基礎(chǔ)電子學(xué)系列13 – 電容器的類型

在之前的教程中，我們了解了信號(hào)行為和電容器的作用在一個(gè)電路中。電容器響應(yīng)施加的電壓以靜電場(chǎng)的形式存儲(chǔ)電荷。只要施加的電壓增加（相對(duì)于電容器兩端的電流電壓），它就會(huì)通過允許充電電流進(jìn)行充電，直到其兩端的電壓等于和相反于施加的電壓。只要施加的電壓降低（相對(duì)于電容器兩端的當(dāng)前電壓），它就會(huì)放電，允許放電電流以相反的方向通過它，直到它兩端的電壓等于并與施加的電壓相反。當(dāng)電容器兩端的電壓沒有變化或保持開路時(shí)，電容器會(huì)保持其兩端的電壓。電容器僅在其兩端的電壓發(fā)生變化時(shí)才允許電流通過。對(duì)于恒定的直流電壓，

決定電容器電容的因素

任何電容器基本上都是由介電介質(zhì)隔開的兩個(gè)導(dǎo)電板。下式給出了電容器的電容：

C = ε * A / d
這里的：

C=電容器的電容

ε=電介質(zhì)的絕對(duì)介電常數(shù)

A=彼此平行的導(dǎo)電板的表面積（單位：m2）

d=導(dǎo)電板之間的距離

電容器的電容量與所使用的介電材料的絕對(duì)介電常數(shù)和導(dǎo)電板的有效表面積（導(dǎo)電板的表面積在兩者之間最小）成正比。同時(shí)，它與導(dǎo)電板之間的距離成反比。介電介質(zhì)的絕對(duì)介電常數(shù)與自由空間的絕對(duì)介電常數(shù)有關(guān)，公式如下：

ε = ε 0 * ε r
其中，
ε = 介電材料的絕對(duì)介電常數(shù)
ε 0 = 自由空間或真空的絕對(duì)介電常數(shù)
ε r = 介電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)（相對(duì)于自由空間或真空）

電容器的實(shí)際結(jié)構(gòu)
任何電容器都旨在實(shí)現(xiàn)標(biāo)稱電容，同時(shí)保持電容器的尺寸盡可能小。因此，制造商試圖在構(gòu)造中實(shí)現(xiàn)最大電容。電容器的電容可以通過以下三種方式最大化：

1) 使用合適的介電介質(zhì)——干燥空氣的絕對(duì)介電常數(shù)大約等于自由空間的介電常數(shù)。如果將自由空間的絕對(duì)介電常數(shù)視為 1，則干燥空氣的絕對(duì)介電常數(shù)為 1.0006。通過使用具有更大絕對(duì)介電常數(shù)的介電材料，電容器的電容可以增加許多倍。有多種材料可用作電容器中的電介質(zhì)。下表列出了一些常用的介電材料及其相對(duì)介電常數(shù)（介電常數(shù)）：

使用合適的介電材料，如云母，代替干燥空氣，電容可以增加 5 到 7 倍。

2) 增加表面積——導(dǎo)電板的表面越平行，電容越大。增加表面積的一種方法是多板電容器。在多板電容器中，導(dǎo)電表面設(shè)計(jì)為連接到公共引線的多個(gè)導(dǎo)電片。兩個(gè)導(dǎo)電片陣列成對(duì)，使得在其中一個(gè)導(dǎo)體中，只有外片的一個(gè)表面保持與電介質(zhì)接觸。相反，對(duì)于另一個(gè)導(dǎo)體，外層的兩個(gè)表面都與電介質(zhì)保持接觸。

顯示多板電容器構(gòu)造的圖像

上圖顯示了一個(gè)九板電容器。上述電容器的一根引線有五個(gè)極板，而另一根引線連接有四個(gè)極板。上述電容器的表面積大八倍，因此電容大八倍。下式給出了多極板電容器的電容：

C = ε * (n-1) *A / d
其中n是多極板電容器中極板的數(shù)量，A是每個(gè)極板的表面積。

3) 減小極板之間的距離——可以通過最小化極板之間的距離來增加電容。然而，這方面有實(shí)際限制（如漏電流）。

電容器類型
電容器按其結(jié)構(gòu)中使用的介電材料分類。電容器的構(gòu)造中使用了多種介電材料。以下是一些常見類型的電容器 –

1) 紙
2) 云母
3) 塑料薄膜
4) 玻璃
5) 陶瓷
6) 電解質(zhì)
7) 半導(dǎo)體
8) 變量

極化和非極化電容器
雖然大多數(shù)電容器可以連接在電路中而不考慮施加在它們兩端的電壓的極性，但電解質(zhì)電容器具有正極端子和負(fù)極端子。電解電容器的正極應(yīng)僅連接到電池的正極（電流進(jìn)入電容器的方向），負(fù)極連接到電池的負(fù)極（電流流出電容器的方向）。由于它們?cè)谌魏坞娐分械墓潭O性，電解電容器被稱為極化電容器。不需要固定極性連接的其他類型的電容器稱為非極化電容器。極化電容器只能用于直流應(yīng)用。

