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电容器

电容器
Capacitors (7189597135).jpg
类型被动器件
发明克拉斯特主教

电容器(英文:capacitor,又称为condenser)是将电能储存在电场中的被动电子器件。电容器的储能特性可以用电容表示。在电路中邻近的导体之间即存在电容,而电容器是为了增加电路中的电容量而加入的电子器件。

电容器的外型以及其构造依其种类而不同,目前常使用的电容器也有许多不同种类英语capacitor types。大部分的电容至少会有二个金属板或是金属表面的导体,中间有介电质隔开。导体可以是金属箔、薄膜、烧结金属珠或是电解质。无导电性的介电质可以增加电容器的储电能力。常见的介电质有玻璃陶瓷器塑胶膜英语plastic film云母氧化物。在许多的电路中都会用到电容器。电容器和电阻器不同,理想的电容器不会消耗能量。

当两个介电质隔开的导体之间有电压时,在介电质上会产生电场,因此正电荷会集中在一个导体,负电荷则是在另一个导体。电容器的电容定义为累积电荷和导体电压之间的比值。国际单位制(SI)下电容的单位是法拉(F),定义为每伏特1库仑(1 C/V)。一般电容器的电容约在1 皮法拉(pF)(10−12 F)到1 毫法拉(mF)(10−3 F)。电容器的电容和导体的表面积成正比,和导体之间距离比反比。实务上,导体之间的介电质会通过微小的漏电流英语leakage (electronics)。而介电质的电场强度也有上限,因此电容器会有击穿电压。而电容器中的导体及其引脚会产生不想要的等效串联电感等效串联电阻

电容器常用在电子电路中,阻隔直流电,让交流电可以流过电容器。在模拟滤波英语analog filter电路中,电容器可以使电源供应的输出变平滑。在LC电路中电容器和电感器可以调谐无线电到特定的频率。在输电系统中可以稳定电压及功率的流动。在早期的数字电脑中,会用电容器储存能量的特性作为动态内存。

历史

历史上第一个有留下记录的电容器由克拉斯特主教在1745年10月所发明,是一个内外层均镀有金属膜的玻璃瓶,玻璃瓶内有一金属杆,一端和内层的金属膜连结,另一端则连结一金属球体。借由在二层金属膜中利用玻璃作为绝缘的方式,克拉斯特主教让电荷密度出现明显的提升。

1746年1月,荷兰物理学家彼得·范·穆森布罗克英语Pieter van Musschenbroek也独立发明了构造非常类似的电容器,当时克拉斯特主教的发明尚未广为人知。由于马森布鲁克当时在莱顿大学任教,因此将其命名为莱顿瓶

当时人们认为,电荷是储存在莱顿瓶中的水里;但美国科学家富兰克林研究莱顿瓶,证明其电荷是储存在玻璃上,并非储存在莱顿瓶中的水里。

原理

概要

  • 电容器包括二个电极,二个电极储存的电荷大小相等,符号相反。电极本身是导体,二个电极之间由称为介电质绝缘体隔开。电极的金属片通常用的是铝片或是铝箔,若用氧化铝来做介质的就是电解电容器。电荷会储存在电极表面,靠近介电质的部分。由于二个电极储存的电荷大小相等,符号相反,因此电容器中始终保持为电中性。
  • 在下图中,介电质分子因电场影响而旋转,旋转后产生反向的电场,因此抵消部分原有的电场,这个效应称为电极化

电容器的电容量

当电荷在电极上累积,在两电极之间会产生电场,大小和所累积的电荷成正比,电场会在电容器的两电极造成电势差V = E·d
介电质分子因为电子受到电场影响,使得分子偏离平衡位置。为了说明之便,本图加大介电质和电极的空隙,实际上介电质会直接和电极接触。

电容器的电容C)是测量当电容器两端的电势差电压V)为单位值时,储存在电容器电极的电荷量(Q):

