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电容器
电容
一、电容器的基础知识
1、常见的电阻图片:
2、电容器的知识
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。
顾名思义,电容器就是“储存电荷的容器”。
尽管电容器品种繁多,但它们的基本结构和原理是相同的。
两片相距很近的金属中间被某物质(固体、气体或液体)所隔开,就构成了电容器。
两片金属称为极板,中间的物质叫做介质。
电容器也分为容量固定的与容量可变的。
但常见的是固定容量的电容,最多见的是电解电容和瓷片电容。
下面图1为电容的基本结构,图2为电容的符号:
图1图2
3、符号:
C
4、单位:
国际单位是法拉(F)
5、运用:
广泛应用于隔直、耦合、旁路、滤波、调谐回路、能量转换、控制电路等方面,主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、滤波、补偿、充放电、储能、隔直流等电路中。
6、影响因素:
温度、湿度、气压、振动等外界环境的影响。
8、电容的作用:
储能、滤波、谐振、移相(含无功补偿)、耦合(隔直)、积分和微分等
二、电容的主要特性参数
(1)标称容量
标称容量是指标注在电容器上的电容量。
电容量的基本单位是法拉(简称法),
用字母“F”表示。
比法拉小的单位还在毫法(mF)、微法(μF)、纳法(nF)、
皮法(pF),它们之间的换算关系是:
1F=1000mF 1mF=1000μF 1μF=1000nF 1nF=1000pF
其中,微法(μF)和皮法(pF)两单位最常用。
在实际应用时,电容量在1万
皮法以上电容量,通常用微法作单位,例如:
0.047μF、0.1μF、2.2μF、47μF、
330μF、4700μF等等。
电容量在1万皮法以下的电容器,通常用皮法作单位,例如:
2pF、68 pF、100 pF、
680 pF、5600 pF等等。
标称容量的标注方法有
(1)直标法、
(2)文字符号、(3)标注法和(4)色标法等,具体的识别方法将在以后的内容中作详细介绍。
(2)允许偏差
允许偏差是指电容器的标称容量与实际容量之间的允许最大偏差范围。
电容器
的容量偏差与电容器介质材料及容量大小有关。
电解电容器的容量较大,误差范
围大于±10%;而云母电容器、玻璃釉电容器、瓷介电容器及各种无极性高频在
机薄膜介质电容器(如涤纶电容器、聚苯乙烯电容器、聚丙烯电容器等)的容量
相对较小,误差范围小于±20%。
(3)额定电压
额定电压也称电容器的耐压值,是指电容器在规定的温度范围内,能够连续正常
工作时所能承受的最高电压。
该额定电压值通常标注在电容器上。
在实际应用
时,电容器的工作电压应低于电容器上标注的额定电压值,否则会造成电容器因
过压而击穿损坏
。
(4)漏电流
电容器的介质材料不是绝艰绝缘体,宁在一定的工作温度及电压条件下,也会有
电流通过,此电流即为漏电流。
一般电解电容器的漏电流略大一些,而其它类
型电容器的漏电流较小。
(5)绝缘电阻
绝缘电阻也称漏电阻,它与电容器的漏电流成反比。
漏电流越大,绝缘电阻越小。
绝缘电阻越大,表明电容器的漏电流越小,质量也越好。
(6)损耗因数
损耗因数也称电容器的损耗角正切值,用来表示电容器能量损耗的大小。
该值越
小,说明电容器的质量越好。
(7)温度系数
温度系数是指在一定温度范围内,温度每变化1℃时,电容器容量的相对变化值。
温度系数值越小,电容器的性能越好。
(8)频率特性
频率特性是指电容器对各种不同高低的频率所表现出的性能(即电容量等电参数
随着电路工作频率的变化而变化的特性)。
不同介质材料的电容器,其最高工作
频率也不同,例如,容量较大的电容器(如电解电容器)只能在低频电路中正常
工作,高频电路中只能使用容量较小的高频瓷介电容器或云母电容器等。
2、电容的命名方法:
(1)直标法
(2)色标法
(3)数标法
特点:
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。
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(相位不同)的充电电流和放电电流。
3、电容器充电与放电:
图3:
:
电容器正在充电图4:
电容器正在放电
