电容在高频线路中使用以及电容爆炸原因和处理方法

发布时间:2019-6-10

电容在高频线路中使用以及电容爆炸原因和处理方法
好的高频去耦电容可以去除高到1GHZ的高频成份。陶瓷片电容或多层陶瓷电容的高频特性较好。设计印刷线路板时,每个集成电路的电源,地之间都要加一个去耦电容。去耦电容有两个作用:一方面是本集成电路的蓄能电容,提供和吸收该集成电路开门关门瞬间的充放电能;另一方面旁路掉该器件的高频噪声。数字电路中典型的去耦电容为0.1uf的去耦电容有5nH分布电感,它的并行共振频率大约在7MHz左右,也就是说对于10MHz以下的噪声有较好的去耦作用,对40MHz以上的噪声几乎不起作用。
1uf,10uf电容,并行共振频率在20MHz以上,去除高频率噪声的效果要好一些。在电源进入印刷板的地方和一个1uf或10uf的去高频电容往往是有利的,即使是用电池供电的系统也需要这种电容。
每10片左右的集成电路要加一片充放电电容,或称为蓄放电容,电容大小可选10uf。最好不用电解电容,电解电容是两层溥膜卷起来的,这种卷起来的结构在高频时表现为电感,最好使用胆电容或聚碳酸酝电容。 去耦电容值的选取并不严格,可按C=1/f计算;即10MHz取0.1uf。
由于不论使用怎样的电源分配方案,整个系统会产生足够导致问题发生的噪声,额外的过滤措施是必需的。这一任务由旁路电容完成。一般来说,一个1uf-10uf 的电容将被放在系统的电源接入端,板上每个设备的电源脚与地线脚之间应放置一个0.01uf-0.1uf 的电容。旁路电容就是过滤器。放在电源接入端的大电容(约10uf)用来过滤板子产生的低频(比如60hz 线路频率)。板上工作中的设备产生的噪声会产生从100mhz 到更高频率间的合共振(harmonics)。每个芯片间都要放置旁路电容,这些电容比较小,大约0.1u 左右。

退藕电容的一般配置原则
1. 电源输入端跨接10 ~100uf的电解电容器。如有可能,接100uf以上的更好。
2. 原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01pf的瓷片电容,如遇印制板空隙不够,可每4~8个芯片布置一个1 ~ 10pf的但电容。
3. 对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件,如 ram、rom存储器件,应在芯片的 电源线和地线之间直接入退藕电容。
4、电容引线不能太长,尤其是高频旁路电容不能有引线。此外,还应注意以下两点:
a、 在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时.操作它们时均会产生较大火花放电 ,必须采用附图所示的 rc 电路来吸收放电电流。一般 r 取 1 ~ 2k,c取2.2 ~ 47uf。
cmos的输入阻抗很高,且易受感应,因此在使用时对不用端要接地或接正电源。
由于大部分能量的交换也是主要集中于器件的电源和地引脚,而这些引脚又是独立的直接和地电平面相连接的。这样,电压的波动实际上主要是由于电流的不合理分布引起。但电流的分布不合理主要是由于大量的过孔和隔离带造成的。这种情况下的电压波动将主要传输和影响到器件的电源和地线引脚上。
为减小集成电路芯片电源上的电压瞬时过冲,应该为集成电路芯片添加去耦电容。这可以有效去除电源上的毛刺的影响并减少在印制板上的电源环路的辐射。
当去耦电容直接连接在集成电路的电源管腿上而不是连接在电源层上时,其平滑毛刺的效果最好。这就是为什么有一些器件插座上带有去耦电容,而有的器件要求去耦电容距器件的距离要足够的小。
去耦电容配置的一般原则如下:
● 电源输入端跨接一个10~100uF的电解电容器,如果印制电路板的位置允许,采用100uF以上的电解电容器的抗干扰效果会更好。
● 为每个集成电路芯片配置一个0.01uF的陶瓷电容器。如遇到印制电路板空间小而装不下时,可每4~10个芯片配置一个1~10uF钽电解电容器,这种器件的高频阻抗特别小,在500kHz~20MHz范围内阻抗小于1Ω,而且漏电流很小(0.5uA以下)。
对于噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和ROM、RAM等存储型器件,应在芯片的电源线(Vcc)和地线(GND)间直接接入去耦电容。
● 去耦电容的引线不能过长,特别是高频旁路电容不能带引线。
● 在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时.操作它们时均会产生较大火花放电,必须RC 电路来吸收放电电流。一般 R 取 1 ~ 2K,C取2.2 ~ 47UF。
● CMOS的输入阻抗很高,且易受感应,因此在使用时对不用端要接地或接正电源。

