电容的主要参数与选用

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一、概述
电容器是由两个金属电极中间夹一层电解质构成的电子元件。在两个电极上加电压时,电极尚就储存电荷,所以说电容器是充放电荷的电子元件。电容器储存电荷量的多少,取决于电容器的电容量,电容量在数值上是等于一个导电极上的电荷量与两块极板之间的电位差之比。即

C=Q/U

其中Q为一个极板上的电荷量,单位为C(库伦);U为两块极板之间的电位差,单位为V(伏特);C为电容量,单位为F(法拉)。

电容量是电容器的基本参数之一,它与电容器极板得有效面积、绝缘介质的介电常数、极板之间的距离有关。电介质的介电常数越大,电容器两个极板得有效面积越大,电容量就越大。当电容器的两个极板间的距离越远,电容量就越小。

电容量代码

C:电容器的电容量

由电极面积A [m2],介质厚度d [m]以及相对介电常数εr来表示

ε0:介质在真空状态下的介电常数(=8.85×10-12 F/M)

电容器能够被充电和放电,也就是存储电能和释放电能,其两端的电压不能突变。正因如此,如果把电容器接在直流电路中,则只有在电源开启和接通时,电容器充放电两个短暂过程中,电路上存在电流。就稳态而言,直流电流不能通过电容器,相当于开路。如果把电容器接在交流或脉冲直流电路中,由于不停的充电放电,便使电流能够通过电容器,并且具有类似电阻那样阻碍电流(由电荷的变率、容量和工作频率决定)的作用。所以,电容器被广泛应用于各种耦合、旁路、滤波、调谐以及脉冲电路中。

二、电容器的种类
电容器通常叫做电容。因电容的用途、结构及材料不同,电容的种类很多。根据电容的结构和容量是否可调,可将电容分为3大类:固定电容、半可变(微调)电容、可变电容。

电容器的性能、结构用途等在很大程度上取决于电容器的介质,因此,电解质常以电解质来分类。可大致分为:有机介质(包括复合介质)电容器,如纸介电容器、塑料薄膜电容器、纸膜复合介质电容器、薄膜复合介质电容器等;无机介质电容器,如云母电容器、玻璃釉电容器、陶瓷电容器等;气体介质电容器,如空气电容器、真空电容器、充气式电容器等;电解电容器,如铝电解电容器、铌电解电容器等。

2.1  纸介电容器
是以纸为介质的电容器。用带状的两层铝箔或锡箔中间夹垫浸过石蜡的纸卷成圆筒状,再装入纸壳或玻璃(陶瓷)管中,两端用沥青或火漆一类的绝缘材料封装而制成。常见纸介电容器封装形式有玻璃外壳、陶瓷外壳和金属外壳几种。其容量范围在几十皮法(pF)到几微法(μF)之间。耐压有250V、400V和600V等几种,容量误差一般为±5%、±10%、±20%。

这种电容器的生产工艺简单,因其电容量范围宽、工作电压高及成本低而被广泛应用。目前大量生产的各类纸介电容器的额定电压在630V-30kV,电容量在几百皮法到几十微法。其缺点是损耗大,稳定性差,所以主要应用在低频电路或直流电路中。

2.2  涤纶电容器
涤纶电容器的电容量大,工作电压宽,电容量从几皮法到几百微法,额定电压有63V、100V和160V几种。另有一种金属化涤纶电容器的电容量范围可以更宽,工作电压甚至可达上万伏。

涤纶电容器的介电常数较大,耐热性好,工作温度可达120~130℃;缺点是损耗脚正切值较大,可代替纸介电容器,一般用于直流及脉动电路中,不宜在高频电路中使用。涤纶电容器是有机介质薄膜电容器中产量最大的一种,应用很广,可用在各种电子仪器仪表、电视机和收录机的耦合、退耦、旁路、各直流等电路中。

2.3  聚苯乙烯电容器
额定直流电压范围宽,从几百到数千伏;精度可达5‰。其最大特点是绝缘电阻高,一般在10000MΩ以上。高频损耗小,电容量稳定,缺点是工作温度范围不宽,上限为+75℃。

2.4  聚丙烯电容器
具优良的高频绝缘性能,电容量和损耗脚正切值在很大频率范围内与频率变化无关,与温度变化的关系也很小,而介电强度随温度上升而有所增加。其耐温性好,吸收系数小,机械性能也比聚苯乙烯好。常用于电视机、仪器仪表的高频电路中作积分电容,也可用在其它交流电路中。

2.5  漆膜电容器
最突出的优点是体积小,容量大。温度特性和容量稳定性都优于涤纶电容器,它在电路中可取代部分电解电容器,性能也比电解电容器好的多。缺点是工作电压不易做得很高,一般工作电压为直流40V。