(1)由于电容充电过程完成后,就没有电流流过电容器,所以在直流电路中,电容可等效为开路或R=∞,电容上的电压vc不能突变。
(2)当切断电容和电源的连接后,电容通过电阻RD进行放电,两块板之间的电压将会逐渐下降为零,vc=0,见图4。
(3)在图3和图4中,RC和RD的电阻值分别影响电容的充电和放电速度。
(4)电阻值R和电容值C的乘积被称为时间常数τ,这个常数描述电容的充电和放电速度,电容值或电阻值愈小,时间常数也愈小,电容的充电和放电速度就愈快,反之亦然。
(5)电容几乎存在于所有电子电路中,它可以作为“快速电池”使用。
如在照相机的闪光灯中,电容作为储能元件,在闪光的瞬间快速释放能量。
举一个现实生活中的例子,我们看到市售的整流电源在拔下插头后,上面的发光二极管还会继续亮一会儿,然后逐渐熄灭,就是因为里面的电容事先存储了电能,然后释放。
(6)电子电路中,只有在电容器充放电过程中,才有电流流过,充放电过程结束后,电容器是不能通过直流电的,所以有“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。
4、电容充放电时间计算:
假设:
V0为电容上的初始电压值;
V1为电容最终可充到或放到的电压值;
Vt为t时刻电容上的电压值。
则,
Vt="V0"+(V1-V0)*[1-exp(-t/RC)]
或,
t=RC*Ln[(V1-V0)/(V1-Vt)]
例如,电压为E的电池通过R向初值为0的电容C充电
V0=0,V1=E,故充到t时刻电容上的电压为:
Vt="E"*[1-exp(-t/RC)]
再如,初始电压为E的电容C通过R放电
V0=E,V1=0,故放到t时刻电容上的电压为:
Vt="E"*exp(-t/RC)
又如,初值为1/3Vcc的电容C通过R充电,充电终值为
Vcc,问充到2/3Vcc需要的时间是多少?
V0=Vcc/3,V1=Vcc,Vt=2*Vcc/3,故
t="RC"*Ln[(1-1/3)/(1-2/3)]=RC*Ln2
=0.693RC
5、电容的时间常数:
为恰当的评价大容量电容的绝缘情况而引入了时间常数,他等于电容的绝缘电阻与容量的乘积。
6、电容分档:
一般电解电容的耐压分档为6.3V、10V、16V、25V、50V等。
7、命名方法:
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;
第三部分:
分类,一般用数字表示,个别用字母表示;
第四部分:
序号,用数字表示。
二、电容的分类
1、电容器分类:
(1)非电解电容是没有极性的,也就是说可以在电路中任意连接而不必担心+、-极性问题。
电子电路中最常用的是园片电容。
另外还有瓷片电容、云母电容。
在大多数应用电路中都使用瓷片电容,这种电容是褐色的,形状像瓦片。
其电容值的范围可以几pF到1F。
(2)电解电容是有极性的电容,在电路中必须按要求连接,其+和-端必须连接到电路中的指定位置。
与非电解电容相比,电解电容体积较大,因此尽量避免使用电解电容。
只有在需要较大的容值时才使用。
并且,电解电容不很稳定,其电容值会随着温度和其他参数的变化而发生微小改变。
相对而言,非电解电容要稳定些。
电解电容的容值一般在1F到4700F之间,价格也更贵一些。
2、电容的种类:
电容种类
电容结构和特点
实物图片
铝电解电容
它是由铝圆筒做负极,里面装有液体电解质,插入一片弯曲的铝带做正极制成。
还需要经过直流电压处理,使正极片上形成一层氧化膜做介质。
它的特点是容量大,但是漏电大,误差大,稳定性差,常用作交流旁路和滤波,在要求不高时也用于信号耦合。
电解电容有正、负极之分,使用时不能接反。
有正负极性,使用的时候,正负极不要接反。
纸介电容
用两片金属箔做电极,夹在极薄的电容纸中,卷成圆柱形或者扁柱形芯子,然后密封在金属壳或者绝缘材料(如火漆、陶瓷、玻璃釉等)壳中制成。
它的特点是体积较小,容量可以做得较大。
但是有固有电感和损耗都比较大,用于低频比较合适。
金属化纸介电容
结构和纸介电容基本相同。
它是在电容器纸上覆上一层金属膜来代替金属箔,体积小,容量较大,一般用在低频电路中。
油浸纸介电容
它是把纸介电容浸在经过特别处理的油里,能增强它的耐压。
它的特点是电容量大、耐压高,但是体积较大。
玻璃釉电容
以玻璃釉作介质,具有瓷介电容器的优点,且体积更小,耐高温。
陶瓷电容