若根据国际单位制,若一电容器两极施加一伏特的电压,其储存电荷量为一库仑,则此电容器的电容量为一法拉(F)。在实务上,法拉是相当大的单位,电容器的电容量一般常以毫法拉(mF, 1mF = 10-3F)、微法拉(µF, 1µF = 10-6F)、奈法拉(nF, 1nF = 10-9F)或皮法拉(pF, 1pF = 10-12F)表示。

电容量和电极的面积成正比,和二电极之间的距离成反比。电容量也和二电极间介电质的相对电容率成正比。

平行板电容器的电容量如下式:

其中ε是介电质的电容率,A是平板的面积,而d是二平行板间隔的距离。

储能(储存能量)

当电性相反的电荷分别在电容器的两端累积,电容器两端的电势差和电荷产生的电场开始增加。累积电荷越多,为抵抗电场所需要做的功就越大。储存在电容器的能量国际单位制中,单位为焦耳)等于建立电容两端的电压和电场所需要的能量。

计算电容器储存的能量的公式如下:

V是电容两端的电压差。

电子电路中的电容器

电路与直流源

由于电容器中有绝缘的电介质阻隔,电子很难直接穿过电容器。简单来说,当直流电流流过电容器时,电容器的一端会累积电子,另一端会流失电子,电容器则维持电中性,这样的过程称为充电。依不同的电介质性质而定,外电场会将电介质的正负电荷稍微分开或者按照外电场方向排列电介质分子的定向,这会在电介质的表面形成面电荷与其对应的电场,其方向与外电场相反,因此减弱外电场的实际作用,所以电介质可以增加电容器的电容。由于电容器的总电场,在电容器两端会出现电压。电压V和电容器一端的绝对电荷量Q成正比,而Q是流过电容器的电流对时间的积分。其数学式如下:

     其中
I是流过电容器的电流,单位为安培
是电压对时间的微分,单位是伏特/秒。
C是电容器件的电容值,单位是法拉

在一个使用固定直流电压源的电路中,电容器两端的电压不会超过电源的电压。当电容器两端的电压已不再变动,流过电容器的电流为零时,此时已形成平衡。因此,一般会说电容器不允许直流电通过。在直流分析中,电容器当成开路(电阻无限大)。

电路及交流源

若流过电容器的电流由交流电压或交流电流源产生,由于电流会周期性的变换方向,交流电流会轮流对电容器的两极充电,电容器两极的电荷会周期性的变化,因此在一个周期内,除了电流由正变负(或由负变正)的那一瞬间之外,通过电容器的电流均不为零。因此,一般认为电容器可允许交流电流通过。

电容器两极的电压和电流的积分成正比,所以若电容器通入交流的信号,相角为90度,亦即电流领先电压90度。电压的大小和电流成正比,和频率和电容量C的乘积成反比。

阻抗

电压相量和电流相量的比值称为阻抗,为一复数。电容器的阻抗只有电抗成分(即复数只有虚部,实部为0),数值如下

其中:

是电容器的电抗

角频率

f = 输入频率

C = 电容,单位是法拉

若在频域的分析中,上述电压和电流的关系恒成立。但在时域的分析中,电压和电流相量间的比值只有在交流稳态时才会等于

电容的阻抗的实部为0,虚部为负值。虚部的负数表示电流领先电压90度的相角,这和电感恰好相反,电感的电流落后电压90度的相角。

阻抗可以模拟成电阻器电阻。电容的阻抗和频率成反比,若有非常高频的电流流过电容,阻抗值几乎为0,此时可将电容视为短路。相反地,若有非常低频的电流流过电容,阻抗值相当大,此时可将电容视为断路。电容许多的应用都和电容的频率特性有关(参照"应用")。

电容的阻抗只有电抗成分,表示理想电容不消耗能量,只储存能量。在电子电路中有二种负载:电阻性负载会消耗其他电路输入的能量,最后以热的方式发散;电抗性负载则储存能量,能量最后会再回到电路当中。

电容器的阻抗和电容成反比,这一点和电阻器(阻抗和电阻成正比)及电感器(阻抗和电感成正比)不同。因此,电容串联和并联的公式恰好和电阻的公式相反。电容并联时,总电容是各电容的和;电容串联时,总电容值的倒数是各电容值倒数的和。

