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电子电路中寄生电容的产生与危害

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发表于 2015-7-22 16:11:14 | 显示全部楼层 |阅读模式
爱好无线电制作活动的朋友们,常常对一些现象迷惑不解。比如,在收音机双连电容器的动片不接地时,为什么手一离开旋钮,调到的电台就会跑掉或音量减弱?为什么在收音机末级排线较乱时,常会发生啸叫声?如果用屏蔽线作高放级的栅极引入线,以屏蔽干扰信号,结果却使收音机的灵敏度大为下降,这又是什么原因?有的同志在测量高频振荡器或发射机振荡回路的电流时,发现当把电流表串接在交流高压部分时,振荡频率偏移很大甚至停振,而串接在交流低压部分却没有这种现象。还有,在超高频电路中有的振荡回路只是一两圈铜丝或平行放着的两根铜线,根本没有用电容器。这是怎么回事呢?要回答以上一连串的问题,必须探索“寄生电容”的秘密。

寄生电容的成因和种类
大家知道,同性电荷相排斥,异性电荷相吸引。如果有两个相距不远的金属板,甲板电位比乙板高,即甲板上的正电荷比乙板多。那么,乙板的自由电子(带负电)就有一部分被甲板的正电荷所吸引,这些正负电荷集中于两板相邻的表面而不再随意运动,因而称作“束缚电荷”。这种现象可以看成是电荷的储存,也叫电容现象。甲乙两平行板就是储存电荷的容器,因而叫做电容器。很明显,甲乙两板间的电位差U愈大,束缚电荷Q就愈多。事实上,Q与U成正比,即Q=CU。这里的比例常数C通常称为“电容量”。两板的面积越大、距离越近,电容量就越大。
在无线电设备中,由于有许多相邻近而又不同电位的金属导体,它们之间必定有着一定的电容量。又由于这些导体并不是特意为了产生这样的电容而存在,所以我们称这些意外出现的电容为“寄生电容”。即是说,这种电容没有独立存在的价值,它“寄生”在起其他作用的金属导体的身上。
寄生电容主要有以下几种:
(一)安装电容:这主要是指一些机械安装零件,如旋钮、接线柱、管座、焊片等对机壳的电容(或者说对“地”的电容,因为我们常把机壳叫做地)。这些电容中最大的是接线柱的电容。接线柱安装在机壳上时(结构见图1),螺钉、螺母与机壳之间恰好构成了一个填充有介质(胶木垫圈)的电容器。在一般的高频或脉冲设备中,安装电容都按10微微法来估计。

接线柱电容

接线柱电容

(二)引线电容:包括不接地的引线对地的电容,两根平行导线之间的电容(如果两根导线互相交叉,寄生电容极小,常可忽略不计),同轴线和屏蔽线内外导体之间的电容。如果屏蔽线的外屏蔽接地(图2),这个电容就成了内导体对地的电容。在一般设计中,引线电容按10~20微微法来估算。

引线电容

引线电容

(三)电子管的极间电容:以三极管为例,阴级一般是钨丝或涂有氧化物的金属丝,栅极是围绕着阴极的金属网,屏极则是最外面的金属筒。如果我们把它看成同轴线,不难理解,栅极阴极间存在电容Cgk,屏极栅极间存在电容Cag由于栅极和阴极相距很近,故Cgk比Cag大。屏、阴极间的电容量相当于Cgk和Cag串联,不过考虑到电子管内部引线间的电容,屏、阴极间电容Cak比Cgk与Cag的串联值稍大。一般电子管的极间电容可以从手册中查到。例如6HlПCag=1.85微微法,Cgk=3.8微微法,Cak=1.5微微法。
(四)电感线圈和变压器中的寄生电容:线圈在交流电的作用下,感应电动势与其匝数成正比,所以对交流而言,线圈的两匝之间不是同电位的,因而相邻两匝导线间存在着一定的寄生电容。多层线圈的层间电容更是大得可观。好在从外电路看来,各个层间电容和匝间电容都串联起来,因而总的电容量并不很大。普通绕法的多层线圈,寄生电容约为30到60微,微法。由于蜂房式线圈上下层的导线不平行,而是相互交叉,二线间分布电容小得多,所以蜂房式多层线圈的寄生电容只有5到10微微法。一般变压器两端间的动态电容达30到100微微法。变压器初级与次级间的耦合电容则完全等于层间电容,常为50~200微微法。当变压器线包插上铁心后,铁心与初次级线包间均有相当大的寄生电容。因为铁心与机壳相接,所以这个电容就是初次级线包对地的电容,这是应该注意的。
(五)电阻中的寄生电容:线绕电阻也是象线圈一样绕成螺线管,当然有一定的寄生电容。不仅如此,合成电阻中也有相当可观的寄生电容。图3是合成电阻的一小块截面。它的导电机构是一串串紧紧相接的碳粒。由于碳粒的电阻一定,合成电阻的总阻值就决定于它体内包含碳粒串(导电链)的多少。为了改变电阻数值,我们加入不同数量的介质粉和胶合剂。当介质粉加得很多时,导电链将在很多地方被介质切断。并联的导电链少,总阻值就高。不难看出,当一个介质粒夹在两颗碳粒之间时,将构成一个小电容器。一个实心的合成电阻中包含着许多这样的小电容器,总的容量就可能相当大。这正是实心电阻在高频工作时介质损耗很大,寄生电容危害严重的原因。