用陶瓷做介质,在陶瓷基体两面喷涂银层,然后烧成银质薄膜做极板制成。
它的特点是体积小,耐热性好、损耗小、绝缘电阻高,但容量小,适宜用于高频电路。
铁电陶瓷电容容量较大,但是损耗和温度系数较大,适宜用于低频电路。
薄膜电容
结构和纸介电容相同,介质是涤纶或者聚苯乙烯。
涤纶薄膜电容,介电常数较高,体积小,容量大,稳定性较好,适宜做旁路电容。
聚苯乙烯薄膜电容,介质损耗小,绝缘电阻高,但是温度系数大,可用于高频电路。
云母电容
用金属箔或者在云母片上喷涂银层做电极板,极板和云母一层一层叠合后,再压铸在胶木粉或封固在环氧树脂中制成。
它的特点是介质损耗小,绝缘电阻大、温度系数小,适宜用于高频电路。
钽、铌电解电容
它用金属钽或者铌做正极,用稀硫酸等配液做负极,用钽或铌表面生成的氧化膜做介质制成。
它的特点是体积小、容量大、性能稳定、寿命长、绝缘电阻大、温度特性好。
用在要求较高的设备中。
半可变电容
也叫做微调电容。
它是由两片或者两组小型金属弹片,中间夹着介质制成。
调节的时候改变两片之间的距离或者面积。
它的介质有空气、陶瓷、云母、薄膜等。
可变电容
它由一组定片和一组动片组成,它的容量随着动片的转动可以连续改变。
把两组可变电容装在一起同轴转动,叫做双连。
可变电容的介质有空气和聚苯乙烯两种。
空气介质可变电容体积大,损耗小,多用在电子管收音机中。
聚苯乙烯介质可变电容做成密封式的,体积小,多用在晶体管收音机中。
三、各类电容器的作用
1、滤波电容
它并接在电路正负极之间,把电路中无用的交流电流去掉,一般采用大容量电解电容器,也有采用其他固定电容器的。
2、退耦电容
并接于电路正负极之间,可防止电路通过电源内阻形成的正反馈通路而引起的寄生振荡。
3、耦合电容
连接于信号源和信号处理电路或两级放大器之间,用以隔断直流电,让交流电或脉动信号通过,使相信的放大器直流工作点互不影响。
4、旁路电容
并接在电阻两端或由某点直接跨接至共用电信为交直流信号中的交流或脉动信号设置一条通路,避免交流成分在通过电阻时产生压降。
5、中和电容
连接于三极管基极与集电极之间,用于克服三极管极间电容而引起的自激振荡。
6、调谐电容
连接于谐振电路或振荡电路线圈两端的电容。
7、垫整电容
在电路在能使振荡信号的频率范围减小,而且显著提高低频端振荡频率的电容,它是与槽路主电容串联的。
8、补偿电容
在振荡电路中,能使振荡信号的频率范围得到扩大的电容,它与主电容并联起辅助作用。
9、逆程电容
并接在行输出管集电极与发射极之间,用来产生行扫描锯齿波逆程的电容。
10、自举升压电容
利用其储能来提升电路由某的电位,使其电位值高于为该点供电的电源电压。
11、“S”校正电容
串接于偏转线圈回路中,用于校正两边延伸失真。
12、稳频电容
在振荡电路中,用来稳定振荡频率的电容。
13、定时电容
在RC定时电路中与电阻R串联共同决定时间长短的电容。
14、降压限流电容
串接于交流电路中用于它对交流电的容抗进行分压限流。
15、缩短电容
这种电容是在UHF高频头中为了缩短振荡电感的长度而串接的电容。
16、克拉泼电容
在电容三点式振荡电路中,串接在振荡电感线圈的电容,为了水运晶体管结电容的影响,提高频率稳定性。
17、锡拉电容
在电容三点式振荡电路中,并接在振荡电感线圈两端的电容,为了消除晶体管结电容的影响,使其振荡频率越就越容易起振。
18、加速电容
接在振荡反馈电路中,使正反馈过程加速,提高振荡幅度。
19、预加重电容
为了防止音频调制信号在调制时可能使高频分量产生衰减或丢失,而适当提升高频分量的RC网络中的电容。
20、去加重电容
对音频信号中经预加提升的那部分高频分量连同噪音一起衰减掉,恢复伴音信号的本来面貌的RC网络中的电容。
21、稳幅电容
在鉴频器中,用来稳定输出信号幅度。
22、消亮点电容
在显像管附属电路中,用以消除关机亮点的电容。
23、移相电容
用来改变交流电信号相位的电容。
24、反馈电容
跨接于放大器的输入与输出端用来反馈信号的电容
25、软启动电容
通常接在电源开关管基极的,防止开机时加在开关基极的浪涌电流或电压太大而损坏开关管。
26、启动电容
串接于单相电机副绕组,为电机副绕组提供启动用的移相交流电流,电机运转正常时与副绕组断开。
27、运转电容
串接于单相电机副绕组,为电机副绕组提供移相交流电流,电机运转正常时与副绕组仍串于电路中。
四、电容器的检测
1.固定电容器的检测.
