电容器

电容器
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容纳电荷的器件
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简介
电容器是储存电量和电能（电势能）的元件。一个导体被另一个导体所包围，或者由一个导体发出的电场线全部终止在另一个导体的导体系，称为电容器。 
平行板电容器的电容公式：
其中，UA-UB为两平行板间的电势差，εr为相对介电常数，k为静电力常量，S为两板正对面积，d为两板间距离。说明：平行板电容器内的电场是匀强电场。 
电容与电容器不同。电容为基本物理量，符号C，单位为F（法拉）。 
通用公式C=Q/U，平行板电容器专用公式：板间电场强度E=U/d。 
电容器主要参数
(1)标称电容量，为标志在电容器上的电容量。但电容器实际电容量与
标称电容量是有偏差的，精度等级与允许误差有对应关系。一般电容器常用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级，电解电容器用Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级表示容量精度，根据用途选取。电解电容器的容值，取决于在交流电压下工作时所呈现的阻抗，随着工作频率、温度、电压以及测量方法的变化，容值会随之变化。电容量的单位为F（法）。 
电容器既然是一种储存电荷的“容器”，就有“容量”大小的问题。为了衡量电容器储存电荷的能力，确定了电容量这个物理量。电容器必须在外加电压的作用下才能储存电荷。不同的电容器在电压作用下储存的电荷量也可能不相同。国际上统一规定，给电容器外加1伏特直流电压时，它所能储存的电荷量，为该电容器的电容量（即单位电压下的电量），用字母C表示。电容量的基本单位为法拉（F）。在1伏特直流电压作用下，如果电容器储存的电荷为1库仑，电容量就被定为1法拉，法拉用符号F表示，1F=1Q/V。在实际应用中，电容器的电容量往往比1法拉小得多，常用较小的单位，如毫法（mF）、微法(μF)、纳法（nF）、皮法(pF)等，它们的关系是：1微法等于百万分之一法拉；1皮法等于百万分之一微法，即： 
1法拉(F)=1000毫法(mF)；1毫法(mF)=1000微法(μF)；1微法(μF)=1000纳法（nF）；1纳法（nF）=1000皮法(pF)；即：1F=1000000μF；1μF=1000000pF。 
(2)额定电压，为在最低环境温度和额定环境温度下可连续加在电容器的最高直流电压。如果工作电压超过电容器的耐压，电容器将被击穿，造成损坏。在实际中，随着温度的升高，耐压值将会变低。 
(3)绝缘电阻。直流电压加在电容上，产生漏电电流，两者之比称为绝缘电阻。当电容较小时，其值主要取决于电容的表面状态；容量大于0.1μF时，其值主要取决于介质。通常情况，绝缘电阻越大越好。 
(4)损耗。电容在电场作用下，在单位时间内因发热所消耗的能量称做损耗。损耗与频率范围、介质、电导、电容金属部分的电阻等有关。 
(5)频率特性。随着频率的上升，一般电容器的电容量呈现下降的规律。当电容工作在谐振频率以下时，表现为容性；当超过其谐振频率时，表现为感性，此时就不是一个电容而是一个电感了。所以一定要避免电容工作于谐振频率以上。 
作用
在直流电路中，电容器是相当于断路的。电容器是一种能够储藏电荷的元件，也是最常用的电子元件之一。 
这得从电容器的结构上说起。最简单的电容器是由两端的极板和中间的绝缘电介质（包括空气）构成的。通电后，极板带电，形成电压（电势差），但是由于中间的绝缘物质，所以整个电容器是不导电的。不过，这样的情况是在没有超过电容器的临界电压（击穿电压）的前提条件下的。我们知道，任何物质都是相对绝缘的，当物质两端的电压加大到一定程度后，物质都是可以导电的，我们称这个电压为击穿电压。电容也不例外，电容被击穿后，就不是绝缘体了。不过在中学阶段，这样的电压在电路中是见不到的，所以都是在击穿电压以下工作的，可以被当做绝缘体看。 