拉普拉斯变换(S域)

当使用拉普拉斯变换来进行电路分析时,电容阻抗在S域中为:

其中C为电容,而为一个复合频率。

电容器与位移电流

物理学家麦克斯韦安培定律中加入位移电流,使得在像是电容充放电的情形下,安培定律可以符合电荷的守恒。麦克斯韦认为位移电流是因实际电荷的移动所造成,若是在真空中,则是因为以太电偶极子的移动产生位移电流。虽然他对位移电流的想法有误,不过在麦克斯韦将安培定律修正后,其结果沿用至今。

电容网络

串联或并联配置

并联的数个电容有相同的电压。其总电容(Ceq)如下:

数个电容并联的图形

一般而言,电容并联的目的是增加储存的总能量。电容储存的能量如下:

串联的数个电容会流过相同电流,但各个电容的电势差(电压)可能不同,而电容的电压的和会等于总电压,电容串联后的电容值如下:

数个电容串联的图形

在电容并联时,电容电极的有效面积变大,因此电容值增加。而在电容串联时,相当于电容电极的距离变大,因此电容值减小。

在实际应用上,常串联数个较低电压电容器,来取代高电压的电容器。例如在高电压的电源供应器的滤波电路中,可以用三个最大电压600V的电容器串联。由于每个电容器只需承受总电压的三分之一,因此串联后的电容器可在1800V的电压工作,而串联后电容只有个别电容器的三分之一。有时也会将三个电容器先并联,再将三组并联电容器再串联,形成一个3x3的电容器矩阵,总电容和个别电容器相同,但可以承受三倍的电压。在上述应用时,各组电容器会再并联一个大电阻,以确保电压平均的分给三组电容器,并且在设备不使用时,提供电容放电的路径。

另外一种应用则是将二颗有极性的电容反向串联,可以代替无极性的电容使用。

电容器/电感器的二元性

以数学的观点,理想电容器可以视为理想电感器的(反函数),因为若将电压和电流对调,即可将电容器的电压电流方程改为电感器的方程。二个或二个以上的导体可以因磁性耦合而形成变压器,二个或二个以上带电的导体也可以因静电耦合而形成电容器。两导体的互容(mutual capacitance)定义为当一导体的电流使得另一导体的电压在单位时间变化一单位电压时,该导体的电流量。

非理想的特性

实际的电容器和理想电容器的特性方程有些差异。其中有些特性(像是漏电流以及杂散效应)是线性的,或者可以用近似线性的方式分析,此时就会在理想电容器的等效电路上加上一些虚拟的器件来近似这些特性,之后就可以应用线性电路分析的方式来处理电路。有些特性(例如击穿电压)是非线性的,就无法用线性电路分析的方式处理,就需要另外来计算这些特性的影响。还有一些特性,本身也是线性的,但是会让电容值在分析时发生变化(例如电容和温度的相依关系)。最后,合并的杂散效应(例如本质电抗、电阻或是介电损失)可能会让电容器在不同频率下有不同的特性。

击穿电压

若电容量放在在电介质强度超过Eds的特定电场下,电容器的介电性会破坏,电容器会变成导体。此时的电压称为器件的击穿电压,是电介质强度和电容器导体间距离的乘积

电容器在正常使用下可以储存的最大电压会受到击穿电压的限制。由于电容器的尺寸,以及击穿电压和介电层厚度的关系,使用特定介电质的电容器都会有相似的能量密度,甚至介电质也就决定了电容器的大小。

若介电质是空气,其崩溃电场强度约在2–5 MV/m(或kV/mm)的等级,若使用云母,可以到100–300 MV/m,若介电质是油,可以到15–25 MV/m,若介电质是其他的材质,其崩溃电场强度会低很多。介电质一般都薄,因此电容器的击穿电压也因此受限。一般电容器的击穿电压从数伏特到1 kV。若电压增加,介电质也要加厚,因此相同介电质的的电容,高压电容的体积一般都会比低压的同容值电容要大一些。

