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電容器

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兩個相互靠近的導體,中間夾一層不導電的絕緣介質,這就構成了電容器。當電容器的兩個極板之間加上電壓時,電容器就會儲存電荷。電容器的電容量在數值上等於一個導電極板上的電荷量與兩個極板之間的電壓之比。電容器的電容量的基本單位是法拉(F)。在電路圖中通常用字母C表示電容元件 [1] 
電容器在調諧旁路耦合濾波等電路中起着重要的作用。晶體管收音機的調諧電路要用到它,彩色電視機的耦合電路旁路電路等也要用到它。 [1] 
隨着電子信息技術的日新月異,數碼電子產品的更新換代速度越來越快,以平板電視(LCD和PDP)、筆記本電腦數碼相機等產品為主的消費類電子產品產銷量持續增長,帶動了電容器產業增長。 [2] 
中文名
電容器
外文名
capacitor
電容器用途
容納電荷的器件
電容決定式
C=εS/4πkd
符    號
C
容量表示
直標法等
電容定義式
C=Q/U
單    位
法拉(F)

電容器簡介

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電容器是儲存電量電能電勢能)的元件。一個導體被另一個導體所包圍,或者由一個導體發出的電場線全部終止在另一個導體的導體系,稱為電容器。 [3] 
平行板電容器的電容公式:
電容公式及其與其他物理量的關係 電容公式及其與其他物理量的關係
其中,UA-UB為兩平行板間的電勢差,εr相對介電常數,k為靜電力常量,S為兩板正對面積,d為兩板間距離。説明:平行板電容器內的電場是勻強電場。 [3] 
電容與電容器不同。電容為基本物理量,符號C,單位為F(法拉)。 [3] 
通用公式C=Q/U,平行板電容器專用公式:板間電場強度E=U/d。 [3] 

電容器電容器主要參數

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(1)標稱電容量,為標誌在電容器上的電容量。但電容器實際電容量與
電容充電過程 電容充電過程
標稱電容量是有偏差的,精度等級與允許誤差有對應關係。一般電容器常用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級,電解電容器用Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級表示容量精度,根據用途選取。電解電容器的容值,取決於在交流電壓下工作時所呈現的阻抗,隨着工作頻率、温度電壓以及測量方法的變化,容值會隨之變化。電容量的單位為F(法)。 [4] 
純電容的交流電路 純電容的交流電路 [17]
電容器既然是一種儲存電荷的“容器”,就有“容量”大小的問題。為了衡量電容器儲存電荷的能力,確定了電容量這個物理量。電容器必須在外加電壓的作用下才能儲存電荷。不同的電容器在電壓作用下儲存的電荷量也可能不相同。國際上統一規定,給電容器外加1伏特直流電壓時,它所能儲存的電荷量,為該電容器的電容量(即單位電壓下的電量),用字母C表示。電容量的基本單位為法拉(F)。在1伏特直流電壓作用下,如果電容器儲存的電荷為1庫侖,電容量就被定為1法拉,法拉用符號F表示,1F=1Q/V。在實際應用中,電容器的電容量往往比1法拉小得多,常用較小的單位,如毫法(mF)、微法(μF)、納法(nF)、皮法(pF)等,它們的關係是:1微法等於百萬分之一法拉;1皮法等於百萬分之一微法,即: [5] 
1法拉(F)=1000毫法(mF);1毫法(mF)=1000微法(μF);1微法(μF)=1000納法(nF);1納法(nF)=1000皮法(pF);即:1F=1000000μF;1μF=1000000pF。 [5] 
(2)額定電壓,為在最低環境温度和額定環境温度下可連續加在電容器的最高直流電壓。如果工作電壓超過電容器的耐壓,電容器將被擊穿,造成損壞。在實際中,隨着温度的升高,耐壓值將會變低。 [4] 
(3)絕緣電阻。直流電壓加在電容上,產生漏電電流,兩者之比稱為絕緣電阻。當電容較小時,其值主要取決於電容的表面狀態;容量大於0.1μF時,其值主要取決於介質。通常情況,絕緣電阻越大越好。 [4] 
(4)損耗。電容在電場作用下,在單位時間內因發熱所消耗的能量稱做損耗。損耗與頻率範圍、介質、電導、電容金屬部分的電阻等有關。 [4] 
(5)頻率特性。隨着頻率的上升,一般電容器的電容量呈現下降的規律。當電容工作在諧振頻率以下時,表現為容性;當超過其諧振頻率時,表現為感性,此時就不是一個電容而是一個電感了。所以一定要避免電容工作於諧振頻率以上。 [4] 