電容器的關(guān)鍵性能指標(biāo)
與電阻器或其他電子元件一樣，電容器也具有多種電氣特性和一些非理想特性。在選擇電路電容器時(shí)，這些屬性和特性可能是一個(gè)重要的考慮因素。同樣可以作為電容器的關(guān)鍵性能指標(biāo)。與電容器相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)如下：

1)標(biāo)稱電容——電容器的標(biāo)稱電容是電容器應(yīng)該提供的電容。這是電容器最重要的特性，與工作電壓一起標(biāo)記在其主體上。電容器提供的實(shí)際電容可能與標(biāo)稱電容不同，因?yàn)殡娙輹?huì)隨著應(yīng)用信號(hào)的頻率和環(huán)境溫度而變化。標(biāo)準(zhǔn)電容器的標(biāo)稱電容以微法拉 (10 -6 F)、納法拉 (10 -9 F) 和皮法拉 (10 -12 F)表示。

2)工作電壓– 工作電壓或直流工作電壓是電容器可以在不損壞或損壞的情況下運(yùn)行的最大連續(xù)電壓。這通常是電容器主體上標(biāo)記的直流電壓額定值及其標(biāo)稱電容。AC 信號(hào)通常是指定的 RMS 電壓電平。任何交流信號(hào)的峰值電壓電平都是 RMS 電壓的 1.414 倍。因此，在交流電路中使用電容器時(shí)，其工作電壓相當(dāng)于交流信號(hào)的峰值電壓，而不是均方根電壓。選擇工作電壓至少為給定電路指定電壓的 1.5 倍或兩倍的電容器始終是安全的。標(biāo)準(zhǔn)電容最常見的工作電壓有6.3V、10V、16V、25V、30V、35V、40V、50V、63V、100V、160V、200V、250V、400V、450V、500V和1000V。

3) 形成電壓– 形成電壓或測(cè)試電壓是電容器可以承受的最大電壓。它可以在其制造商提供的電容器的數(shù)據(jù)表中找到。電容器應(yīng)很少暴露在其測(cè)試電壓下。

4)公差——公差表示電容器的實(shí)際電容與其標(biāo)稱電容的變化。通常，電容器具有 10% 或 5% 的電容。一些電容器的公差可低至 1%。根據(jù)預(yù)期應(yīng)用，電容器的容差甚至可以介于 20% 和 80% 之間。對(duì)于低值電容器，電容器的公差表示為以皮法拉為單位的正負(fù)值。相反，它表示為高值電容器的電容變化百分比。

5)漏電流——漏電流是指由于極板上的強(qiáng)靜電場(chǎng)而通過電容器的介電介質(zhì)泄漏的少量電流。漏電流一般以納安為單位。它與電容器中使用的電介質(zhì)的介電常數(shù)（相對(duì)介電常數(shù)）有關(guān)。介電常數(shù)越低，漏電流越大。

漏電流計(jì)入電容器的耗散因數(shù)。通常，漏電流非常低，通常在數(shù)據(jù)表中表示為絕緣或漏電阻。它被建模為通過純電容器泄漏電流的并聯(lián)電阻。在電解電容器中，漏電流非常大，通常在其數(shù)據(jù)表中明確表示為“漏電流”。

當(dāng)電容器必須用于耦合電路或電荷存儲(chǔ)時(shí)，漏電流是一個(gè)重要指標(biāo)。必須用于耦合或存儲(chǔ)電荷的電容器必須具有最小漏電流。漏電流，無論多低，都足以在沒有任何施加電壓的情況下隨時(shí)間對(duì)電容器進(jìn)行完全放電。

6) 極化——注意電解電容器的極化始終很重要。極化電容器的正極端子應(yīng)始終連接到正極連接，負(fù)極端子應(yīng)始終連接到負(fù)極。極化電容器的負(fù)極端子通常由電容器一側(cè)的黑色條帶、帶或箭頭表示。以反極性連接電解電容器會(huì)產(chǎn)生反向電壓，導(dǎo)致大的擊穿電流，可能永久損壞電容器。

