电容器的原理

一、电容器的原理    在电子产品中，电容器是必不可少的电子器件，它在电子设备中充当整流器的平滑滤波、电源的退耦、交流信号的旁路、交直流电路的交流耦合等。电子制作中需要用到各种各样的电容器，它们在电路中分别起着不同的作用。与电阻器相似，通常简称其为电容，用字母C表示。电容器是一种能储存电荷的容器．它是由两片靠得较近的金属片，中间再隔以绝缘物质而组成的．两片金属称为的极板，中间的物质叫做介质。电容器对直流电阻力无穷大，即电容器具有隔直流作用.电容器对交流电的阻力受交流电频率影响，即相同容量的电容器对不同频率的交流电呈现不同的容抗.电容器是依靠它的充放电功能来工作的，加在电容器两个极板上的交流电频率高，电容器的充放电次数增多；充放电电流也就增强；也就是说．电容器对于频率高的交流电的阻碍作用就减小,即容抗小,反之电容器对频率低的交流电产生的容抗大．对于同一频率的交流电电．电容器的容量越大，容抗就越小，容量越小,容抗就越大.     不同的电容器储存电荷的能力也不相同。把电容器外加1伏特直流电压时所储存的电荷量称为该电容器的电容量。电 容的基本单位为法拉（F）。但实际上，法拉是一个很不常用的单位，因为电容器的容量往往比1法拉小得多，常用微法（μF）、纳法（nF）、皮法（pF） （皮法又称微微法）等，它们的关系是：1法拉（F）= 1000000微法（μF） 1微法（μF）= 1000纳法（nF）= 1000000皮法（pF）     在电子线路中，电容用来通过交流而阻隔直流，也用来存储和释放电荷以充当滤波器，平滑输出脉动信号。小容量的电容，通常在高频电路中使用，如收音机、发射机和振荡器中。大容量的电容往往是作滤波和 存储电荷用。而且还有一个特点，一般1μF以上的电容均为电解电容，而1μF以下的电容多为瓷片电容，当然也有其他的，比如独石电容、涤纶电容、小容量的 云母电容等。电解电容有个铝壳，里面充满了电解质，并引出两个电极，作为正（+）、负（-）极，与其它电容器不同，它们在电路中的极性不能接错，而其他电 容则没有极性。     把电容器的两个电极分别接在电源的正、负极上，过一会儿即使把电源断开，两个引脚间仍然会有残留电压（也可以用万用表观察），我们说电容器储存了电荷。电容器极板间建立起电压，积蓄起电能，这个过程称为电容器的充电。充好电的电容器两端有一定的电压。电容器储存的电荷向电路释放的过程，称为电容器的放电。     发烧友制作HiFi音响，都要用至少1万微法以上的电容器来滤波，滤波电容越大，输出的电压波形越接近直流，而且大电容的储能作用，使得突发的大信号到来时，电路有足够的能量转换为强劲有力的音频输出。这时，大电容的作用有点像水库，使得原来汹涌的水流平滑地输出，并可以保证下游大量用水时的供应。     电子电路中，只有在电容器充电过程中，才有电流流过，充电过程结束后，电容器是不能通过直流电的，在电路中起着“隔直流”的作用。电路中，电容器常被用作耦合、旁路、滤波等，都是利用它“通交流，隔直流”的特性。那么交流电为什么能够通过电容器呢？我们先来看看交流电的特点。交流电不仅方向往复交变，它的大小也在按规律变化。电容器接在交流电源上，电容器连续地充电、放电，电路中就会流过与交流电变化规律一致的充电电流和放电电流。     电容器的选用涉及到很多问题。首先是耐压的问题。加在一个电容器的两端的电压超过了它的额定电压，电容器就会被击穿损坏。一般电解电容的耐压分档为6.3V，10V，16V，25V，50V等。 二、电容器的参数     按绝缘材料不同，可制成各种各样的电容器. 如：云母．瓷介．纸介，电解电容器等．在构造上，又分为固定电容器和可变电容器．由于电容器的类型和结构种类比较多，因此，我们不仅需要了解各类电容器的 性能指标和一般特性，而且还必须了解在给定用途下各种元件的优缺点，以及机械或环境的限制条件等。这里将对电容器的主要参数及其应用做简单。 1. 标称电容量（ C R ）。电容器产品标出的电容量值。云母和陶瓷介质电容器的电容量较低（大约在 5000pF 以下）；纸、塑料和一些陶瓷介质形式的电容器居中（大约在 0.005uF~1.0uF ）；通常电解电容器的容量较大。这是一个粗略的分类法。 2. 类别温度范围。电容器所确定的能连续工作的环境温度范围。该范围取决于它相应类别的温度极限值，如上限类别温度、下限类别温度、额定温度（可以连续施加额定电压的最高环境温度）等。 3. 额定电压（ U R ）。在下限类别温度和额定温度之间的任一温度下，可以连续施加在电容器上的最大直流电压或最大交流电压的有效值或脉冲电压的峰值。电容器应用在高电压场和时，必须注意电晕的影响。电晕是由于在介质 / 电极层之间存在空隙而产生的，它除了可以产生损坏设备的寄生信号外，还会导致电容器介质击穿。