击穿电压受一些因素的影响很大,例如电容器导电部分的几何形状。尖锐的边或是角会增加电场强度,甚至可能会造成局部的击穿电压。当开始崩溃时,崩溃现像会快速的穿过介电质,直到另一极的导电板为止,会留下碳,并且产生短路(或是阻抗较低)的路径。电容崩溃可能是爆炸性的,电容从周围的电路抽取电流,并且将其能量消耗掉。不过,有些特别介电质的电容或是薄的金属电极在崩溃后不会造成短路,其原因是因为在大电流后,金属熔化或是汽化了,因此崩溃后会产生断路,不会影响电容器的其他部分。

一般的崩溃方式是电场够大,因此可以吸引介电质中的电子,和原子分离,因而传导电路。不过也有可能有另一种情形,像是介电层的杂质,或是介电层晶体结构的瑕疵,会造成类似半导体器件的雪崩击穿。击穿电压也会受到电压、湿度以及温度的影响。

等效电路

真实电容器的两种电路模型

理想电容器只会储存及释放能量,不会消耗能量。不过实际的电容器都有一些杂质,而电容器的材料本身也会有电阻,这些会标示为等效串联电阻(ESR)。等效串联电阻会影响器件的阻抗:

随着频率接近无限大,电容器的阻抗(或容抗)会减小,而会以ESR为主。当容抗可忽略,其消耗功率为PRMS = VRMS² /RESR.

和ESR类似的,电容器的导线也会产生等效串联电感(ESL),一般只在相对高频时才比较有影响。电感感抗是正的,会随频率增加,超过一定频率后,电容会被电感所抵消。高频电子学就需要计算所有接线以及器件的电感量。

若电容器的二个导体之间不是理想的介电质,而是导电性较低的材料,会产生微小的漏电流。因此电容器会有一个有限的并联电阻,会慢慢的放电(放电时间依电容器材料及品质而定)。

Q因子

电容器的品质因子(或Q因子)是特定频率下其容抗和电阻的比例,用来量测其效率。Q值越大的电容器,其特性越接近理想电容器。

电容器的Q因子可以用下式计算:

其中角频率是电容,容抗是电容器的等效电阻(ESR)。

纹波电流

纹波电流是电源(例如开关模式电源)的交流电流成分,其频率可能是定值,也可能会变动。纹波电流会使电容器发热,原因一方面是因为介电质上电场变化造成的能量损失,再加上电流通过有微小电阻的导线或电解质的损失。等效串联电阻(ESR)就是考虑这些损耗的影响。

有些种类英语types of capacitor的电容,包括电解电容,以及一些薄膜电容英语film capacitor的规格会包括最大的纹波电流:

  • 若是用固态二氧化锰为介电质的钽质电容器,其允许纹波电流有一定限制,在电容中的ESR也是最高的。若纹波电流超过额定值,会造成短路,并且损毁其他器件。
  • 铝电解电容是最常用的电解电容,若纹波电流较高,其寿命会降低。若纹波电流超过额定值,电容会爆裂。
  • 陶瓷电容一般没有纹波电流的限制,其ESR最小。
  • 薄膜电容英语film capacitor的ESR也非常低,但若纹波电流超过额定值,会造成电容的退化。

电容量稳定性

有些电容的电容量会随着器件老化而下降。针对陶瓷电容而言,电容量的下降是因为介电质的劣化而造成。介电质种类、环境温度以及储存温度都会影响老化,工作电压的影响比较小,一般电容的设计也都会让电压系数降到最小。器件老化的过程可以透过将器件加热超过居里点来改善。在器件刚开始工作时,老化的最快,之后会随着时间而渐渐稳定。电解电容会随着电解液的蒸发而老化,和陶瓷电容不同,其老化主要是器件寿命的末期出现。

电容量和温度的关系一般会用ppm 每°C来表示。一般会是范围很广的线性函数,但在温度极值时会有明显的非线性。温度系数可能是正,也可能是负,甚至同一型电容的不同样品之间,温度系数有正有负,因此,温度系数的范围可能会包括零在内。