2.6  叠片形金属化聚碳酸酯电容器
无感式结构的有机介质电容器,特点是高频损耗小、自愈能力强、耐脉冲性、无感、电容量大。此种电容器性能优良,易于自动化生产。广泛应用于收音机、电视机、和录音机中。

2.7  云母电容器
云母是一种较理想的介质材料。具很高的绝缘性能,能耐高温,介质损耗小。云母电容器具很好的电气性能,主要优点是:损耗小、频率稳定性好、高频特性好。

2.8  瓷介电容器
瓷介电容器电气性能优异,同时因材料来源丰富,价格低廉。瓷介电容器优点:体积小、稳定性好、绝缘性能优良;因陶瓷材料温度系数范围很宽,可制成不同温度系数的电容器,在电路中作温度补偿电容器。缺点是:机械强度低、易碎易裂。

2.9  玻璃釉电容器
优点是体积小、损耗角正切值较小、能在较高温度下工作、抗潮性能好;适合于半导体电路和小型电子仪器的直流电路和脉冲电路中使用。

2.10   电解电容器
电解电容器的介质是一层极薄的附着在金属极板上的氧化膜。金属板为铝、钽、铌等,附着有氧化膜的金属极片为阳极,阴极则是液体、半液体或胶状的电解液。电解液除了作为阴极外,还起到修补氧化膜介质的作用。而电解电容器的一些性质主要取决于氧化膜和电解液。电解电容器虽具有极性,但在结构和工艺上采取措施后,也可制造出无极性的或用于交流的电解电容器。

电解电容器的负极是电解质,其电阻率较高,且随温度和频率变化发生很大变化,故电容器的损耗角正切值较大,工作温度受到很大限制。

三、电容器的主要参数
3.1  容量与误差
电容量即电容加上电荷后储存电荷的能力大小。电容量误差是指其实际容量与标称容量间的偏差。

表1 常用固定电容允许误差的等级

3.2 额定工作电压
额定工作电压是该电容器在电路中能够长期可靠地工作而不被击穿所能承受的最大直流电压(又称耐压)。它与电容器的结构、介质材料和介质的厚度有关。一般来说,对于结构、介质相同,容量相等的电容器,其耐压值越高,体积也越大。

当在电容器的两极板间施加电压之后,极板间的电解质便处于电场中,本来是中性的电介质,由于外电场力的作用,介质分子内的正负电荷将在空间位置上发生少许偏移(如负电荷逆电场方向移动),形成所谓的电偶极子,也就是介质内部出现了电场,破坏了原来的电中性状态。这种现象叫做电解质的极化。可见,极化状态下的介质是带负电荷的,但这些电荷依然受介质本身的束缚而不能自由移动,介质的绝缘性能尚未遭到破坏,只有少数电荷脱离束缚而形成很小的漏电流。

如果外加电压不断加强,最后将使极化电荷大量脱离束缚,引起漏电流大大增加,于是介质的绝缘性能遭到破坏,使两个极板短接,完全丧失电容的作用。这种现象称为介质击穿。介质击穿之后,电容器被毁坏。因此电容器的工作电压要有一定限制,不能随意增加。

表2  常用固定电容的直流电压系列

3.3  温度系数
电容器电容量随温度变化的大小用温度系数(在一定温度范围内,温度每变化1℃,电容量的相对变化值)来表示。

3.4  绝缘电阻
电容器漏电的大小用绝缘电阻来衡量。电容器漏电越小越好,也就是绝缘电阻越大越好。一般小电容器的绝缘电阻很大,可达几百兆欧或几千兆欧。电解电容器的绝缘电阻一般较小。

3.5  损耗
在电场作用下,电容器单位时间内发热而消耗的能量叫电容器的损耗。

理想电容器在电路中不应消耗能量。但在实际上,电容器或多或少都要消耗能量。其能量消耗主要由介质损耗和金属部分的损耗组成,通常用损耗角正切值来表示。

3.6  频率特性
电容器的频率特性通常是指电容器的电参数(如电容量、损耗角正切值等)随电场频率而变化的性质。在高频下工作的电容器,由于介电常数在高频时比低频时小,因此电容量将相应地减小。与此同时,它的损耗将随频率的升高而增加。此外在高频工作时,电容器的分布参数,如极片电阻、引线和极片接触电阻,极片的自身电感,引线电感等,都将影响电容器的性能,由于这些因素的影响,使得电容器的使用频率受到限制。

不同品种的电容器,最高使用频率范围不同。小型云母电容器在250MHz以内,圆片型瓷介电容器最高工作频率为300MHz, 圆管型瓷介电容器最高工作频率为200MHz, 圆盘型瓷介电容器最高工作频率为3000MHz。。。。。。

