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电容或电感的电压_眼见不一定为实!电阻、电容和电感的实际等效模型

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信号完整性在高速电路中起着至关重要的作用,需要使用许多信号完整性问题「阻抗」解释和描述概念。

在高频信号下,许多设备失去了原有的特性。例如,我们经常听到高频电阻不再是电阻,电容不再是电容。发生什么事?让我们看看今天的文章!

容抗

电容有两个重要特点,一个是隔离交通,另一个是电容电压不能突变,先看百度百科对容抗的解释。

简单之,虽然交流电能通过电容器,但不同频率的交流电和不同容量的电容器通过时的障碍物是不同的。这种障碍被称为容抗

容抗与电容和频率成反比,即电容越大,容抗越小;在相同的电容下,频率越高,容抗越小。

如何理解容抗与电容大小和频率成反比?

以RC以一级低通滤波器为例。

VF2通过R1电阻充电电容C,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,这称充电过程。

若将VF2拿掉,在VF1加一个负载(蓝色部分),电容器两端的电荷会在电势差下流向负载,称为放电过程。(流过电容器的电流并不是真正通过极板的绝缘介质,而是指外部电流)

测量电容充电的电荷数是Q,Q=CV,C是常量,所以电荷数与电压成正比。

C=Q/V,电容代表电容储存电荷的能力,微分表达式为:

电流是单位时间内电荷数的变化:

可结合(1)和(2)两个公式获得:

从公式可以看出:电容器上的电流与电压的变化成正比,或者说电容上电压的变化与电流成正比

也就是说,当电压一定时,电容器越大,单位时间内电路中充放电的电荷越大,电流越大。因此,电容器对交变电流的阻碍越小,容抗越小。

交变电流电压一定时,交变电流频率越高,电路充放电越频繁,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越小,容抗越小。

容抗用

表示公式如下,包括
是频率,
是容值

因为(

),因此,容抗也可以用以下公式表示:

感抗

以下是百度百度对感应阻力的解释。电感的特点是直接交通,与电容器相反;因此,容抗和感应阻力的性质和效果几乎相反,而电阻处于两个极端之间。

感抗与电感的大小和频率成正比,即在同一频率下,电感越大,感抗越大。

感抗用

表示公式如下,包括
是信号频率,
是感值

因为(

),因此,感抗公式可以表示如下:

感路的总阻抗Z由电阻R和电抗X组成。

我们来看看电阻、电容和电感的实际等效模型。

理想的电阻、电容和电感如下,实际上并不存在。电阻中会有寄生电容和寄生电感,电容中会有寄生电阻和寄生电感,电感中会有寄生电阻和寄生电容。

理想电阻

理想电阻的阻抗是电阻值R:

实际等效电阻模型

寄生并联电容C寄生串联电感L存在于电阻上。

电阻的实际等效阻抗为:

化简可得:

实际电阻器的阻抗和频率曲线有两个节点

在频率小于

之间,电容降低阻抗,频率大于
当电感增加阻抗时。

分别对应RC当滤波器的截止频率点等于容抗和感抗时。

理想电容器

理想电容器的阻抗Z公式为:

阻抗大小|Z|如下图所示,与频率成反比,随着频率的增加,阻抗降低,等效串联电阻,因为理想电容器中没有损耗(ESR)为零。

实际等效电容模型

实际上,理想的电容器并不存在,电容器的实际模型是一个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理想的电容。

因此,上述模型的复阻抗为:

  • 电容器表现为容性;
  • 时,电容器表现为感性,因此会有一句话叫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。
  • 此时容抗矢量等于感抗矢量,电容总阻抗最小,表现为纯电阻特性,此时f称为电容自谐振频率。

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。

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。

理想电感

理想电感的阻抗为:

电感实际等效模型

和电阻的是一样的,即:

从下图可以看出,理想的电感的阻抗是随着频率的增加而变大的。 等效电感的阻抗呈一个倒V型,正好和电容相反,倒V的最高点称为电感的自谐振点。

当系统阻尼R提供的衰减不足时,容抗和感抗相互抵消,能量在LC间来回传递,这就是谐振。

  • 频率低于自谐振频率SRF时,电感感抗随着频率增加而增加。
  • 频率等于自谐振频率SRF时,电感感抗达到最大。
  • 频率高于自谐振频率SRF时,电感感抗随着频率增加而减少。

理想的电阻、电容和电感在实际中不存在,都会存在寄生参数,从而在不同的频率下,表现出的特性不同,只有在特定的频率范围内才能发挥出其本身的特性。

今天的文章内容到这里就结束了,希望对你有帮助,我们下一期见。

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标签: 1交流电压流过串联的电容

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