但是，在交流电路中，因为电流的方向是随时间成一定的函数关系变化的。而电容器充放电的过程是有时间的，这个时候，在极板间形成变化的电场，而这个电场也是随时间变化的函数。实际上，电流是通过电场的形式在电容器间通过的。 
电容器的作用：
●耦合：用在耦合电路中的电容称为耦合电容，在阻容耦合放大器和其他电容耦合电路中大量使用这种电容电路，起隔直流通交流作用。 
●滤波：用在滤波电路中的电容器称为滤波电容，在电源滤波和各种滤波器电路中使用这种电容电路，滤波电容将一定频段内的信号从总信号中去除。 
●退耦：用在退耦电路中的电容器称为退耦电容，在多级放大器的直流电压供给电路中使用这种电容电路，退耦电容消除每级放大器之间的有害低频交连。 
●高频消振：用在高频消振电路中的电容称为高频消振电容，在音频负反馈放大器中，为了消振可能出现的高频自激，采用这种电容电路，以消除放大器可能出现的高频啸叫。 
●谐振：用在LC谐振电路中的电容器称为谐振电容，LC并联和串联谐振电路中都需这种电容电路。 
●旁路：用在旁路电路中的电容器称为旁路电容，电路中如果需要从信号中去掉某一频段的信号，可以使用旁路电容电路，根据所去掉信号频率不同，有全频域（所有交流信号）旁路电容电路和高频旁路电容电路。 
●中和：用在中和电路中的电容器称为中和电容。在收音机高频和中频放大器，电视机高频放大器中，采用这种中和电容电路，以消除自激。 
●定时：用在定时电路中的电容器称为定时电容。在需要通过电容充电、放电进行时间控制的电路中使用定时电容电路，电容起控制时间常数大小的作用。 
●积分：用在积分电路中的电容器称为积分电容。在电势场扫描的同步分离电路中，采用这种积分电容电路，可以从场复合同步信号中取出场同步信号。 
●微分：用在微分电路中的电容器称为微分电容。在触发器电路中为了得到尖顶触发信号，采用这种微分电容电路，以从各类（主要是矩形脉冲）信号中得到尖顶脉冲触发信号。 
●补偿：用在补偿电路中的电容器称为补偿电容，在卡座的低音补偿电路中，使用这种低频补偿电容电路，以提升放音信号中的低频信号，此外，还有高频补偿电容电路。 
●自举：用在自举电路中的电容器称为自举电容，常用的OTL功率放大器输出级电路采用这种自举电容电路，以通过正反馈的方式少量提升信号的正半周幅度。 
●分频：在分频电路中的电容器称为分频电容，在音箱的扬声器分频电路中，使用分频电容电路，以使高频扬声器工作在高频段，中频扬声器工作在中频段，低频扬声器工作在低频段。 
●负载电容：是指与石英晶体谐振器一起决定负载谐振频率的有效外界电容。负载电容常用的标准值有16pF、20pF、30pF、50pF和100pF。负载电容可以根据具体情况作适当的调整，通过调整一般可以将谐振器的工作频率调到标称值。 
型号
型号命名
国产电容器的型号一般由四部分组成（不适用于压敏、可变、真空电容器），依次分别代表名称、材料、分类和序号。 
第一部分：名称，用字母表示，电容器用C。 
第二部分：材料，用字母表示。 
注：A-钽电解、B-聚苯乙烯等非极性薄膜、C-高频陶瓷、D-铝电解、E-其它材料电解、G-合金电解、H-复合介质、I-玻璃釉、J-金属化纸、L-涤纶等极性有机薄膜、N-铌电解、O-玻璃膜、Q-漆膜、T-低频陶瓷、V-云母纸、Y-云母、Z-纸介。 
第三部分：分类，一般用数字表示，个别用字母表示。 
注：T-电铁、W-微调、J-金属化、X-小型、S-独石、D-低压、M-密封。 
数字表示如下： 
型号
符号
瓷介
云母
有机
电解
1
圆形
非密封
非密封
箔式
2
管形
非密封
非密封
箔式
3
叠片
密封
密封
烧结粉液体
4
独石
密封
密封
烧结粉液体
5
穿心
/
穿心
/
6
支柱形
