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电容实际等效模型(容抗、感抗、品质因数Q)

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tpgf|  楼主 | 2020-12-3 11:20 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
一、理想电容器

理想电容器的阻抗Z公式为:
Z = 1 j w c = 1 j 2 π f c Z=\frac1{jwc}=\frac1{j2πfc}Z=jwc1​=j2πfc1​

理想电容器

阻抗大小|Z|如下图所示,与频率呈反比趋势減少。由于理想电容器中无损耗,故等效串联电阻(ESR)为零。

理想电容器的频率特性

在了解电容实际模型之前,先了解几个概念。

二、容抗

电容两个重要特性,一个是隔直通交,另一个是电容电压不能突变,如下是百度百科对容抗的解释。


容抗与电容的大小和频率成反比,也就是说,在同频率下,电容越大,容抗越小;在同电容下,频率越高,容抗越小。电容上的电压滞后于电流,所以对容抗开始,相移是-90°

如何理解容抗与电容大小和频率成反比呢?

下面是一个RC一阶低通滤波器,VF2通过R1电阻对电容C进行充电,VF2的电势加在电容C的两个金属极板上,正负电荷在电势差作用下分别向电容的两个极板聚集而形成电场,这称为“充电”过程。若将VF2拿掉,在VF1上加一个负载,电容两端的电荷会在电势差下向负载流走,这称为“放电”过程。(流过电容的电流并不是真正穿过了极板的绝缘介质,指的是外部的电流)


衡量电容充电的电荷数是Q QQ,Q = C V Q=CVQ=CV,C CC是常量,所以电荷数和电压呈正比。C = Q / V C=Q/VC=Q/V,电容量代表电容储存电荷的能力。微分表达式为C = d Q ( t ) / d V ( t ) C=dQ(t)/dV(t)C=dQ(t)/dV(t),电流是单位时间内电荷数的变化量,所以i ( t ) = d Q ( t ) / d t i(t)=dQ(t)/dti(t)=dQ(t)/dt,可得到i ( t ) = C ∗ d v ( t ) / d t i(t)=C*dv(t)/dti(t)=C∗dv(t)/dt,可以得到电容上的电流和电压的变化量是呈正比的,或者是电容上电压的变化量和电流是呈正比的。

即在电压一定时,电容越大,单位时间内电路中充、放电移动的电荷量越大,电流越大,所以电容对交变电流的阻碍作用越小,即容抗越小。在交变电流的电压一定时,交变电流的频率越高,电路中充、放电越频繁,单位时间内电荷移动速率越大,电流越大,电容对交变电流的阻碍作用越小,即容抗越小。

容抗用X C X_{C}XC​表示,公式如下,f ff是频率,C CC是容值,也会写成X C = 1 w c X_{C}=\frac1{wc}XC​=wc1​(w = 2 π f w=2πfw=2πf),所以容抗可以用如下的公式表示:
X C = 1 2 π f c X_{C}=\frac1{2πfc}XC​=2πfc1​

三、感抗

如下是百度百度对感抗的解释,电感的特性是隔交通直,与电容是相反的;所以说容抗和感抗的性质和效果几乎正好相反,而电阻则处在这两个极端中间,电阻的阻值和信号频率无关。


感抗与电感的大小和频率成正比,也就是说,在同频率下,电感越大,感抗越大;在同电感下,频率越大,感抗越大。电感上的电压是超前电流的,所以对感抗而言,相移是+90°

感抗用X L X_{L}XL​表示,f ff是信号频率,L LL是感值,也会写成X L = w L ( w = 2 π f ) X_{L}=wL(w=2πf)XL​=wL(w=2πf)
所以感抗的公式可以用如下表示:

X L = 2 π f L X_{L}=2πfLXL​=2πfL

四、实际等效模型

理想的电容器在实际中是不存在的,电容的实际模型是一个ESR串联一个ESL,再串联一个电容,ESR是等效串联电阻,ESL是等效串联电感,C是理想的电容。

感抗和容抗又被称为电抗,电路的阻抗Z ZZ由电阻R RR和电抗X XX组成,所以上述模型的复阻抗为:
Z = E S R + j 2 π f E S L + 1 j 2 π f c = E S R + j ( 2 π f E S L − 1 2 π f c ) Z=ESR+j2πfESL+\frac1{j2πfc}=ESR+j(2πfESL-\frac1{2πfc})Z=ESR+j2πfESL+j2πfc1​=ESR+j(2πfESL−2πfc1​)

1、2 π f E S L < < 1 2 π f c 2πfESL<<\frac1{2πfc}2πfESL<<2πfc1​时,电容器表现为容性;

2、2 π f E S L > > 1 2 π f c 2πfESL>>\frac1{2πfc}2πfESL>>2πfc1​时,电容器表现为感性,因此会说“高频时电容不再是电容”,而呈现为电感,这个电感不是说电容变成了电感,而是指此时的电容拥有了与电感类似的特性。

3、2 π f E S L = 1 2 π f c 2πfESL=\frac1{2πfc}2πfESL=2πfc1​时,此时容抗矢量等于感抗矢量,电容的总阻抗最小,表现为纯电阻特性,此时的f ff称为电容的自谐振频率。

自谐振频率点是区分电容是容性还是感性的分界点,高于谐振点时,“电容不再是电容”,因此退耦作用将下降。实际电容器都有一定的工作频率范围,在工作频率范围内,电容才具有很好的退耦作用。E S L ESLESL是电容在高于自谐振频率点之后退耦功能被消弱的根本原因。

下图是实际电容器的频率特性。

五、品质因数

1、品质因数的定义
Q = W r ∗ 最 大 储 存 能 量 / 损 耗 功 率 Q=W_r*最大储存能量/损耗功率Q=Wr​∗最大储存能量/损耗功率

2、串联RLC

电容的等效模型实际是串联RLC,RLC的电流I是一样的,U不同,最大储存能量为电感L或电容C上的能量,电感上能量为L ∗ I 2 L*I^2L∗I2,电容上能量为C ∗ U c 2 C*U_c^2C∗Uc2​(电容上电压有效值U c = I ∗ 1 / W r C U_c=I*1/W_rCUc​=I∗1/Wr​C),损耗功率是R ∗ I 2 R*I^2R∗I2,所以可得:Q = W r L R = 1 W r C R Q=\frac{W_rL}{R}=\frac1{W_rCR}Q=RWr​L​=Wr​CR1​

3、并联RLC

并联电流中,R、L、C的电流I不同,电压U相同,电感L上能量为L ∗ I L 2 L*I_L^2L∗IL2​,电容上能量为C ∗ U 2 C*U^2C∗U2,损耗功率为U 2 / R U^2/RU2/R,所以可得:Q = W r C R = R W r L Q=W_rCR=\frac{R}{W_rL}Q=Wr​CR=Wr​LR​


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沙发
xyz549040622| | 2020-12-27 22:29 | 只看该作者
支持下,谢谢分享!

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