电容和二极管是电路中最常用的两个电子元件,有许多种类和系列。这里简要总结一下应用场景和选择方法
电容(Capacitor)
电容器的种类(20多种)和应用非常广泛,但我经常遇到以下几种:
应用 | 1.隔直流。 2.旁路(去耦) 3.耦合 4.滤波 5.温度补偿 6.计时 7.调谐 8.整流 9.储能 |
种类 | 1. 陶瓷电容 2. 云母电容 3. 铝电解电容 4. 钽电解电容 5. 安规电容 |
旁路电容,又称退耦电容,利用电容的频率阻抗特性(理想电容的频率特性随频率的增加而降低)。旁路电容器应尽可能靠近负载装置的电源管脚和地管脚,这是阻抗要求。PCB特别要注意的是,只有靠近某个组件时,才能抑制电压或其他输电信号过大引起的地电位升高和噪声。说白了就是通过电容将直流电源中的交流重量耦合到电源地,净化直流电源。如图C1是旁路电容,画画时尽量靠近IC1
图C1
去耦电容器是将输出信号的干扰作为过滤对象。去耦电容器相当于电池。利用其充放电,放大后的信号不会受到电流突变的干扰。其容量取决于信号的频率和抑制波纹的程度。去耦电容器起到电池的作用,满足驱动电路电流的变化,避免相互耦合干扰。
但旁路电容器一般是指高频旁路,即提高高频开关噪声的低阻抗泄漏方式。高频旁路电容器一般相对较小,根据谐振频率一般采用 0.1F、0.01F 等; 去耦电容的容量一般较大,可能是 10F 或更大,根据电路中的分布参数和驱动电流的变化来确定。如图所示C3为去耦电容
图C3
旁路是过滤输入信号中的干扰,而去耦是过滤输出信号的干扰,防止干扰信号返回电源。
以电容为耦合元件,将前级信号传输到后级,隔断前级直流对后级的影响,使电路调试简单,性能稳定。
如果不放大电容交流信号,就不会改变,但各级工作点需要重新设计。由于前后级的影响,调试工作点非常困难,几乎无法在多级实现。
根据 Z(阻抗)=1/(2Pi*f*C)
也就是说,频率f越大,电容器的阻抗Z就越小。低频时,电容C可以通过有用的信号,因为阻抗Z很小,相当于短路高频噪声GND上去了。
电容越大,阻抗越小,通过频率越高。电解电容一般超过 1F ,电感成分很大,所以频率高后阻抗会很大。我们经常看到,有时我们会看到一个电容量大的电解电容器并联一个小电容器。事实上,大电容器通过低频和小电容器通过高频,从而充分过滤高频和低频。电容器频率越高,衰减越大。电容器就像一个池塘。几滴水不足以引起很大的变化。换句话说,当电压波动不大时,电压可以缓冲,如图所示C2
图C2
由于定时电容的容量决定了振荡器的振荡频率,因此要求定时电容的容量非常稳定,不会随着环境湿度的变化而变化,从而稳定振荡器的振荡频率。因此,采用正负温度系数的电容释放连接来补充温度。
当工作温度升高时,Cl容量在增加,而C2的容量在减小,两个电容并联后的总容量是两个电容之和,因为一个容量在增加,另一个容量在减少,所以总容量基本不变。
同样,当温度下降时,一个电容器的容量在下降,另一个电容器的容量在增加,总容量基本保持不变,稳定振荡频率,达到温度补偿的目的。
当输入信号从低到高跳转时,在缓冲1后输入RC电路。电容充电的特性使得B点的信号不会随着输入信号立即跳转,而是有一个逐渐扩大的过程。当它变大到一定程度时,缓冲2翻转,在输出端从低到高延迟跳转。
以常见的 RC 以串联构成积分电路为例。当输入信号电压添加到输入端时,电容器上的电压逐渐上升。随着电压的升高,电阻R和电容C串联连接到输入信号VI,信号由电容C输出V0,当RC (τ)输入方波的数值和宽度tW之间满足:τ》》tW,这种电路称为积分电路
二极管调谐电路极管
因为lc调谐振荡电路的谐振频率是lc在函数中,我们发现振荡电路的最大和最小谐振频率比随电容比的平方根而变化。这里的电容比是指反偏电压最小时的电容与反偏电压最大时的电容之比。因此,电路的调谐特征曲线(偏压一谐振频率)基本上是抛物线。
比如相机闪光灯、加热设备等。(现在有些电容器的储能水平接近锂电池的水平,一个电容器储存的电能可以供手机使用一天。
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设计完电路原理图后,在进行电容选型时,应考虑以下几个方面
1. 当然,首先选择的参数是电容值。根据您的应用程序,如果是滤波电容,可以选择电容值较小的,如果是高频信号,可以选择0.01uF或者p,nF这种量级,如果是低频信号可以选择0.1uF或者更多的量级;如果是整流滤波,则需要更大的电容,根据公式Cmin = Load Current / (Ripple Voltage X Frequency)进行选择。
2. 电容的极性。有时,电路中有感性原件,如最常见的原件RLC电路,电压在启动过程中会有波动,电势方向会有变化,通过电路分析,这样的电路需要无极电容。
3. 根据使用场景,选择5%的电容公差, 10%, 20%是常见的公差。
4. 电容的额定电压值一般不超过该值的75%。因此,在选择电压时,会选择电压rms*1.414/0.75额定电压值的电容
5. 额定电流值通常出现在整流器中,以清洁波纹电路。根据电容特性方程可获得波纹电流值最大值,加上75%的安全系数,可获得额定电流值。
6. 环境温度、材料和部件的使用寿命
7. 最后,根据实际安装方法和物理尺寸,例如,手机中有许多高频通信电路,需要多个精密电容器。同样,物理尺寸要求很小。相应地,物理尺寸越小,价格越高。
让我们来看看实际的铝点解电容器Spec
二极管(Diode)
应用 | 1. 整流 2. 检波 3. 开关 4. 稳压 5. 变容 6. 发光二极管 |
种类 | 1. Zener diode 2. PN junction diode 3. Tunnel diode 4. Varactor diode 5. Schottky diode 6. Photodiode 7. PIN diode 8. Laser diode 9. Avalanche diode 10. light emitting diode |
二极管的基本构成就是里面有一个硅原子参杂的PN结,参杂元素作为载流子。参杂元素在PN节会形成内场,当朝二极管导通方向通电时,内场缩小,相反,内场扩大,二极管则处于断开状态。
Zener diode 稳压二极管 又叫 齐纳二极管,符号就很像一个Z字形。Zener是在反向导通的,在电流一个很大跨度内,两端电压都处于一个稳定状态,所以起到电路里面稳压的作用。
PN junction diode就是我们最常见的二极管,
该二极管正向导通的时候,会有一个导通压降。可以看到正向导通电压远小于反向导通电压。反向是不导通的。
Schottky diode 是肖特基二极管,经常用到,它的正向导通压降非常小(0.15-0.45V),传统PN junction diode则是(0.6 - 0.75V),而且导通速度非常快,作为二极管开关。
photodiode 光电二极管,
avalanche diode 雪崩二极管,主要应用的是反向电压,可以看到反向导通电压大于齐纳二极管。该二极管相对于齐纳,提供了更好的涌浪保护机制。另外breakdown电压随着温度的升高而升高,而齐纳二极管则相反。还有就是雪崩后二极管的PN节将会永久性损伤,所以反向导通是不可逆的,而齐纳是可逆的。
Tunnel diode
varactor diode 变容二极管,该二极管的电容量和反向电压有关,