陶瓷电容或是较早期的纸电容,会吸收音波,产生颤噪英语microphonic效应。振动会移动电容中的导电板,让电容量变化,因此产生交流电流。有些介电质也会有压电效应。所形成的干扰在音响应用中是麻烦的问题,可能会造成回授。若是反向的颤噪效应,因为电场改变,会对电容中的导电板施力,类似扬音器。会产生人耳可听到的声音,但是会消耗能量,也会增加介电质(或是电解液)中的电应力。

电流反向及电压反向

当电容器的电流改变方向时,就会有电流反向(current reversal)的情形。电压反向(voltage reversal)则是相关电路改变极性时会有的现象。电压反向一般会描述成最大额定电压的百分比。在直流电路中,一般会小于100%,多半是在0至90%之间,不过交流电路就会有100%。

在直流电路以及脉波电路中,电流反向及电压反向会受到系统的阻尼所影响。若是欠阻尼的RLC电路,会有电压反向的情形。电压和电流变换方向,形成由电感和电容组成的谐振子。此时电压和电流会振荡,而且会正向反向切换几次,每一次的振幅会比原来要小,最后系统会平衡,一般会称为振铃效应。而临界阻尼或是过阻尼的系统不会有电压反向。在交流电路中也有反向的情形,在正向及反向的峰值电流相同。

为了延长电容器的寿命,电容器需要可以承受系统会产生的最大反向量。交流电路可能会有100%的电压反向,而欠阻尼的直流电路反向量会小于100%。反向会造成介电质额外的电场,让介电质及导体发热,也会大幅缩短电容器的寿命。反向额定也会影响电容器的设计考量,包括介电材料的选用,以及内部材料的电压额定选择。

介电质吸收

电容器会依其使用的介电质不同,会有不同程度的介电质吸收英语dielectric absorption现象。在电容器放电后,并且切断电源,短暂时间后会因为介电质的磁滞效应而产生电压。若是精密的采样保持电路或是计时用的电路,介电质吸收会影响其电路的运作。介电质吸收的程度和许多因素有关,因为磁滞效应和时间有关,其中也包括设计时对充电时间的考量。不过主要因素是和介电质的材料有关。像钽质电解电容或是聚砜薄膜电容的介电质吸收效应较大,而聚苯乙烯聚四氟乙烯介电质的介电质吸收效应就很小。有些应用(例如闪光管英语flashtube电视机去颤)所使用的电容器可能会带有危险的电压及能量,电容器在断电后可能会因为介电质吸收而带有危险性的电压。任何储能到10焦耳的电容器即有危险性,若储能到50焦耳以上,有可能会致命。电容器可能在放电后几分钟,还有其原始电量的1%至20%,因此一个看似安全的电容器其实可能具有相当的危险性。

漏电流

漏电流(Leakage)可以等效为在电容器上并联一个电阻。电容器暴露在高温下,可能会破坏其介电质,造成过量的漏电流,这是早期真空管电路常见的问题,特别是使用油浸纸电容器或是金属箔电容器的情况。在许多真空管电路中,会用级间耦合电容器来将变动的信号从真空管的一极到下一级的栅极电路。漏电流大的电容器会让栅极电压较其正常设定值要高,产生过大的电流,或是让下一级真空管的信号扭曲。若是功率级真空管,甚至会让栅极板发红,或是让限流电阻过热,甚至于失效。在固态(晶体管)放大器中仍有类似考量,不过因为发热较真空管要少,而且使用现代的聚酯电介质材质作为屏障,这种问题已经比较少见。

长久未使用后的失效

铝电解电容供应商在制造电容器时,会提供足够的电压,使其内部处于适当的初始化学状态下,提供电压的步骤称为活化(conditioned)。有电解电容的电路若正常使用,会让电容维持在活化状态下,若有电解电容器的电路长期没有通电,需要重新活化,方式是以较低的电压通电一段时间,否则,在下次以正常电压送电时,电容器可能会失效而短路。