四、电容器的正确选用
4.1  选择合适的型号
一般在电路中用于低频耦合、旁路去耦等,电气性能要求不严格时可以采用纸介电容器、电解电容器等。

低频放大器的耦合电容器,选用1-22μF的电解电容器。旁路电容器根据电路工作频率来选,如在低频电路中,发射极旁路电容选用电解电容器,容量在10~220μF之间,在中频电路中可选用0.01~0.1μF的纸介、金属化纸介、有机薄膜电容器等;在高频电路中,则应选用云母电容器和瓷介电容器。

在电源滤波和退耦电路中,可选用电解电容器。因为在这些场合中对电容器的要求不高,只要体积允许、容量足够就可以。

4.2  合理选择电容器的精度
在旁路、退耦、低频耦合电路中,一般对电容器的精度没有很严格要求,选用时可根据设计值,选用相近容量或容量略大些的电容器。

但在另一些电路中,如振荡回路、延时回路、音调控制电路中,电容器的容量就应尽可能和计算值一致。在各种滤波器和各种网络中,对电容量的精度有更高要求,应选用高精度的电容器来满足电路的要求。

4.3  确定电容器的额定工作电压
电容器的额定工作电压应高于实际工作电压,并留有足够余量,以防因电压波动而导致损坏。一般而言,应使工作电压低于电容器的额定工作电压的10%~20%。在某些电路中,电压波动幅度较大,可留有更大的余量。

电容器的额定工作电压通常是指直流值。如果直流中含有脉动成分,该脉动直流的最大值应不超过额定值;如果工作于交流,此交流电压的最大值应不超过额定值。并且随着工作频率的升高,工作电压应降低。

有极性的电容器不能用于交流电路。电解电容器的耐温性能很差,如果工作电压超过允许值,介质损耗将增大,很容易导致温升过高,最终导致损坏。一般说来,电容器工作时只允许出现较低温升,否则属于不正常现象。因此,在设备安装时,应尽量远离发热元件(如大功率管、变压器等)。如果工作环境温度较高,则应降低工作电压使用。

一般小容量的电容器介质损耗很小,耐温性能和稳定性都比较好,但电路对它们的要求往往也比较高,因此选择额定工作电压时仍应留有一定的余量,也要注意环境工作温度的影响。

4.4  尽量选用绝缘电阻大的电容器
绝缘电阻越小的电容器,其漏电流就越大,漏电流不仅损耗了电路中的电能,重要的是它会导致电路工作失常或降低电路的性能。漏电流产生的功率损耗,会使电容器发热,而其温度升高,又会产生更大的漏电流,如此循环,极易损坏电容器。因此在选用电容器时,应选择绝缘电阻足够高的电容器,特别是高温和高压条件下使用的电容器,更是如此。另外,作为电桥电路中的桥臂、运算元件等场合,绝缘电阻的高低将影响测量、运算等的精度,必须采用高绝缘电阻值的电容器。电容器的损耗在许多场合也直接影响到电路的性能,在滤波器,中频回路、振荡回路等电路中,要求损耗尽可能小,这样可以提高回路的品质因数,改善电路的性能。

4.5  考虑温度系数和频率特性
电容器的温度系数越大,其容量随温度的变化越大,这在很多电路是不允许的。例如振荡电路中的振荡回路元件、移相网络元件、滤波器等,温度系数大,会使电路产生漂移,造成电路工作的不稳定。这些场合应选用温度系数小的电容器,以确保其能稳定工作。

另外在高频应用时,由于电容器自身电感、引线电感和高频损耗的影响,电容器的性能会变差。频率特性差的电容器不仅不能发挥其应有的作用,而且还会带来许多麻烦。例如,纸介电容器的分布电感会使高频放大器产生超高频寄生反馈,使电路不能工作。所以选用高频电路的电容器时,一要注意电容器的频率参数,二是使用中注意电容器的引线不能留得过长,以减小引线电感对电路的不良因影响。

4.6  注意使用环境
使用环境的好坏,直接影响电容器的性能和寿命。在工作温度较高的环境中,电容器容易产生漏电并加速老化。因此在设计和安装时,因尽可能使用温度系数小的电容器,并远离热源和改善机内通风散热,必要时,应强迫风冷。在寒冷条件下,由于气温很低,普通电解电容器会因电解液结冰而失效,使设备工作失常,因此必须使用耐寒的电解电容器。

在多风沙条件下或在湿度较大的环境下工作时,则应选用密封型电容器,以提高设备的防尘抗潮性能。

表3 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

文章转载自: 硬件十万个为什么

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