電容器作用

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電容器 電容器
直流電路中,電容器是相當於斷路的。電容器是一種能夠儲藏電荷的元件,也是最常用的電子元件之一。 [6] 
這得從電容器的結構上説起。最簡單的電容器是由兩端的極板和中間的絕緣電介質(包括空氣)構成的。通電後,極板帶電,形成電壓(電勢差),但是由於中間的絕緣物質,所以整個電容器是不導電的。不過,這樣的情況是在沒有超過電容器的臨界電壓擊穿電壓)的前提條件下的。我們知道,任何物質都是相對絕緣的,當物質兩端的電壓加大到一定程度後,物質都是可以導電的,我們稱這個電壓為擊穿電壓。電容也不例外,電容被擊穿後,就不是絕緣體了。不過在中學階段,這樣的電壓在電路中是見不到的,所以都是在擊穿電壓以下工作的,可以被當做絕緣體看。 [6] 
但是,在交流電路中,因為電流的方向是隨時間成一定的函數關係變化的。而電容器充放電的過程是有時間的,這個時候,在極板間形成變化的電場,而這個電場也是隨時間變化的函數。實際上,電流是通過電場的形式在電容器間通過的。 [6] 
電容器的作用:
耦合:用在耦合電路中的電容稱為耦合電容,在阻容耦合放大器和其他電容耦合電路中大量使用這種電容電路,起隔直流通交流作用。 [6] 
濾波:用在濾波電路中的電容器稱為濾波電容,在電源濾波和各種濾波器電路中使用這種電容電路,濾波電容將一定頻段內的信號從總信號中去除。 [6] 
退耦:用在退耦電路中的電容器稱為退耦電容,在多級放大器的直流電壓供給電路中使用這種電容電路,退耦電容消除每級放大器之間的有害低頻交連。 [6] 
●高頻消振:用在高頻消振電路中的電容稱為高頻消振電容,在音頻負反饋放大器中,為了消振可能出現的高頻自激,採用這種電容電路,以消除放大器可能出現的高頻嘯叫。 [6] 
諧振:用在LC諧振電路中的電容器稱為諧振電容,LC並聯和串聯諧振電路中都需這種電容電路。 [6] 
旁路:用在旁路電路中的電容器稱為旁路電容,電路中如果需要從信號中去掉某一頻段的信號,可以使用旁路電容電路,根據所去掉信號頻率不同,有全頻域(所有交流信號)旁路電容電路和高頻旁路電容電路。 [6] 
●中和:用在中和電路中的電容器稱為中和電容。在收音機高頻和中頻放大器,電視機高頻放大器中,採用這種中和電容電路,以消除自激。 [6] 
定時:用在定時電路中的電容器稱為定時電容。在需要通過電容充電、放電進行時間控制的電路中使用定時電容電路,電容起控制時間常數大小的作用。 [6] 
積分:用在積分電路中的電容器稱為積分電容。在電勢場掃描的同步分離電路中,採用這種積分電容電路,可以從場複合同步信號中取出場同步信號。 [6] 
微分:用在微分電路中的電容器稱為微分電容。在觸發器電路中為了得到尖頂觸發信號,採用這種微分電容電路,以從各類(主要是矩形脈衝)信號中得到尖頂脈衝觸發信號。 [6] 
補償:用在補償電路中的電容器稱為補償電容,在卡座的低音補償電路中,使用這種低頻補償電容電路,以提升放音信號中的低頻信號,此外,還有高頻補償電容電路。 [6] 
自舉:用在自舉電路中的電容器稱為自舉電容,常用的OTL功率放大器輸出級電路採用這種自舉電容電路,以通過正反饋的方式少量提升信號的正半周幅度。 [6] 
分頻:在分頻電路中的電容器稱為分頻電容,在音箱的揚聲器分頻電路中,使用分頻電容電路,以使高頻揚聲器工作在高頻段,中頻揚聲器工作在中頻段,低頻揚聲器工作在低頻段。 [6] 
負載電容:是指與石英晶體諧振器一起決定負載諧振頻率的有效外界電容。負載電容常用的標準值有16pF、20pF、30pF、50pF和100pF。負載電容可以根據具體情況作適當的調整,通過調整一般可以將諧振器的工作頻率調到標稱值。 [6] 