电容器种类

目前市面上已可购得许多不同型式的电容器。可分为许多不同的型式。内部介电质的种类、电容器极板结构以及器件的包装都会大幅影响电容器的特性,以及其应用场合。

电容器的容值可以小到非常低(例如小到数pF的范围,理论上电容器的容值还可以更小,但在电路中的杂散电容会是限制因素),最大可以到5 kF的超级电容器

大约超过1 μF的电容器就会选用电解电容,原因是体积较小,价格比其他型式的要便宜,不过也有些场合,会因为电解电容的稳定性及寿命较佳,或是其极性器件的特性而需要改用其他的电容器。非常高电容量的超级电容器使用有孔的碳基电极材料。

介电质

不同种类的电容器。左起:积层陶瓷电容、圆板形陶瓷电容、积层形聚酯电容、管形陶瓷电容、聚苯乙烯电容(轴向、圆板形)、金属化膜聚合物电容、铝电解电容,尺上的大刻度为公分

许多的电容都会使用其他的介电质,使其电容量比在空气中或是真空中的更大。为了使电容在相同体积下可以有最大的容值,一般会希望介电质的电容率越高越好,击穿电压越高越好,介电质在不同频率下的损失越低越好。

不过,也有一些低容值的电容是在两电容极板之间为真空,没有介电质,其好处是可以在很高的电压下运作,损失很小。在收音机调谐电路中有用到可变电容英语Variable capacitor,其极板之间的介电质是空气。近来的设计则是在活动极板及静止极板之间用高分子软板的介电质,两极板之间没有很明显的气隙。

有许多固态的介电质,例如塑料玻璃云母陶瓷

在早期的电容器中,常会用纸为介电质,其工作电压可以比较高。但纸会吸收湿气,这类的电容已被塑胶薄膜电容英语film capacitor取代。

大部分现今使用的塑胶薄膜电容稳定性及老化特性比油浸的纸电容器要好,因此可用在计时电路中,不过因为其工作温度英语operating temperature及工作频率较低,应用上会比较受限。大型的塑胶薄膜电容普遍用在抑制电路(suppression circuits)、电动机启动电路,以及功因修正电路中。

陶瓷电容一般体积很小、价格便宜,适合高频的应用,不过其电容值会明显受到电压及温度的影响,而且很容易老化。陶瓷电容也会有压电效应的问题。陶瓷电容可以分为其容值随温度变化情形可以预测的class 1 陶瓷电容器,以及可以运作在较高电压的class 2 陶瓷电容器。现在的多层陶瓷电容多半容值误差很小,不过有些电容在本质上有很大的容值误差。多层陶瓷电容会有颤噪噪声(microphonic)问题,材质多半易碎。

玻璃及云母电容的可靠度非常高,很稳定,也可以在高温及高压下运作,不过其价值太贵,因此主流应用很少用到。

电解电容及超级电容都可以储存能量,超级电容储能效果又电解电容要好。陶瓷电容多半会用到LC电路上。

三种不同容值的铝电解电容

电解电容中有的极板以及氧化绝缘层。另一个电极是液态的电解质,靠金属箔和电极相连接。电解电容的容值很大,但其电容偏差也很大,而且高度不稳定,在受热时其容值会慢慢下降,而且有大的漏电流。低品质的电路会让电解液漏出,伤害电路板(即为电容灾难)。电解质的电导系数在低温时会明显下降,因此会增加等效串联电阻。电解电容常用在许多电源调节的应用中,不过其高频特定不佳,因此在许多应用中不适合使用。电解电容若一段时间(约一年)没有使用,会有退化的情形,若没有事先处理就直接全功率输出,会发生短路,对电容器产生永久伤害,多半也会让保险丝熔断,或是让整流二极管损坏。例如较旧的设备,可能让整流真空管出现电弧。若长久没有使用,在正式使用前渐渐的增加电压一段时间(电容活化),就不会有退化的情形。像早期的真空管设备会用可变变压器施加交流电源三十分钟。不过一些固态电子设备可能不适合这样使用,在低于正常工作电压以下的电压使用,可能会使器件受损,因此在供电活化电容之前,需将应用电路先切离电源。