电阻中的寄生电容

电阻中的寄生电容


寄生电容的危害
了解了寄生电容的存在,我们就能够解释本文一开始提到过的现象和寄生电容的其它现象了。
(一)人身效应:如果收音机可变电容器的定片接地而动片不接地,那么,由于动片是与轴焊在一起的,因此当人的手与轴接触时,就会有一个寄生电容Cn并联在振荡回路中(图4)。Cn可以认为是人体与地球之间填充着鞋底或皮肤(介质)所构成的。这样,调谐就是在并联了Cn的情况下进行的。调谐完成后,人的手离开轴,Cn也就没有了,因而回路又失谐了。这在长(中)波段表现为音量减弱,在短波段则常常使电台“跑掉”。这种现象称为“人身效应”。为了避免它,收音机的动片轴一般要接地,而定片则用绝缘柱子支起来离开底壳。

寄生电容的危害

寄生电容的危害

(二)起始电容:可变电容器的动片完全旋转出来之后,电容量并不为零,甚至还相当大。这是因为一般可变电容器的动片、轴、底壳是相通的,动片虽然完全旋出来了,但轴与定片之间,定片通过绝缘子与底壳之间都还有相当大的寄生电容存在。定片对轴和对底壳的电容并联起来称为可变电容器的“起始电容”,一般为10到50微微法。起始电容使振荡回路的调谐范围变窄,特别是使它不能用到更高的频段。起始电容随温度而变化也成为振荡频率不稳定的主要原因。
(三)寄生振荡:有时收音机会发出一种刺耳的叫声,这常常是由于低频部分的寄生电容或寄生电感引起正反馈所造成的寄生振荡。例如,当输出变压器的引线与第一低放级的引线相近时,通过寄生电容和两次放大倒相,就成了正反馈,由于经过放大,因而容易满足振荡条件。如果我们把最关紧要的两根线拉开,消除寄生电容,正反馈途径被切断,啸叫声也就消失了。
(四)接线柱的考究:许多仪表的输入端都做成接线柱的形式。前面曾经指出,接线柱的安装电容较大,因而仪表的输入电容也将很大。对于低频信号,安装电容的危害倒不显著,可是在信号频率很高时,安装电容相当于一个低阻抗,分去许多信号电流,仪表的灵敏度就大大下降。因此用接线柱做输入端的仪表不能用来测量高频率的弱信号。一般的电子管伏特计,特别是高频毫伏表和高频微伏表,必须用特别的探头式输入端。高频信号首先进入探头内,经过输入电容极小的一种二极管检波后,再进行放大和测量。如果把一个用接线柱做输入端的电流表串接在高频振荡回路的高压部分(即图5的1、2两点间),两个接线柱的安装电容CC2将和回路电容C相并联,这样势必改变回路的振荡频率,而测量的误差也会因C1C2分流而变得很大。如果电流表A串接在低压部郑碼、b两点之间,则安装电容C2被A表内阻短路,C1则根本不存在,所以测量才是准确的,回路频率也没有发生变化。

寄生电容

寄生电容

(五)高频增益跌落:一般低频放大器的增益都随着频率的增加而降低,这是因为放大器的负载上并联着寄生电容(包括下级电子管的极间电容、安装电容、引线电容等)。频率愈高,电容阻抗愈低,从寄生电容直接入地的高频电流愈多,因而高频增益(放大量)会跌落下来。前面曾经指出屏蔽线内外导体间寄生电容较大,如果在高频放大器的栅极接上屏蔽线,无异于增加其输入电容,可想放大倍数是会大大降低的,因而放大器灵敏度下降。
(六)变压器的附加设施:制作或修理过扩音机的人,也许曾经注意到扩音机强放级的变压器的两端常常并联着一个阻值不大的电阻。如果取掉这个电阻,扩音机的高频响应就特别刺耳,有时还发现强放管有过载现象。为什么会这样呢?只要想想变器两端都存在着较大的寄生电容就不难明白了。如果变压器初级电感是10亨,寄生电容是50微微法,则在初级构成谐振频率为7150赫的振荡回路。当信号频率在7千赫附近时,放大量就大大增加,于是声音变得尖锐刺耳,有时也使电子管过载。如果给这个振荡回路并联一个电阻,谐振现象就不会发生,因为回路衰减大,振荡被阻尼了。前曾述及变压器初次级间寄生电容很大,这个电容会造成高频的直通,破坏变压的匹配功能和对称性,而且使得一些脉冲干扰信号畅通无阻。这种情况对于工作在干线通信、测量、核子物理等方面的设备中的电源变压器、耦合变压器或匹配变压器都是不能容许的。为了消除这个电容,在初次级间应加一层金属箔(注意,切不可构成短路环!)用引线使之接地,这样级间电容就被“屏蔽”掉了,亦即变成两个对地的电容了。为了尽量减小初次级的动态电容,运用在脉冲设备中的变压器常常采用分段绕法,因为许多个分段的总电容将是各段电容的串联,数值会下降。
(七)电感线圈的极限频率:如果考虑到并联在线圈两端的寄生电容,线圈实际上是一个振荡回路,其谐振频率f0=1/2πLC0(1/2)。C0是寄生电容。如果工作频率等于f0,线圈就相当于电阻;工作频率高于f0,线圈就成了一个电容器。所以通常用f0的1/5或1/10为极限工作频率。要提高线圈的极限工作频率,必须减小寄生电容,因而采用蜂房式绕组、分段绕组等形式。但是,一般多层线圈的极限频率还是难于达到1兆赫以上。对于单层线圈,为减少寄生电容,应该绕得稀,最好不用骨架,或用介电常数ε值小的筋条式骨架。
在无线电设备中,寄生电容的危害以及与之作斗争的事例真是多得不胜枚举。总之,当我们使用高频信号时,采用新结构,试制新设备时,必须对存在于元件、器件、机械安装各部分的寄生电容予以重视。在必要时可采用屏蔽、补偿等附加设施。近来有不少高频或超高频电路,甚至直接利用元件或器件中的寄生电容作有用元件,这更是出路之一。
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