電容器型號

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電容器型號命名

國產電容器的型號一般由四部分組成(不適用於壓敏、可變、真空電容器),依次分別代表名稱、材料、分類和序號。 [7] 
第一部分:名稱,用字母表示,電容器用C。 [7] 
第二部分:材料,用字母表示。 [7] 
注:A-鉭電解、B-聚苯乙烯等非極性薄膜、C-高頻陶瓷、D-鋁電解、E-其它材料電解、G-合金電解、H-複合介質、I-玻璃釉、J-金屬化紙、L-滌綸等極性有機薄膜、N-鈮電解、O-玻璃膜、Q-漆膜、T-低頻陶瓷、V-雲母紙、Y-雲母、Z-紙介。 [7] 
第三部分:分類,一般用數字表示,個別用字母表示。 [7] 
注:T-電鐵、W-微調、J-金屬化、X-小型、S-獨石、D-低壓、M-密封。 [8] 
數字表示如下: [9] 
型號
符號
瓷介
雲母
有機
電解
1
圓形
非密封
非密封
箔式
2
管形
非密封
非密封
箔式
3
疊片
密封
密封
燒結粉液體
4
獨石
密封
密封
燒結粉液體
5
穿心
/
穿心
/
6
支柱形
/
/
/
7
/
/
/
無極性
8
高壓
高壓
高壓
/
9
/
/
特殊
特殊
第四部分:序號,用數字或字母表示。 [7]  包括品種、尺寸代號、温度特性、直流工作電壓、標稱值、允許誤差、標準代號。 [8] 

電容器容量標示

1.直標法
用數字和單位符號直接標出。如1
表示1微法,有些電容用“R”表示小數點,如R56表示0.56微法。 [10] 
2.文字符號法
用數字和文字符號有規律的組合來表示容量。如p10表示0.1pF、1p0表示1pF、6P8表示6.8pF、2u2表示2.2uF。 [10] 
3.色標法
用色環或色點表示電容器的主要參數。電容器的色標法與電阻相同。 [10] 
4.數學計數法:數學計數法一般是三位數字,第一位和第二位數字為有效數字,第三位數字為倍數。 [10] 

電容器分類

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根據分析統計,電容器主要分為以下10類:
1.按照結構分三大類:固定電容器可變電容器微調電容器 [6] 
4.按製造材料的不同可以分為:瓷介電容滌綸電容電解電容鉭電容,還有先進的聚丙烯電容等等。 [6] 

電容器種類舉例

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電容器鋁電解電容器

用浸有糊狀電解質的吸水紙夾在兩條鋁箔中間卷繞而成,薄的氧化膜作介質的電容器。因為氧化膜有單向導電性質,所以電解電容器具有極性。其特點如下: [11] 
1. 容量大,能耐受大的脈動電流。 [11] 
2. 容量誤差大,泄漏電流大;普通的不適於在高頻和低温下應用,不宜使用在25kHz以上頻率。 [11] 
3. 低頻旁路、信號耦合、電源濾波。 [11] 