/
/
/
7
/
/
/
无极性
8
高压
高压
高压
/
9
/
/
特殊
特殊
第四部分：序号，用数字或字母表示。 
包括品种、尺寸代号、温度特性、直流工作电压、标称值、允许误差、标准代号。 
容量标示
1．直标法
用数字和单位符号直接标出。如1
表示1微法，有些电容用“R”表示小数点，如R56表示0.56微法。 
2．文字符号法
用数字和文字符号有规律的组合来表示容量。如p10表示0.1pF、1p0表示1pF、6P8表示6.8pF、2u2表示2.2uF。 
3．色标法
用色环或色点表示电容器的主要参数。电容器的色标法与电阻相同。 
4．数学计数法：数学计数法一般是三位数字，第一位和第二位数字为有效数字，第三位数字为倍数。 
分类
根据分析统计，电容器主要分为以下10类：
1．按照结构分三大类：固定电容器、可变电容器和微调电容器。 
2．按电介质分类：有机介质电容器、无机介质电容器、电解电容器、电热电容器和空气介质电容器等。 
3. 按用途分有：高频旁路电容器、低频旁路电容器、滤波电容器、调谐电容器、高频耦合电容器、低频耦合电容器、小型电容器。 
4．按制造材料的不同可以分为：瓷介电容、涤纶电容、电解电容、钽电容，还有先进的聚丙烯电容等等。 
5．高频旁路：陶瓷电容器、云母电容器、玻璃膜电容器、涤纶电容器、玻璃釉电容器。 
6．低频旁路：纸介电容器、陶瓷电容器、铝电解电容器、涤纶电容器。 
7、滤波：铝电解电容器、纸介电容器、复合纸介电容器、液体钽电容器。 
8．调谐：陶瓷电容器、云母电容器、玻璃膜电容器、聚苯乙烯电容器。 
9．低耦合：纸介电容器、陶瓷电容器、铝电解电容器、涤纶电容器、固体钽电容器。 
10．小型电容：金属化纸介电容器、陶瓷电容器、铝电解电容器、聚苯乙烯电容器、固体钽电容器、玻璃釉电容器、金属化涤纶电容器、聚丙烯电容器、云母电容器。 
种类举例
铝电解电容器
用浸有糊状电解质的吸水纸夹在两条铝箔中间卷绕而成，薄的氧化膜作介质的电容器。因为氧化膜有单向导电性质，所以电解电容器具有极性。其特点如下： 
1. 容量大，能耐受大的脉动电流。 
2. 容量误差大，泄漏电流大；普通的不适于在高频和低温下应用，不宜使用在25kHz以上频率。 
3. 低频旁路、信号耦合、电源滤波。 
钽电解电容器
用烧结的钽块作正极，电解质使用固体二氧化锰。温度特性、频率特性和可靠性均优于普通电解电容器，特别是漏电流极小，贮存性良好，寿命长，容量误差小，而且体积小，单位体积下能得到最大的电容电压乘积。其对脉动电流的耐受能力差，若损坏易呈短路状态。常应用于超小型高可靠机件中。 
自愈式并联电容器
结构与纸质电容器相似，但用聚脂、聚苯乙烯等低损耗塑材作介质。特点如下： 
1. 频率特性好，介电损耗小。 
2. 不能做成大的容量，耐热能力差。 
3. 滤波器、积分、振荡、定时电路。
瓷介电容器
穿心式或支柱式结构瓷介电容器，它的一个电极就是安装螺丝。引线电感极小，频率特性好，介电损耗小，有温度补偿作用。 
1. 不能做成大的容量，受振动会引起容量变化。 
2. 特别适于高频旁路。 
独石电容器(多层陶瓷电容器)
在若干片陶瓷薄膜坯上被覆以电极桨材料，叠合后一次绕结成一块不可分割的整体，外面再用树脂包封而成。是一种小体积、大容量、高可靠和耐高温的新型电容器。高介电常数的低频独石电容器也具有稳定的性能，体积极小，容量误差较大。一般是用两条铝箔作为电极，中间以厚度为0.008～0.012mm的电容器纸隔开重叠卷绕而成。制造工艺简单，价格便宜，能得到较大的电容量。 
金属化聚丙烯电容器
一般在低频电路内，通常不能在高于3～4MHz的频率上运用。油浸电容器的耐压比普通纸质电容器高，稳定性也好，适用于高压电路微调电容器(半可变电容器)　电容量可在某一小范围内调整，并可在调整后固定于某个电容值。 