A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。
B检测10PF~001μF固定电容器是否有充电现象,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。
C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。
2.电解电容器的检测
A因为电解电容的容量较一般固定电容大得多,所以,测量时,应针对不同容量选用合适的量程。
根据经验,一般情况下,1~47μF间的电容,可用R×1k挡测量,大于47μF的电容可用R×100挡测量
。
B将万用表红表笔接负极,黑表笔接正极,在刚接触的瞬间,万用表指针即向右偏转较大偏度(对于同一电阻挡,容量越大,摆幅越大),接着逐渐向左回转,直到停在某一位置。
此时的阻值便是电解电容的正向漏电阻,此值略大于反向漏电阻。
实际使用经验表明,电解电容的漏电阻一般应在几百kΩ以上,否则,将不能正常工作。
在测试中,若正向、反向均无充电的现象,即表针不动,则说明容量消失或内部断路;如果所测阻值很小或为零,说明电容漏电大或已击穿损坏,不能再使用。
C对于正、负极标志不明的电解电容器,可利用上述测量漏电阻的方法加以判别。
即先任意测一下漏电阻,记住其大小,然后交换表笔再测出一个阻值。
两次测量中阻值大的那一次便是正向接法,即黑表笔接的是正极,红表笔接的是负极。
D使用万用表电阻挡,采用给电解电容进行正、反向充电的方法,根据指针向右摆动幅度的大小,可估测出电解电容的容量。
3.可变电容器的检测
A用手轻轻旋动转轴,应感觉十分平滑,不应感觉有时松时紧甚至有卡滞现象。
将载轴向前、后、上、下、左、右等各个方向推动时,转轴不应有松动的现象。
B用一只手旋动转轴,另一只手轻摸动片组的外缘,不应感觉有任何松脱现象。
转轴与动片之间接触不良的可变电容器,是不能再继续使用的。
C将万用表置于R×10k挡,一只手将两个表笔分别接可变电容器的动片和定片的引出端,另一只手将转轴缓缓旋动几个来回,万用表指针都应在无穷大位置不动。
在旋动转轴的过程中,如果指针有时指向零,说明动片和定片之间存在短路点;如果碰到某一角度,万用表读数不为无穷大而是出现一定阻值,说明可变电容器动片与定片之间存在漏电现象。
五、电容器的安全与运用
1、电容器的正确选择
(1)应根据电路要求选择电容器的类型。
对于要求不高的低频电路和直流电路,一般可选用纸介电容器,也可选用低频瓷介电容器。
在高频电路中,当电气性能要求较高时,可选用云母电容器、高频瓷介电容器或穿心瓷介电容器。
在要求较高的中频及低频电路中,可选用塑料薄膜电容器。
在电源滤波、去耦电路中,一般可选用铝电解电容器。
对于要求可靠性高、稳定性高的电路中,应选用云母电容器、漆膜电容器或钽电解电容器。
对于高压电路,应选用高压瓷介电容器或其他类型的高压电容器。
对于调谐电路,应选用可变电容器及微调电容器。
(2)合理确定电容器的电容量及允许偏差。
在低频的耦合及去耦电路中,一般对电容器的电容量要求不太严格,只要按计算值选取稍大一些的电容量便可以了。
在定时电路、振荡回路及音调控制等电路中,对电容器的电容量要求较为严格,因此选取电容量的标称值应尽量与计算的电容值相一致或尽量接近,应尽量选精度高的电容器。
在一些特殊的电路中,往往对电容器的电容量要求非常精确,此时应选用允许偏差在±0.1%~±0.5%范围内的高精度电容器。
(3)选用电容器的工作电压应符合电路要求。
一般情况下,选用电容器的额定电压应是实际工作电压的1.2~1.3倍。