電容器鉭電解電容器

用燒結的鉭塊作正極,電解質使用固體二氧化錳。温度特性、頻率特性和可靠性均優於普通電解電容器,特別是漏電流極小,貯存性良好,壽命長,容量誤差小,而且體積小,單位體積下能得到最大的電容電壓乘積。其對脈動電流的耐受能力差,若損壞易呈短路狀態。常應用於超小型高可靠機件中。 [11] 

電容器自愈式並聯電容器

結構與紙質電容器相似,但用聚脂、聚苯乙烯等低損耗塑材作介質。特點如下: [11] 
1. 頻率特性好,介電損耗小。 [11] 
2. 不能做成大的容量,耐熱能力差。 [11] 
3. 濾波器、積分、振盪、定時電路。

電容器瓷介電容器

穿心式或支柱式結構瓷介電容器,它的一個電極就是安裝螺絲。引線電感極小,頻率特性好,介電損耗小,有温度補償作用。 [11] 
1. 不能做成大的容量,受振動會引起容量變化。 [11] 
2. 特別適於高頻旁路。 [11] 

電容器獨石電容器(多層陶瓷電容器)

在若干片陶瓷薄膜坯上被覆以電極槳材料,疊合後一次繞結成一塊不可分割的整體,外面再用樹脂包封而成。是一種小體積、大容量、高可靠和耐高温的新型電容器。高介電常數的低頻獨石電容器也具有穩定的性能,體積極小,容量誤差較大。一般是用兩條鋁箔作為電極,中間以厚度為0.008~0.012mm的電容器紙隔開重疊卷繞而成。製造工藝簡單,價格便宜,能得到較大的電容量。 [11] 

電容器金屬化聚丙烯電容器

一般在低頻電路內,通常不能在高於3~4MHz的頻率上運用。油浸電容器的耐壓比普通紙質電容器高,穩定性也好,適用於高壓電路微調電容器(半可變電容器) 電容量可在某一小範圍內調整,並可在調整後固定於某個電容值。 [11] 
瓷介微調電容器的電荷量高,體積也小,通常可分為圓管式及圓片式兩種。雲母和聚苯乙烯介質的通常都採用彈簧式東,結構簡單,但穩定性較差。線繞瓷介微調電容器是拆銅絲〈外電極〉來變動電容量的,故容量只能變小,不適合在需反覆調試的場合使用。 [11] 

電容器陶瓷電容器

用高介電常數的電容器陶瓷〈鈦酸鋇一氧化鈦〉擠壓成圓管、圓片或圓盤作為介質,並用燒滲法將銀鍍在陶瓷上作為電極製成。它又分高頻瓷介和低頻瓷介兩種。具有小的正電容温度係數的電容器,用於高穩定振盪迴路中,作為迴路電容器及墊整電容器。 [11] 
低頻瓷介電容器限於在工作頻率較低的迴路中作旁路或隔直流用,或對穩定性和損耗要求不高的場合〈包括高頻在內〉。這種電容器不宜使用在脈衝電路中,因為它們易於被脈衝電壓擊穿。 [11] 

電容器高頻瓷介電容器

適用於高頻電路雲母電容器,就結構而言,可分為箔片式及被銀式。被銀式電極為直接在雲母片上用真空蒸發法或燒滲法鍍上銀層而成,由於消除了空氣間隙,温度係數大為下降,電容穩定性也比箔片式高。頻率特性好,電荷量值高,温度係數小,不能做成大的容量。廣泛應用在高頻電器中,並可用作標準電容器。 [11] 

電容器玻璃釉電容器

由一種濃度適於噴塗的特殊混合物噴塗成薄膜而成,介質再以銀層電極經燒結而成"獨石"結構,性能可與雲母電容器媲美,能耐受各種氣候環境,一般可在200℃或更高温度下工作,額定工作電壓可達500V。 [11] 