● 设计时应确定使用高频低频中频三种去耦电容,中频与低频去耦电容可根据器件与PCB功耗决定,可分别选47-1000uF和470-3300uF;高频电容计算为: C=P/V*V*F。
● 每个集成电路一个去耦电容。每个电解电容边上都要加一个小的高频旁路电容。
● 用大容量的钽电容或聚酷电容而不用电解电容作电路充放电储能电容。使用管状电时,外壳要接地。

 

电容在高频线路中使用以及电容爆炸原因和处理方法

我曾经在400V开关室使用了PGJ1-5型无功功率补偿屏,屏内装有BCMJ型并联电容器10只,每只额定输出16kVar,额定电压0.4kV,额定电流25A,温度类别-25℃/45℃接法。对这两次事故原因作了认真的分析和彻底的处理。

2 原因分析与处理

2.1 环境温度高

本无功功率补偿屏安装于400V开关室内,室内共有8台开关柜,而面积仅30m2,其对面是SZ7-800kVA 35kV/0.4变压器室,整体通风条件差,炎热的夏天开关室内温度高达48℃以上,由此可见环境温度过高是引起电容爆炸的原因之一。补偿屏应移至单一通风控制室,并应在电容器外壳上贴示蜡片(示温片),值班人员可以从显示的温度来间接地监视电容介质温度。

2.2 电压极不稳定

我们从公式QC=2πfCV2中可以看出:电容器的无功容量与电压的平方成正比。当电压降低时,电容器的无功容量将按电压的平方成正比地相应减少,即电容器的容量得不到充分利用。当运行电压升高时会使电容器的温升增加,甚至使电容器的热平衡破坏而引起电容器爆炸。因此国标规定:电容器允许在1.1倍额定电压下长期运行,但每24h内在1.15倍额定电压下运行的时间不得超过30min。

我厂400V电压极不稳定,电压波动范围为0.9Ue~1.15Ue(Ue为额定电压400V),谷期用电时常在450V左右,运行时间长达7h,这是造成我厂电容爆炸烧坏原因之二。因SZ7-800kVA电源变压器是有载调压变压器,要解决这一问题只须设置一台KYT-2型有载调压控制器,投资不到一千元就可以将电压始终控制为额定电压。

2.3 谐波电流的存在

我厂采用了大功率可控硅整流器作为回转窑的直流电源与补偿屏并联运行。由于接入电网运行的可控硅装置,客观上起到了一个高次谐波发生器的作用,会引起电路电压及电流的波形畸变。谐波电流的存在常使电容器发生异常的响声,严重时引起电容器膨胀,这是引起电容器爆炸的原因之三。发生这种情况的主要原因是:(1)高次谐波电流叠加于基波电流,使电容器总电流增大;(2)某一高次谐波在系统感抗和电容器容抗之间引起并联谐振,使流入电容器的电流成倍增长;(3)电容器内部对某一高次谐波发生局部串联谐振,从而引起过负荷。

3 处理措施

为了防止这些情况发生,可以在补偿电容器组的每相内串接一个空心电抗器来限制电流。使电容电路的合成电抗对于高次谐波而言,变为感性电抗。在高次谐波中,3次谐波因变压器的△连接而被短路,因此这是针对5次以上谐波的措施。若选择串联电抗器的电抗使5次谐波谐振时,则5次谐波被短路,对5次谐波以上的高次谐波,因电容回路变为电感性,所以波形被改善,从而根本上消除了产生谐振的可能。防谐振串联空心电抗器的电抗可以通过计算得出:

即XL>4%XC

式中:L——串联电抗器的电感,H;

C——补偿电容器的容量,F;

XL——串联电抗器的感抗,Ω;

XC——补偿电容器的容抗,Ω。

由此可知,串联电抗器的电抗约为容抗的4%以上即可。因考虑到系统频率偏低,出现事故时电容器容量减少,实际上选用感抗为5%~6%XC。

做好上述分析处理后,无功功率补偿屏达到了安全节能运行的效果。

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