瓷介微调电容器的电荷量高，体积也小，通常可分为圆管式及圆片式两种。云母和聚苯乙烯介质的通常都采用弹簧式东，结构简单，但稳定性较差。线绕瓷介微调电容器是拆铜丝〈外电极〉来变动电容量的，故容量只能变小，不适合在需反复调试的场合使用。 
陶瓷电容器
用高介电常数的电容器陶瓷〈钛酸钡一氧化钛〉挤压成圆管、圆片或圆盘作为介质，并用烧渗法将银镀在陶瓷上作为电极制成。它又分高频瓷介和低频瓷介两种。具有小的正电容温度系数的电容器，用于高稳定振荡回路中，作为回路电容器及垫整电容器。 
低频瓷介电容器限于在工作频率较低的回路中作旁路或隔直流用，或对稳定性和损耗要求不高的场合〈包括高频在内〉。这种电容器不宜使用在脉冲电路中，因为它们易于被脉冲电压击穿。 
高频瓷介电容器
适用于高频电路云母电容器，就结构而言，可分为箔片式及被银式。被银式电极为直接在云母片上用真空蒸发法或烧渗法镀上银层而成，由于消除了空气间隙，温度系数大为下降，电容稳定性也比箔片式高。频率特性好，电荷量值高，温度系数小，不能做成大的容量。广泛应用在高频电器中，并可用作标准电容器。 
玻璃釉电容器
由一种浓度适于喷涂的特殊混合物喷涂成薄膜而成，介质再以银层电极经烧结而成"独石"结构，性能可与云母电容器媲美，能耐受各种气候环境，一般可在200℃或更高温度下工作，额定工作电压可达500V。 
固定电容器的检测方法
1. 检测10pF以下的小电容：因10pF以下的固定电容器容量太小，用万用表进行测量，只能定性的检查其是否有漏电，内部短路或击穿现象。测量时，可选用万用表R×10k挡，用两表笔分别任意接电容的两个引脚，阻值应为无穷大。若测出阻值(指针向右摆动)为零，则说明电容漏电损坏或内部击穿。 
2. 检测10PF～001μF固定电容器：通过判断是否有充电现象，进而判断其好坏。万用表选用R×1k挡。两只三极管的β值均为100以上，且穿透电流要小。可选用3DG6等型号硅三极管组成复合管。万用表的红和黑表笔分别与复合管的发射极e和集电极c相接。由于复合三极管的放大作用，把被测电容的充放电过程予以放大，使万用表指针摆幅度加大，从而便于观察。 
应注意的是：在测试操作时，特别是在测较小容量的电容时，要反复调换被测电容引脚接触A、B两点，才能明显地看到万用表指针的摆动。对于001μF以上的固定电容，可用万用表的R×10k挡直接测试电容器有无充电过程以及有无内部短路或漏电，并可根据指针向右摆动的幅度大小估计出电容器的容量。 
充放电
(1)充电的过程。
使电容器带电(储存电荷和电能)的过程称为充电。把电容器的一个极板接电源的正极，另一个极板接电源的负极，两个极板就分别带上了等量的异种电荷。充电后电容器的两极板之间就有了电场，充电过程把从电源获得的电能储存在电容器中。 
(2)放电的过程。
使充电后的电容器失去电荷(释放电荷和电能)的过程称为放电。例如，用一根导线把电容器的两极接通，两极上的电荷互相中和，电容器就会放出电荷和电能。放电后电容器的两极板之间的电场消失，电能转化为其他形式的能。 
电池自放电是指在开路状态下电池存储电荷的保持能力。锂离子电池的自放电类型可分为物理自放电和化学自放电。电池单体通过串联、并联的方式组成模组，若模组内单体自放电一致性差，则会导致模组在存储一段时间后出现内部单体端电压不一致的现象，致使模组在充放电过程中出现部分单体已达到目标电压，而另一部分单体仍处于较高或较低电压的现象，导致单体过充电或过放电，甚至产生安全问题，这也是对模组电压均衡能力的一种挑战。自放电是锂离子电容器的一项重要性能指标。 
故障处理
1. 电容器的常见故障。当发现电容器的下列情况之一时应立即切断电源。 
（1）电容器外壳膨胀或漏油。 
（2）套管破裂，发生闪络有火花。 
（3）电容器内部声音异常。 
（4）外壳温升高于55℃以上示温片脱落。 
2. 电容器的故障处理
（1）当电容器爆炸着火时，就立即断开电源，并用砂子和干式灭火器灭火。 
