应力冲击时产生的裂纹无固定形态可分布在不同的切面严重时会导致在电容侧面形成水平裂纹。 原因热应力裂纹产生和电容本身耐焊接热能力不合格与生产过程中引入热冲击有关。可能的原因包括烙铁返修不当、SMT 炉温不稳定、炉温曲线变化速率过快等。
措施 ①工艺方法应多考虑 MLCC 的温度特性和尺寸1210 以上的大尺寸 MLCC 容易造成受热不均匀产 生破坏性应力不宜采用波峰焊接 ②注意焊接设备的温度曲线设置。参数设置中温度跳跃不能大于 150℃温度变化不能大于 2℃/s预热时间应大于 2 min焊接完毕不能采取辅助降温设备应自然随炉温冷却。 ③手工焊接前应增加焊接前的预热工序手工焊接全过程中禁止烙铁头直接接触电容电极或本体。复焊应在焊点冷却后进行次数不得超过 2 次 电应力裂纹
典型电应力开裂电容 过电应力导致产品发生不可逆变化表现为耐压击穿严重时导致多层陶瓷电容器开裂、爆炸甚至 燃烧等严重后果。遭受过度电性应力伤害的 MLCC裂纹从内部开始呈爆炸状分散。 措施 ①在器件选型时应注意实际工作电压不能高 于器件的额定工作电压 ②避免浪涌、静电现象对器件的冲击。 Q4怎么进行 MLCC 失效分析呢 A整个过程分为 5 个大阶段: 外观观察、电性测量分析、无损分析、破环性分析、成分分析过程中需要进行外观检查、电性测试、内部结构检查、失效点定位、失效原因分析、失效点局部的成分分析整个 MLCC 的失效分析。
磁芯 磁芯基础知识 实际使用的电感中间通常都会存在磁芯使用磁芯的目的是为了以更小的体积获得更大的电感量因为它相对空气有很大的磁导率磁导率类似电容里面中间介质的介电常数。但也是因为电感磁芯的不同 电感的各个参数差异很大。 用于开关转换器的电感器属于高频磁性组件中心的铁芯材料最是影响电感器之特性如阻抗与频率、电感值与频率、或铁芯饱和特性等。 以下将介绍几种常见的铁芯材料及其饱和特性之比较以作为选择 功率电感的重要参考。 1、磁芯材料种类 陶瓷芯陶瓷芯是常见的电感材料之一主要是用来提供线圈绕制时所使用的支撑结构又被称为空芯电感。因所使用的铁芯为非导磁材料具有非常低的温度系数在操作温度范围中电感值非常稳定。然而由于以非导磁材料为介质电感量非常低 并不是很适合电源转换器的应用。 铁氧体一般高频电感所用的铁氧体铁芯是含有镍锌NiZn或锰锌MnZn之铁氧体化合物属于矫顽磁力低的软磁类铁磁材料。矫顽磁力亦称为保磁力指当磁性材料已磁化到磁饱和后使其磁化强度减为零时所需的磁场强度。矫顽力较低代表抵抗退磁能力较低也意味着磁滞损失较小。 锰锌及镍锌铁氧体具有较高的相对磁导率分别为约 150015000 及 1001000其高导磁特性使得铁芯在一定体积下可有较高的电感量。然而缺点是其可耐受的饱和电流较低且铁芯一旦饱和磁导率会急遽下降。用于功率电感时会在主磁路留气隙可降低磁导率避免饱和及储存较多能量含有气隙时的等效相对磁导率约可在 20-200 之间。由于材料本身的高电阻率可降低涡电流造成的损耗因此在高频时损失较低较适用于高频变压器EMI 滤波电感及电源转换器的储能电感。以操作频率而言镍锌铁氧体适合用在1 MHz而锰锌铁氧体适用于较低的频段2 MHz。 粉末铁芯粉末铁芯亦属于软磁类铁磁材料是由不同材料的铁粉合金或只有铁粉所制成配方中有颗粒大小不同的非导磁材料因此饱和曲线较为缓和。粉末铁芯多以环型呈现居多 常见的粉末铁芯有铁镍钼合金、铁硅铝合金、铁镍合金及铁粉芯等。因所含成分不同其特性及价格 也有所不同因而影响电感器的选择。 不同磁芯特性对比 以实际应用而言其中之铁硅铝合金的特性在各方面均不错相对成本低具有高性价比因此常被用于 EMI 滤波电感。 锰锌铁氧体的相对磁导率远高于铁粉芯饱和磁通密度也相差很多铁氧体约 5000 高斯而铁粉芯大于 10000 高斯以上。 铁芯饱和特性各有不同一旦超过饱和电流铁氧体铁芯的磁导率会陡降而铁粉芯则可缓慢降低。 磁滞回线 磁化过程 如将完全无磁状态的铁磁物质放在磁场中磁场强度从零逐渐增加测量铁磁物质的磁通密度 B得 到磁通密度和磁场强度 H 之间关系并用 B-H 曲线表示该曲线称为磁化曲线。 ①饱和磁感应强度 Bs 是在指定温度(25℃或 100℃)下用足够大的磁场强度磁化磁性物质时磁化曲线达到接近水平时不再随外磁场增大而明显增大(对于高磁导率的软磁材料,在µr100 处)对应的 B 值。 ②剩余磁感应强度 Br 铁磁物质磁化到饱和后又将磁场强度下降到零时铁磁物质中残留的磁感应强度即为 Br。称为剩余磁感应强度简称剩磁。 ③矫顽力 Hc 铁磁物质磁化到饱和后由于磁滞现象要使磁介质中 B 为零需有一定的反向磁场强度-H此磁场强度称为矫顽磁力 Hc。 如果磁滞回线很宽即 Hc 很高需要很大的磁场强度才能将磁材料磁化到饱和同时需要很大的反向磁场强度才能将材料中磁感应强度下降到零也就是说这类材料磁化困难去磁也困难我们称这类材料为硬磁材料。如铝镍钴钐钴钕铁硼合金等永久磁铁常用于电机激磁和仪表产生恒定磁场。这类材料磁化曲线宽矫顽磁力高。 另一类材料在较弱外磁场作用下磁感应强度达到很高的数值同时很低的矫顽磁力即既容易磁化又很容易退磁。我们称这类材料为软磁材料。开关电源主要应用软磁材料。属于这类材料的有电工纯铁、电工硅钢、铁镍软磁合金、铁钴钒软磁合金和软磁铁氧体等。某些特殊磁性材料如恒导磁合金和非晶态特性但是又为什么有这个特性呢 比如下面几个问题 ①电感线圈里面加个磁芯电感值会增大很多这是为什么呢 ②还有电感有饱和电流那电感为什么会饱和呢 ③磁滞回线又是什么呢 ④磁导率又是个啥 物质的磁性 首先来说下物质的磁性是怎么来的。所有物质的磁性都是电流产生的永久磁铁的磁性就是分子电流产生的。所谓分子电流就是磁性材料原子内的电子围绕原子核旋转形成的。
磁芯的气隙
最近又了解新东西了那就是气隙电感的气隙或者是变压器的气隙。 总有人喊我大佬我知道他们只是不知道怎么称呼我而已。说出来我也不怕掉粉在不久之前我甚至都不知道气隙是什么。我原来以为变压器磁芯中间那个缺口存在的原因只是因为生产不方便或是为了绕线方便。 以前工作中用得最多的也就是电感了电感选择也很简单看下电感量额定电流温升电流封装屏蔽性能再留些裕量基本差不多了。变压器也只在做隔离 POE 的时候用过型号也是直接指定所以也不需要我去详细了解。我相信大多数硬件工程师也是我这种状态吧。那么是不是我们没有了解磁芯和气隙的必要呢当然是有必要的我在学习磁芯的时候感觉对电感和变压器的理解更清晰了这种清晰的感觉让人很舒服。 什么是气隙 磁芯的气隙是指一部分磁路是由空气构成故称为空气间隙简称气隙。如 EI 型磁芯E 和 I 的结合总存在缝隙磁路就有气隙。圆形磁环中间开个缺口缺口处就是气隙。气隙有什么用①气隙可以减小磁导率 ②增大饱和电流 ③增大储存能量的能力 ④也可以减小剩磁 那为什么有这些作用呢 下面从微观的角度来解释下这些作用产生的原因。 现在有一个圆形磁环我们绕上线圈通上正好使磁芯饱和的电流。正好饱和说明里面所有的磁畴 都已经有序排列了。 这时在磁环上开个气隙去除掉一部分磁芯那么这一部分磁畴也就被去掉了。原来在气隙处的磁畴是有序排列的相当于是一个小磁铁所以对气隙旁边的磁畴的有序排列有正向的作用力现在被去掉了所以作用力消失。 气隙旁边的磁畴原来是恰好可以全部都有序排列的现在受到的正向作用力变小了所有就不能全部有序排列了磁性变小进一步导致气隙旁边的旁边的磁畴受到的作用力也变小也没有全部有序排列这样一个传一个整个磁芯的磁畴没有有序排列的更多。 因此这个开了气隙的磁环是没有磁饱和的。 要想使磁畴再次全部有序排列我们必须通上更大的电流直到再次饱和。 因此可以看出增加气隙饱和电流增大了。并且从整体上看磁畴总的有序排列变少那么产生的磁通也变小了即磁导率变小了。也可以看出气隙的增加从整体上看弱化了磁畴间的正向相互作用力因此在没有电流的时候剩磁变小了。 假定没有气隙时完全磁饱和对应的磁场强度为 Bm那么加了气隙以后增大电流使磁环的所有磁畴再次达到饱和这时磁场强度应该是多少呢 我们假想一下磁环里面的所有磁畴在饱和电流时全部排列也就是最难偏转的那个磁畴在此时正好偏转无论我们加不加气隙要是那个最难的磁畴发生偏转所以它所在的地方的磁场强度就是 Bm。所以加了气隙之后饱和时的磁场强度还是 Bm相对于之前没有变化。
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