有關漣波電流(ripple current)和電容器的問題

Question

想請問各位大大:
小弟非電子相關科系畢業, 只是最近對電容很有興趣
有幾個問題想請教一下.
在電路中Ripple current, frequency和電容器有什麼樣的關係?
不考慮溫度與損失的情形下, 是不是只要ripple current是在電容可容許的範圍內電容就沒有毀壞的可能性, 那同一顆1uF250VAC的X2電容在120Hz跟1KHz的條件中, 它的耐漣波電流有一樣嗎? 該怎麼計算? X2電容跟電解電容的耐漣波電流, 誰表現會比較好? 謝謝!

那迴路中的ripple current對於電解電容的意義, 是在於如果某電解電容他的耐ripple current不佳, 或迴路中的ripple current大於此電解電容可承受的值時, 電容容易毀壞嗎? 不是很懂ripple current這東西!! 還有該如何去測得跟記算ripple current的數值?

另請問ripple current是怎麼產生的呢? 是迴路中本身就有ripple current, 還是這是電容產生出來的? 請解答一下, 謝謝囉!

Answer 1

一﹑電容器的定義﹕
1. 可以「容」納「電」荷的「器」具﹔
2. 其端點電壓與電荷的關係式是﹕
1-1. V=Q/C﹕電壓V與電荷量Q成正比﹐C為電容系數﹐C愈大表示電容量愈大﹑在相同的電壓變化範圍內﹐C愈大﹐可接受的漣波電流愈大﹔或者說﹐在相同的漣波電流下﹐C愈大所引起的電壓變化愈小。
1-2. dV=CdI．dt 或V=C∫Idt﹕電壓的變化是電流變化的積分﹐因此進入電容器的電流愈大或持續愈久﹐電壓上昇愈高﹐如果不停的強迫只進不出﹐累積的電荷所感應的電壓終將超過電容器的耐電壓極限而導致電容器燒燬。這就是 current和電容器的關係
3 Zc=1/2πfC﹕電容所呈現的交流阻抗(Zc)與交流頻率(f)成反比(也與電容量成反比)﹐因此﹐上下波動幅度相同但頻率相對較高的漣波電流對同一電容器上所造成的漣波電流壓會較低。這就是 frequency和電容器的關係
二﹑漣波電流﹕就是流量規律或不規律起伏的電流﹔漣波電流如何產生的﹖
2-1. 來自電源供應: 因為絕大部份的直流電需由AC(交流)電源整流後使用﹐整流後的電流是隨著電源電壓起伏的﹐以12V(均方根值)變壓器的交流電輸出為例﹐如果沒有電容器來吸收整流後的漣波電流﹐回路中的所有元件將受到16~17V(絕對值)的反復衝擊。因此電容器扮演起緩衝的角色﹐在電源端供給過量時將電流吸收儲存﹐在電源端供給過不足或停止時釋放出先前儲存的電流供工作回路使用。
2-2. 來自回路負載的變化﹕假設電源供應是來自電池(因此電壓不會起伏)﹐但由於工作中的負載是有變化的以及電池本身也有內部電阻﹐因此負載電流在變化的過程中電池的電壓實際上是起起伏伏的﹐負載變化愈大電池電壓波動也愈大﹐對回路的工作品質或信賴度愈不利﹐同樣也需要電容器來緩和因電流量的劇變所引起的電壓波動
因此電容器在電路中的作用好比水庫﹐有了水庫﹐流進的水(比做電源端供給電流)與流出的水(比做負載)在短時間內不必相同而不會引起水位也就是水壓(比做電壓)的劇烈變化﹐愈大的水庫愈能吸收或緩衝進出水量差異。
「只要ripple current是在電容可容許的範圍內電容就沒有毀壞的可能性」﹖在理論上沒錯﹐但要考慮到用久了以後﹐材質老化造成的實質容量減少與阻抗上昇之後﹐原先的「容許的範圍」就成了「超範圍」(就像你年輕時的容許運動量極限不能做為你年老時的極限)﹐那時就不是沒有毀壞的可能性。所以一般在做電路設計時要考慮使用年限與可能的使用環境溫度﹐而留些餘裕﹐-20%~-50%都是可能的。
電容在120Hz跟1KHz的條件中, 它的耐漣波電流有一樣嗎?
不一樣﹐在1KHz的條件中可以耐較高的漣波電流﹐實際差別請參考原廠規格書。
X電容的用途不是做為吸收漣波電流用的﹐與同容量的電解電容相比是可以耐較高的漣波電流﹐但X電容最大也只能做到幾個u﹐體積比同u數的電解電容大上十幾倍﹐價格可能貴上數十倍﹐而且在絕大多數的場合裡我們所需要的吸收漣波電容u數都在2位
數到4位數﹐除了電解電容﹐沒有其他選擇。
如果某電解電容他的耐ripple current不佳, 或迴路中的ripple current大於此電解電容可承受的值時, 電容容易毀壞嗎?
不僅電容容易毀壞(像人一樣操過了頭, 負荷超過你的承受值, 當然會毀壞)﹐由於電壓的起伏也隨之變高(電壓與電流是相互牽動的)﹐對回路的工作品質或信賴度也會不利。ripple current大於此電解電容可承受的值時會引發兩個影響壽命的基本問題﹕
1 尖峰電壓變高﹕愈高則愈接近壓垮絕緣體的耐壓極限﹐
2 溫度變高﹕絕緣體的耐壓程度是與溫度成反比的。

Answer 2

為什麼會有Ripple current(漣波電流)，
這是因為電流不連續造成的，
像是整流時
http://www.chinadz.com/~wzdz/dianzi/rumen/5-2.htm
　
或是做PWM切換時
http://219.133.31.204:81/gate/big5/www.guangdongdz.com/special_column/techarticle/old/14662.html
　
當電壓高時對電容充電，
當電壓低時電容放電(負載)。
充放電的電流就是漣波電流，
而電壓的變化就是漣波電壓。

2007-08-20 22:45:14 補充：
另外電容有ESR，相當於電容內阻，
ESR愈小，在通過電流時的發熱就愈小。
　
「熱」會縮短電容壽命，一般而言，
溫度升高10度C壽命減少一半。
也就是說20度C下10000小時的電容，
若是工作在40度C時的壽命只有2500小時。

Answer 3

1.Ripple Current 與 Frequency是指在電容使用中，
電容器上的漣波產生的電流與頻率。
這兩個系數會嚴重影響電容的壽命，
所以無法不以溫度、損失作考量。
簡單說，電容也是有內阻的，
如果Ripple Current 與 Frequency變大，
損失於內阻的功率也會變大，
電容的溫度會變高，然後壽命減短。

2.X但容與電解電容使用上的功能就不一樣，
電解電如主要是容量大，一般穩壓用。
X電容是高壓低內阻，一般作EMI對測用。
計算Ripple Current主要都針對電解電容，
你可以跟電容廠商要計算公式。

最簡單的處理方式是，
多花錢買Low ESR的電容，
並挑Life高一點的，
可以解決不少問題。