7)反向電壓– 反向電壓是與極化電容器相關(guān)的指標(biāo)。它是極化電容器可以承受的反極性最大電壓（或所有峰值直流和交流紋波電壓的總和）。任何超過極化電容器“反向電壓”的反極性電壓都會(huì)對(duì)其造成永久性損壞。

8)紋波電流——紋波電流是電容器可以承受的交流電流的最大有效值。除非另有說明，否則通常指示 120Hz 頻率和 85°C 溫度。通過電容器的紋波電流隨著頻率的增加和環(huán)境溫度的降低而增加。

9)溫度等級(jí)– 電容器的工作溫度范圍通常在 -55°C 至 125°C 之間。工作溫度范圍具體取決于電容器的類型。例如，塑料電容器的低溫范圍為 -30°C 至 70°C，電解電容器的工作溫度范圍為 -40°C/-55°C 至 85°C。溫度變化會(huì)影響電容器的實(shí)際電容、通過它的紋波電流，并可能通過施加環(huán)境挑戰(zhàn)對(duì)電容器施加壓力。例如，在低至 -10°C 的溫度下，電解質(zhì)電容器的電解質(zhì)凝膠開始凍結(jié)。同樣，其他電介質(zhì)也會(huì)因環(huán)境溫度的變化而承受壓力。

10)溫度系數(shù)– 與電阻器一樣，電容器具有正溫度系數(shù)或負(fù)溫度系數(shù)。電容器的溫度系數(shù)以每攝氏度的百萬分率 (PPM) 表示。正溫度系數(shù)通常用字母 P 后跟以 PPM/°C 為單位的額定值表示，如 P100 表示正溫度系數(shù)等于 100 PPM/°C。同樣，負(fù)溫度系數(shù)由字母“N”表示，后跟以 PPM/°C 為單位的額定值。電容器對(duì)于一定溫度范圍可以具有零溫度系數(shù)，這由字母“NPO”表示的溫度系數(shù)表示。

在一些電路中，電容的容差應(yīng)該最小，可以將具有正負(fù)溫度系數(shù)的電容器串聯(lián)或并聯(lián)，以抵消溫度對(duì)電容的影響。也可以連接正負(fù)溫度系數(shù)的電容器，以抵消溫度對(duì)電路其他元件（如電阻器和電感器）的影響。當(dāng)連接正負(fù)溫度系數(shù)的電容器以抵消溫度影響時(shí)，必須進(jìn)行仔細(xì)計(jì)算以找出在一定溫度范圍內(nèi)的有效電容。

11)等效串聯(lián)電阻 (ESR) – 電容器的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 是電容器的內(nèi)部電阻，由板的直流電阻、電介質(zhì)的有效電阻和電介質(zhì)接觸處的電阻引起和導(dǎo)體板。這是電容器提供的純電阻，在通過 AC 信號(hào)對(duì)電容器充電和放電期間，通過加熱電容器導(dǎo)致能量損失。電容器的 ESR 建模為與純電容串聯(lián)的電阻。ESR 與電容一樣，與頻率有關(guān)，用作電容器的動(dòng)態(tài)串聯(lián)電阻。

ESR 計(jì)算在電容器的運(yùn)行損耗中。這是一個(gè)重要的指標(biāo)，因?yàn)樗鼪Q定了耦合電容器情況下的電能損失以及旁路和濾波電容器情況下的最大衰減。ESR 越高，電容器的 RC 常數(shù)（充電或放電所需的時(shí)間）越大，因?yàn)?ESR 越高的電容器對(duì)充電或放電電流的抵抗力越大。

12) 介電吸收——介電吸收是指完全放電后殘留在電容器端子處的殘余電壓。通常，此電壓并不重要，但在模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路中使用的采樣電容器的情況下可能是一個(gè)嚴(yán)重的問題。
13) 自感——自感是高頻時(shí)在電容器中感應(yīng)的電感。該電感會(huì)影響電容器在高頻時(shí)的阻抗，并可能決定電容器能夠旁路哪些高頻電流。ESR、耗散因數(shù)、電介質(zhì)吸收和自感都算在電容器的運(yùn)行損耗中。

需要小心處理電容器。高壓電路中使用的高值電容器（電容大于 0.01 uF）可能具有殘余或未放電電壓，可能會(huì)在接觸時(shí)產(chǎn)生直流電擊。因此，在對(duì)此類電路進(jìn)行故障排除時(shí)，必須使用螺絲刀將其端子短路以對(duì)大容量電容器進(jìn)行放電。在下一篇文章中，我們將討論不同類型的電容器及其技術(shù)規(guī)格。