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      如何理解電容器的介質損耗

      如何理解電容器的介質損耗

      • 分類:技術文章
      • 作者:
      • 來源:
      • 發布時間:2020-11-13 11:28
      • 訪問量:0

      【概要描述】介質材料使用的頻率范圍對其極化機制有顯著影響,主要是對材料隨交流電場反轉的極化“弛豫”過程或時間延遲而言。瞬時極化過程弛豫時間短,延時極化過程弛豫時間長。在組成陶瓷介質的原子和離子中,后者所引起的介質損耗更大。當外電場頻率與弛豫過程的時間周期同步時,損耗值最大。簡而言之,當弛豫時間與外電場周期相差很大時損耗則很?。?

      如何理解電容器的介質損耗

      【概要描述】介質材料使用的頻率范圍對其極化機制有顯著影響,主要是對材料隨交流電場反轉的極化“弛豫”過程或時間延遲而言。瞬時極化過程弛豫時間短,延時極化過程弛豫時間長。在組成陶瓷介質的原子和離子中,后者所引起的介質損耗更大。當外電場頻率與弛豫過程的時間周期同步時,損耗值最大。簡而言之,當弛豫時間與外電場周期相差很大時損耗則很?。?

      • 分類:技術文章
      • 作者:
      • 來源:
      • 發布時間:2020-11-13 11:28
      • 訪問量:0
      詳情

      A.電容器介質損耗

        在交流電路中,理想電容器上的電壓與電流相位差為90°,其關系如下式表示:

        Q = CV

        對于交流偏壓,

        V = V0Sinωt

        這里V0是正弦信號的振幅,ω是頻率。

        因此 Q = CV0Sinωt

        而電流 I = dQ/dt = d/dTCV0Sinωt

        因此 I = CV0Cosωt

        由于 Cosωt = Sin(ωt + 90°)

        因此電流相位要超前于電壓相位90°。然而,實際介質并非理想器件,材料電阻率不可能無窮大,極化機制隨頻率變化的延遲效應或“弛豫時間”也總會產生損耗。

        上述模型是對于“理想”電容器而言的,在實際使用中必須加以修正;實際電容器模型可被看作為一個理想電容器與一個理想電阻器并聯結構。

        此時電容器上交流電壓為

      01

        V = V0Sinωt

        通過理想電容器的電流為

        Ic = CV0ωCosωt

        對于理想電阻器

        IR = V/R = V0/R Sinωt

        因此總電流為

        Ic + IR = I net = CV0ωCosωt + V0/R Sinωt

        上式中的兩項電流相加表明部分電流(即通過電阻器的那一部分)與電壓的相位差并非90°。實際電流與理想電流之間的相差角是一定的,這一角度的正切值被定義為損耗角正切或損耗因子,如下圖所示。

      01

        損耗角正切,Tanδ,是一種材料本征特性,并不依賴于電容器的幾何尺寸。損耗角正切對介質材料在電子領域中的應用有著非常大的影響。在實際使用中往往發現,介電常數較低的材料損耗因子也較低。具有強極化機制的高K材料則同時具有較高的損耗因子。

       

      B.介質損耗的頻率效應

        如上所述,介質材料使用的頻率范圍對其極化機制有顯著影響,主要是對材料隨交流電場反轉的極化“弛豫”過程或時間延遲而言。瞬時極化過程弛豫時間短,延時極化過程弛豫時間長。在組成陶瓷介質的原子和離子中,后者所引起的介質損耗更大。當外電場頻率與弛豫過程的時間周期同步時,損耗值最大。簡而言之,當弛豫時間與外電場周期相差很大時損耗則很?。?/p>

        (a) 弛豫時間 >> 電場頻率,損耗小

        (b) 弛豫時間 << 電場頻率,損耗小

        (c) 弛豫時間 = 電場頻率,損耗最大

        在(a)條件下,極化響應速度遠小于外電場反轉的速度,離子完全跟不上電場的變化,因此沒有出現熱損耗。(b)情況相反,極化過程能輕易的跟上電場頻率,沒有延遲,也沒有出現損耗。然而,在(c)條件下,離子雖然能跟上電場的變化,但又要受到弛豫時間的限制,從而產生了最大的損耗。

        由多晶體構成的陶瓷介質的弛豫時間總是超出頻譜范圍。介質損耗與介電常數隨頻率的變化是一致的,而且均與極化機制有關,如圖下圖所示。在高頻應用時,常常用到一個被稱為“Q因子”的品質因數,它等于損耗角正切的倒數:

        Q = 1/tanδ

      01

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