（2）当电容器的保险熔断时，应向调度汇报，待取得同意后再拉开电容器的断路器。切断电源对其进行放电，先进行外部检查，如套管的外部有无闪络痕迹，外壳是否变形，漏油及接地装置有无短路现象等，并摇测极间及极对地的绝缘电阻值，检查电容器组接线是否完整、牢固，是否有缺相现象，如未发现故障现象，可换好保险后投入。如送电后保险仍熔断，则应退出故障电容器，而恢复对其余部分送电。如果在保险熔断的同时，断路器也跳闸，此时不可强送。须待上述检查完毕换好保险后再投入。 
（3）电容器的断路器跳闸，而分路保险未断，应先对电容器放电三分钟后，再检查断路器电流互感器电力电缆及电容器外部等。若未发现异常，则可能是由于外部故障母线电压波动所致。经检查后，可以试投；否则，应进一步对保护全面的通电试验。通过以上的检查、试验，若仍找不出原因，则需按制度办事，对电容器逐渐进行试验。未查明原因之前，不得试投。 
3. 处理故障电容器时的安全事项。由于电容器的两极具有剩留残余电荷的特点，所以，首先应设法将其电荷放尽，否则容易发生触电事故。处理故障电容器时，首先应拉开电容器组的断路器及其上下隔离开关，如采用熔断器保护，则应先取下熔丝管。此时，电容器组虽已经过放电电阻自行放电，但仍会有部分残余电荷，因此，必须进行人工放电。放电时，要先将接地线的接地端与接地网固定好，再用接地棒多次对电容器放电，直至无火花和放电声为止，最后将接地线固定好。同时，还应注意，电容器如果有内部断线、熔丝熔断或引线接触不良时，其两极间还可能会有残余电荷，而在自动放电或人工放电时，这些残余电荷是不会被放掉的。故运行或检修人员在接触故障电容器前，还应戴好绝缘手套，并用短路线短接故障电容器的两极以使其放电。另外，对采用串联接线方式的电容器还应单独进行放电。 
超级电容器
超级电容器又称为双电层电容器、电化学电容器，是电化学性能介于传统电容器和电池的一种新型的电化学储能装置。主要包括电极、电解质、集流体和隔离物4个部分 
。它主要是通过双电层电容和氧化还原反应产生的法拉第准电容存储能量。一般说来，超级电容器的储能方式是可逆的，因此可用来解决电池记忆等问题。当前，超级电容器的应用范围非常广泛，尤其是在混合动力汽车方面。其作为混合动力汽车的电源，可以很好地满足汽车在启动、爬坡和加速时对高功率的需求，从而有效地节约能源并提高电池的使用寿命。 
对于超级电容器来说，依据不同的内容可有不同的分类方法。首先，根据不同的储能机理，可将超级电容器分为双电层电容器和法拉第准电容器两大类。其中，双电层电容器主要是通过纯静电电荷在电极表面进行吸附来产生存储能量。法拉第准电容器主要是通过法拉第准电容活性电极材料(如过渡金属氧化物和高分子聚合物)表面及表面附近发生可逆的氧化还原反应产生法拉第准电容，从而实现对能量的存储与转换。其次，根据电解液种类可分为水系超级电容器和有机系超级电容器两大类。此外，根据活性材料的类型是否相同，可分为对称超级电容器和非对称超级电容器。最后，根据电解液的状态形式，又可将超级电容器分为固体电解质超级电容器和液体电解质超级电容器两大类。 
20世纪60年代，世界上出现了超级电容器，到了20世纪70年代末80年代初，出现了大规模商业化生产超级电容器的形势。中国的超级电容器技术开发起步较迟，从20世纪80年代开始，相关的企业、高等院校和科研院所陆续开展与超级电容器相关的研究工作$到了20世纪90年代，混合电动轿车迅速发展，作为电动轿车的主要电能存储单元，超级电容器越来越受到人们的关注。相较于传统的电容器，超级电容器具有更明显的优势。 
1.高效，它拥有超大的电容量、超宽的工作温度范围，能够快速充电、放电。优势
2.实用，它的使用寿命极长,不用经常维护。
3.环保。与传统蓄电池相比，它对环境友好，不产生二次污染$因此超级电容器的出现为电能的储存提供了一种很好的解决方案。


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