電容器固定電容器的檢測方法

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1. 檢測10pF以下的小電容:因10pF以下的固定電容器容量太小,用萬用表進行測量,只能定性的檢查其是否有漏電,內部短路或擊穿現象。測量時,可選用萬用表R×10k擋,用兩表筆分別任意接電容的兩個引腳,阻值應為無窮大。若測出阻值(指針向右擺動)為零,則説明電容漏電損壞或內部擊穿。 [12] 
2. 檢測10PF~001μF固定電容器:通過判斷是否有充電現象,進而判斷其好壞。萬用表選用R×1k擋。兩隻三極管的β值均為100以上,且穿透電流要小。可選用3DG6等型號硅三極管組成複合管。萬用表的紅和黑表筆分別與複合管的發射極e和集電極c相接。由於複合三極管的放大作用,把被測電容的充放電過程予以放大,使萬用表指針擺幅度加大,從而便於觀察。 [12] 
應注意的是:在測試操作時,特別是在測較小容量的電容時,要反覆調換被測電容引腳接觸A、B兩點,才能明顯地看到萬用表指針的擺動。對於001μF以上的固定電容,可用萬用表的R×10k擋直接測試電容器有無充電過程以及有無內部短路或漏電,並可根據指針向右擺動的幅度大小估計出電容器的容量。 [12] 

電容器充放電

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(1)充電的過程。
使電容器帶電(儲存電荷和電能)的過程稱為充電。把電容器的一個極板接電源的正極,另一個極板接電源的負極,兩個極板就分別帶上了等量的異種電荷。充電後電容器的兩極板之間就有了電場,充電過程把從電源獲得的電能儲存在電容器中。 [13] 
(2)放電的過程。
使充電後的電容器失去電荷(釋放電荷和電能)的過程稱為放電。例如,用一根導線把電容器的兩極接通,兩極上的電荷互相中和,電容器就會放出電荷和電能。放電後電容器的兩極板之間的電場消失,電能轉化為其他形式的能。 [13] 
電池自放電是指在開路狀態下電池存儲電荷的保持能力。鋰離子電池的自放電類型可分為物理自放電和化學自放電。電池單體通過串聯、並聯的方式組成模組,若模組內單體自放電一致性差,則會導致模組在存儲一段時間後出現內部單體端電壓不一致的現象,致使模組在充放電過程中出現部分單體已達到目標電壓,而另一部分單體仍處於較高或較低電壓的現象,導致單體過充電或過放電,甚至產生安全問題,這也是對模組電壓均衡能力的一種挑戰。自放電是鋰離子電容器的一項重要性能指標。 [18] 