对于工作环境温度较高或稳定性较差的电路,选用电容器的额定电压应考虑降额使用,留有更大的余量才好。
若电容器所在电路中的工作电压高于电容器的额定电压,往往电容器极易发生击穿现象,使整个电路无法正常工作。
电容器的额定电压一般是指直流电压,若要用于交流电路,应根据电容器的特性及规格选用;若要用于脉动电路,则应按交、直流分量总和不得超过电容器的额定电压来选用。
(4)优先选用绝缘电阻大、介质损耗小、漏电流小的电容器。
(5)应根据电容器工作环境选择电容器。
电容器的性能参数与使用环境的条件密切相关,因此在选用电容器时应注意:
●在高温条件下使用的电容器应选用工作温度高的电容器;
●在潮湿环境中工作的电路,应选用抗湿性好的密封电容器;
●在低温条件下使用的电容器,应选用耐寒的电容器,这对电解电容器来说尤为重要,因为普通的电解电容器在低温条件下会使电解液结冰而失效。
●选用电容器时应考虑安装现场的要求。
电容器的外形有很多种,选用时应根据实际情况来选择电容器的形状及引脚尺寸。
例如,作为高频旁路用的电容器最好选用穿心式电容器,这样不但便于安装,又可兼作接线柱使用。
2、电容器的使用方法及注意事项
(1)在电容器使用之前,应对电容器的质量进行检查,以防不符合要求的电容器装入电路。
(2)在设计元件安装时,应使电容器远离热源,否则会使电容器温度过高而过早老化。
在安装小容量电容器及高频回路的电容器时,应采用支架将电容器托起,以减少分布电容对电路的影响。
(3)将电解电容器装入电路时,一定要注意它的极性不可接反,否则会造成漏电流大幅度的上升,使电容器很快发热而损坏。
(4)焊接电容器的时间不易太长,因为过长时间的焊接温度会通过电极引脚传到电容器的内部介质上,从而使介质的性能发生变化。
(5)电解电容器经长期储存后需要使用时,不可直接加上额定电压,否则会有爆炸的危险。
正确的使用方法是:
先加较小的工作电压,再逐渐升高电压直到额定电压并在此电压下保持一个不太长的时间,然后再投入使用。
(6)在电路中安装电容器时,应使电容器的标志安装在易于观察的位置,以便核对和维修。
(7)电容器并联使用时,其总的电容量等于各容量的总合,但应注意电容器并联后的工作电压不能超过其中最低的额定电压。
(8)电容器的串联可以增加耐压。
如果两只容量相同的电容器串联,其总耐压可以增加一倍;如果两只容量不等的电容器串联,电容量小的电容器所承受的电压要高于容量大的电容器。
(9)有极性的电解电容器不允许在负压下使用,若超过此规定时,应选用无极性的电解电容器或将两个同样规格的电容器的负极相连,两个正极分别接在电路中,此时实际的电容量为两个电容器串联后的等效电容量。
(10)当电解电容器在较宽频带内作滤波或旁路使用时,为了改变高频特性,可为电解电容器并联一只小容量的电容器,它可以起到旁路电解电容器的作用。
(11)在500MHz以上的高频电路中,应采用无引线的电容器。
若采用有引线的电容器,其引出线应愈短愈好。
(12)几只大容量电容器串联作滤波或旁路使用时,电容器的漏电流会影响电压的分配,有可能会导致某个电容器击穿。
此时可在每只电容器的两端并联一阻值小于电容器绝缘电阻的电阻器,以确保每只电容器分压均匀。
电阻器的阻值一般在100kΩ~lMΩ之间。
(13)使用可变电容器时,转动转轴时松紧程度应适中,有过紧或松动现象的电容器不要使用。
除此之外,有碰片现象或短路的电容器也不应使用。
(14)使用微调电容器时,要注意微调机构的松紧程度,调节过松的电容器的容量不会稳定,而调节过紧的电容器极易发生调节时的损坏。
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