如何理解电容器的介质损耗

    作者:  来源:   更新时间:2016-05-19  阅读数:464

     如何理解电容器的介质损耗

    a.电容器介质损耗

         在交流电路中,理想电容器上的电压与电流相位差为90°,其关系如下式表示:

         q = cv

         对于交流偏压,

         V = VoSin wt

         这里V。是正弦信号的振幅,《是频率。

         因此 Q = CVoSinut

         而电流 I = dQ/dt = d/dTCVoSin w t

         因此 I = CVoCoswt

         由于 Coswt = Sin(wt + 90° )

         因此电流相位要超前于电压相位90°。然而,实际介质并非理想器件,材料电阻率不可能无穷大,极化 机制随频率变化的延迟效应或“弛豫时间”也总会产生损耗。

    上述模型是对于‘‘理想”电容器而言的,在实际使用中必须加以修正;实际电容器模型可被看作为一个理想电 容器与一个理想电阻器并联结构。

     
         此时电容器上交流电压为

         V = V0Sin wt 通过理想电容器的电流为 Ic = CV0wCoswí 对于理想电阻器 Ir = V/R = Vo/R Sinwt 因此总电流为

         Ic + Ir = I net = CVo w Cos w t + Vo/R Sin w t

         上式中的两项电流相加表明部分电流(即通过电阻器的那一部分)与电压的相位差并非90°。实际电流 与理想电流之间的相差角是一定的,这一角度的正切值被定义为损耗角正切或损耗因子,如下图所示。

                                           实际电容 器电流

    电t
     
     

                                                 电压

                                          实际电容器中的损耗角正切

         损耗角正切,Tan5,是一种材料本征特性,并不依赖于电容器的几何尺寸。损耗角正切对介质材料在电 子领域中的应用有着非常大的影响。在实际使用中往往发现,介电常数较低的材料损耗因子也较低。具有强极 化机制的高K材料则同时具有较高的损耗因子。

    b.介质损耗的频率效应

         如上所述,介质材料使用的频率范围对其极化机制有显著影响,主要是对材料随交流电场反转的极化“弛 豫”过程或时间延迟而言。瞬时极化过程弛豫时间短,延时极化过程弛豫时间长。在组成陶瓷介质的原子和离 子中,后者所引起的介质损耗更大。当外电场频率与弛豫过程的时间周期同步时,损耗值最大。简而言之,

         当弛豫时间与外电场周期相差很大时损耗则很小:

         (a)弛豫时间    >> 电场频率,损耗小

         (b)弛豫时间    << 电场频率,损耗小

         (c)弛豫时间=电场频率,损耗最大

         在(a)条件下,极化响应速度远小于外电场反转的速度,离子完全跟不上电场的变化,因此没有出现热损 耗。(b)情况相反,极化过程能轻易的跟上电场频率,没有延迟,也没有出现损耗。然而,在(c)条件下,离子虽 然能跟上电场的变化,但又要受到弛豫时间的限制,从而产生了最大的损耗。

         由多晶体构成的陶瓷介质的弛豫时间总是超出频谱范围。介质损耗与介电常数随频率的变化是一致的,而 且均与极化机制有关,如图下图所示。在高频应用时,常常用到一个被称为“Q因子”的品质因数,它等于损 耗角正切的倒数:

         Q = 1/tan 8

                                      介电常数和介质损耗

                                            频率


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