電容器故障處理

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1. 電容器的常見故障。當發現電容器的下列情況之一時應立即切斷電源。 [14] 
(1)電容器外殼膨脹或漏油。 [14] 
(2)套管破裂,發生閃絡有火花。 [14] 
(3)電容器內部聲音異常。 [14] 
(4)外殼温升高於55℃以上示温片脱落。 [14] 
2. 電容器的故障處理
(1)當電容器爆炸着火時,就立即斷開電源,並用砂子和乾式滅火器滅火。 [14] 
(2)當電容器的保險熔斷時,應向調度彙報,待取得同意後再拉開電容器的斷路器。切斷電源對其進行放電,先進行外部檢查,如套管的外部有無閃絡痕跡,外殼是否變形,漏油及接地裝置有無短路現象等,並搖測極間及極對地的絕緣電阻值,檢查電容器組接線是否完整、牢固,是否有缺相現象,如未發現故障現象,可換好保險後投入。如送電後保險仍熔斷,則應退出故障電容器,而恢復對其餘部分送電。如果在保險熔斷的同時,斷路器也跳閘,此時不可強送。須待上述檢查完畢換好保險後再投入。 [14] 
(3)電容器的斷路器跳閘,而分路保險未斷,應先對電容器放電三分鐘後,再檢查斷路器電流互感器電力電纜及電容器外部等。若未發現異常,則可能是由於外部故障母線電壓波動所致。經檢查後,可以試投;否則,應進一步對保護全面的通電試驗。通過以上的檢查、試驗,若仍找不出原因,則需按制度辦事,對電容器逐漸進行試驗。未查明原因之前,不得試投。 [14] 
3. 處理故障電容器時的安全事項。由於電容器的兩極具有剩留殘餘電荷的特點,所以,首先應設法將其電荷放盡,否則容易發生觸電事故。處理故障電容器時,首先應拉開電容器組的斷路器及其上下隔離開關,如採用熔斷器保護,則應先取下熔絲管。此時,電容器組雖已經過放電電阻自行放電,但仍會有部分殘餘電荷,因此,必須進行人工放電。放電時,要先將接地線的接地端與接地網固定好,再用接地棒多次對電容器放電,直至無火花和放電聲為止,最後將接地線固定好。同時,還應注意,電容器如果有內部斷線、熔絲熔斷或引線接觸不良時,其兩極間還可能會有殘餘電荷,而在自動放電或人工放電時,這些殘餘電荷是不會被放掉的。故運行或檢修人員在接觸故障電容器前,還應戴好絕緣手套,並用短路線短接故障電容器的兩極以使其放電。另外,對採用串聯接線方式的電容器還應單獨進行放電。 [15] 

電容器超級電容器

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超級電容器又稱為雙電層電容器、電化學電容器,是電化學性能介於傳統電容器和電池的一種新型的電化學儲能裝置。主要包括電極、電解質、集流體和隔離物4個部分 [19]  。它主要是通過雙電層電容和氧化還原反應產生的法拉第準電容存儲能量。一般説來,超級電容器的儲能方式是可逆的,因此可用來解決電池記憶等問題。當前,超級電容器的應用範圍非常廣泛,尤其是在混合動力汽車方面。其作為混合動力汽車的電源,可以很好地滿足汽車在啓動、爬坡和加速時對高功率的需求,從而有效地節約能源並提高電池的使用壽命。 [16] 
對於超級電容器來説,依據不同的內容可有不同的分類方法。首先,根據不同的儲能機理,可將超級電容器分為雙電層電容器和法拉第準電容器兩大類。其中,雙電層電容器主要是通過純靜電電荷在電極表面進行吸附來產生存儲能量。法拉第準電容器主要是通過法拉第準電容活性電極材料(如過渡金屬氧化物和高分子聚合物)表面及表面附近發生可逆的氧化還原反應產生法拉第準電容,從而實現對能量的存儲與轉換。其次,根據電解液種類可分為水系超級電容器和有機系超級電容器兩大類。此外,根據活性材料的類型是否相同,可分為對稱超級電容器和非對稱超級電容器。最後,根據電解液的狀態形式,又可將超級電容器分為固體電解質超級電容器和液體電解質超級電容器兩大類。 [16] 
20世紀60年代,世界上出現了超級電容器,到了20世紀70年代末80年代初,出現了大規模商業化生產超級電容器的形勢。中國的超級電容器技術開發起步較遲,從20世紀80年代開始,相關的企業、高等院校和科研院所陸續開展與超級電容器相關的研究工作$到了20世紀90年代,混合電動轎車迅速發展,作為電動轎車的主要電能存儲單元,超級電容器越來越受到人們的關注。相較於傳統的電容器,超級電容器具有更明顯的優勢。 [19] 
1.高效,它擁有超大的電容量、超寬的工作温度範圍,能夠快速充電、放電。優勢
2.實用,它的使用壽命極長,不用經常維護。
3.環保。與傳統蓄電池相比,它對環境友好,不產生二次污染$因此超級電容器的出現為電能的儲存提供了一種很好的解決方案。
參考資料
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