在交流或脉动条件下，电晕特别容易发生。对于所有的电容器，在使用中应保证直流电压与交流峰值电压之和不得超过电容器的额定电压。 4. 损耗角正切（ tg δ ）。在规定频率的正弦电压下，电容器的损耗功率除以电容器的无功功率为损耗角正切。在实际应用中，电容器并不是一个纯电容，其内部还有等效电阻，它的简化等效电路如附图所示。对于电子设备来说，要求 R S 愈小愈好，也就是说要求损耗功率小，其与电容的功率的夹角要小。 5. 电容器的温度特性。通常是以 20 ℃基准温度的电容量与有关温度的电容量的百分比表示。 6. 使用寿命。电容器的使用寿命随温度的增加而减小。主要原因是温度加速化学反应而使介质随时间退化。 7. 绝缘电阻。由于温升引起电子活动增加，因此温度升高将使绝缘电阻降低。 三、电容器的分类     电容器包括固定电容器和可变电容器两大类。其中固定电容器又可根据其介质材料分为云母电容器、陶瓷电容器、纸 / 塑料薄膜电容器、电解电容器和玻璃釉电容器等；可变电容器也可以是玻璃、空气或陶瓷介质结构。 以下附表列出了常见电容器的字母符号。 字母 电容器介质材料   字母 电容器介质材料 A 钽电解   L 聚脂等极性有机薄膜 B 聚笨乙烯等非极性有机薄膜   N 铌电解 C 高频陶瓷   O 玻璃膜 D 铝电解   Q 漆膜 E 其他材料电解   T 低频陶瓷 G 合金电解   V 云母纸 H 纸膜复合   Y 云母 I 玻璃釉   Z 纸 J 金属化纸       电容的耐压和绝缘电阻 电容长期可靠地工作，它能承受的最大直流电压，就是电容的耐压，也叫做电容的直流工作电压。如果在交流电路中，要注意所加的交流电压最大值不能超过电容的直流工作电压值。 表 1是常用固定电容直流工作电压系列。有*的数值，只限电解电容用。 常用固定电容的直流电压系列 1.6    4    6.3   10   16   25    32*   40   50    63 100   125*   160   250   300*    400   450*   500   630   1000 由于电容两极之间的介质不是绝对的绝缘体，它的电阻不是无限大，而是一个有限的数值，一般在 1000 兆欧以上。电容两极之间的电阻叫做绝缘电阻，或者叫做漏电电阻。漏电电阻越小，漏电越严重。电容漏电会引起能量损耗，这种损耗不仅影响电容的寿命，而且会影响电路的工作。因此，漏电电阻越大越好。 四、电容的型号命名及标志方法    1）电容的型号命名     各国电容器的型号命名很不统一，国产电容器的命名由四部分组成： 第一部分：用字母表示名称，电容器为C。 第二部分：用字母表示材料。 第三部分：用数字表示分类。 第四部分：用数字表示序号。     电容的种类很多，为了区别开来，常用几个拉丁字母来表示电容的类别。第一个字母C表示电容，第二个字母表示介质材料，第三个字母以后表示形状、结构等。上图是小型纸介电容，下图是立式矩开密封纸介电容。表1列出电容的类别和符号。表2是常用电容的几项特性。  顺 序 类 别 名 称 简 称 称 号 第一个字母 主 称 电容器 容 C 　 第二个字母 　 介质材料 纸 介 电 解 云 母 高频瓷介 低频瓷介 金属化纸介 聚苯乙烯等有机薄膜 涤纶等有机薄膜 纸 电 云 瓷 Z D Y C T J B L 　 　 第三个字母以后 形 状 筒 形 管 状 立式矩形 圆片形 筒 管 立 圆 T G L Y 结 构 密 封 密 M 大 小 小 型 小 X 表2 常用电容的几项特性 电容种类 容量范围 直流工作电压 （V） 运用频率 （MHz） 准确度 漏电电阻 （MΩ） 中小型纸介电容 470pF~0.22uF 63~630 8以下 Ⅰ~Ⅲ >5000 金属壳密封纸介电容 0.01uF~10uF 250~1600 直流， 脉动直流 Ⅰ~Ⅲ >1000~5000 中、小型金属化纸介电容 0.01uF~0.22uF 160、250、400 8以下 Ⅰ~Ⅲ >2000 金属壳密封金属化纸介电容 0.22uF~30uF 160~1600 直流， 脉动电流 Ⅰ~Ⅲ >30~5000 薄膜电容 3pF~0.1uF 63~500 高频、低频 Ⅰ~Ⅲ >10000 云母电容 10pF~0.51uF 100~7000 75~250以下 02~Ⅲ >10000 瓷介电容 1pF~0.1uF 63~630 低频、高频 50~3000以下 02~Ⅲ >10000 铝电解电容 1uF~10000uF 4~500 直流， 脉动直流 ⅣⅤ 　 钽、铌电解电容 0.47uF~1000uF 6.3~160 直流， 脉动直流 ⅢⅣ 　 瓷介微调电容 2/7pF~7/25pF 250~500 高频 　 >1000~10000 可变电容 最小>7pF 最大<1100pF 100以上 低频，高频 　 >500 2） 电容的标志方法： （1） 直标法：用字母和数字把型号、规格直接标在外壳上。 （2） 文字符号法：用数字、文字符号有规律的组合来表示容量。文字符号表示其电容量的单位：P、N、u、m、F等。和电阻的表示方法相同。标称允许偏差也和电阻的表示方法相同。小于10pF的电容，其允许偏差用字母代替：B——±0.1pF，C——±0.2pF，D——±0.5pF，F——±1pF。 （3） 色标法：和电阻的表示方法相同，单位一般为pF。小型电解电容器的耐压也有用色标法的，位置靠近正极引出线的根部，所表示的意义如下表所示： 颜色 黑 棕 红 橙 黄 绿 蓝 紫 灰 耐压 4V 6.3V 10V 16V 25V 32V 40V 50V 63V （4） 进口电容器的标志方法：进口电容器一般有6项组成。 第一项：用字母表示类别： 第二项：用两位数字表示其外形、结构、封装方式、引线开始及与轴的关系。 第三项：温度补偿型电容器的温度特性，有用字母的，也有用颜色的，其意义如下表所示： 序号 字母 颜色 温度系数 允许偏差 序号 字母 颜色 温度系数 允许偏差 1 A 金 +100   12 R 黄   -220 2 B 灰 +30   13 S 绿   -330 3 C 黑 0   14 T 蓝   -470 4 G     ±30 15 U 紫   -750 5 H 棕 -30 ±60 16 V     -1000 6 J     ±120 17 W     -1500 7 K     ±250 18 X     -2200 8 L 红 -80 ±500 19 Y     -3300 9 M     ±1000 20 Z     -4700 10 N     ±2500 21 SL     +350~-1000 11 P 橙 -150   22 YN     -800~-5800          备注：温度系数的单位10e -6/℃；允许偏差是 % 。 第四项：用数字和字母表示耐压，字母代表有效数值，数字代表被乘数的10的幂。 第五项：标称容量，用三位数字表示，前两位为有效数值，第三为是10的幂。当有小数时，用R或P表示。普通电容器的单位是pF，电解电容器的单位是uF。 第六项：允许偏差。用一个字母表示，意义和国产电容器的相同。 也有用色标法的，意义和国产电容器的标志方法相同。 五、电容的质量判断及电解电容极性的判别方法     视电解电容器容量大小，通常选用万用表的 R×10 、 R×100 、 R×1K 挡进行测试判断。红、黑表笔分别接电容器的负极（每次测试前，需将电容器放电），由表针的偏摆来判断电容器质量。若表针迅速向右摆起，然后慢慢向左退回原位，一般来说电容器是好的。如果表针摆起后不再回转，说明电容器已经击穿。如果表针摆起后逐渐退回到某一位置停位，则说明电容器已经漏电。如果表针摆不起来，说明电容器电解质已经干涸推失去容量。     有些漏电的电容器，用上述方法不易准确判断出好坏。当电容器的耐压值大于万用表内电池电压值时，根据电解电容器正向充电时漏电电流小， 反向充电时漏电电流大的特点，可采用 R×10K 挡，对电容器进行反向充电，观察表针停留处是否稳定（即反向漏电电流是否恒定），由此判断电容器质量，准确度较高。黑表笔接电容器的负极，红表笔接电容器 的正极，表针迅速摆起，然后逐渐退至某处停留不动，则说明电容器是好的，凡是表针在某一位置停留不稳或停留后又逐渐慢慢向右移动的电容器已经漏电，不能继 续使用了。表针一般停留并稳定在 50 － 200K 刻度范围内。     不知道极性的电解电容可用万用表的电阻挡测量其极性。 我们知道只有电解电容的正极接电源正（电阻挡时的黑表笔），负端接电源负（电阻挡时的红表笔）时，电解电容的漏电流才小（漏电阻大）。反之，则电解电容的漏电流增加（漏电阻减小）。     测量时，先假定某极为“ + ”极，让其与万用表的黑表笔相接，另一电极与万用表的红表笔相接，记下表针停止的刻度（表针靠左阻值大），然后将电容器放电（既两根引线碰一下），两只表笔对调，重新进行测量。两次测量中，表针最后停留的位置靠左（阻值大）的那次，黑表笔接的就是电解电容的正极。    测量时最好选用 R*100 或 R*1K 挡。   六、电容的使用注意事项： 1） 选择合适的型号. 2） 合理确定电容器的精度. 3） 确定电容器的额定工作电压：对一般电路，电路的工作电压应为电容器额定电压的10%~20%；当有脉动电压时，工作电压应为脉动的最高电压。当应用于交流时，额定电压随频率的增加而要相应增大。当温度环境比较高时，额定电压还要选用更大的。 4） 尽量选择绝缘电阻大的电容. 5） 考虑温度系数和频率特性. 6） 注意使用环境.