钽质电容的频率特性及温度特比比铝电解电容要好,但介电吸收英语dielectric absorption及漏电流都较大。

聚合物电容英语Polymer capacitor(OS-CON, OC-CON, KO, AO)用固态导电的聚合物(或聚合的有机半导体)为电极,有较长的寿命以及较低的等效串联电阻,但价值比标准的电解电容要贵。

馈通电容英语Feedthrough是一种原来不是要用作电容的器件,但本身有电容,而且可以传导信号。

也有些适用于一些特殊应用的电容。超级电容可以储存大量的能量,其材质是由碳的气凝胶、奈米碳管或是多孔电极材料制成,有非常高的容值( 截至2010年 (2010-Missing required parameter 1=month!)的数据可以到 5 kF),在一些应用中可以代替蓄电池使用。交流电电容是设计在市电交流电压下工作的电容,多半用在电动机相关电路,也有较大的电流量,因此体积也比较大。交流电容多半都有坚固的金属外壳,方便接地。一般这种电容的直流击穿电压至少会设计在最大交流电压的五倍以上。

型式

电容封装:左上方是SMD陶瓷电容,左下方是SMD钽质电容,右上方是通孔插装技术钽质电容,右下方是通孔插装的电解电容。图中尺的大刻度是公分

依照电容额定不同,电极板及介电质的配置也有许多不同的型式。若电容器容值较小(μF或更小),陶瓷碟型电容会有金属的镀层,导线的引线会焊接在镀层上。较大容值的电容会用多层电极板或碟型的层叠方式,较大容值的电容一般会用金属箔或是镀在介质箔表面的金属薄膜层来做为电极板,以及用浸渍过介电材料的电绝缘纸英语Electrical insulation paper或塑胶形的的绝缘层。一般这些箔或薄膜会层叠卷起来以节省空间。为了减少长电极板的串联电阻及电感,电极板及介电质的配置会让引线接在圆筒状卷曲箔某一侧的圆,而不是接在卷曲箔的末端。

电容在组装时会将内部包裹起来,避免湿气进入介电质。早期的无线电设备是用用蜡密封的纸板管。现代的纸质或是薄膜电容会浸入硬质热塑性塑料中。高压的大电容会将卷曲箔压缩,使其可以装入长方体的外壳中,有螺栓连接的端子和衬套进行连接。较大容量的电容一般其内部会浸入液体以提升其性能。

几个轴向引线的电解电容

电容器的引脚也有许多不同的组态,例如轴向(axially)或径向(radially)的。轴向引线表示二个引线在同一直线上,一般也就是圆柱型电容器的轴,二个引线分别在圆柱型两侧圆形的圆心位置。径向(radially)引线不是延著圆柱形的半径往外延伸,只是二个引线会放在圆柱型某一侧的圆上,离圆心有一段距离的位置,两引线也会互相平行。

小型、价格便宜的碟型陶瓷电容英语ceramic capacitor自1930年代起就开始使用,现今仍广泛使用。1980年代起,许多小容量的电容已普遍使用表面安装技术(SMD)的封装。此封装方式的体积非常小,而且没有引线,可以直接焊接在印刷电路板上。SMD的电容器件避免了因为引线而产生的高频效应,也简化自动化的生产,不过也因为尺寸小,人工焊接会比较困难。

机械性可控变容器的电极板位置可以调整,例如是用移转或是滑动的方式,使活动电极板对正(或不对正)固定的电极板。低成本的变容器会让铝板及塑胶板交错排列,再配合电子微调器英语trimmer (electronics)变容二极管(varactor、varicaps)可以用电气方式控制电容量,是耗散区(depletion region)随电压改变的反向偏置二极管,常用在锁相环及其他应用中。

应用

电容器的电路符号
电容器
(固定电容器)
极性电容器 可变电容器
Capacitor symbol
Polarized capacitor symbol
Polarized capacitor symbol 2
Polarized capacitor symbol 3
Polarized capacitor symbol 4
Variable capacitor symbol

电容器在电子电机系统中有许多种用途。

能量储存

当电容器和其充电线路分离后,电容器会储存能量,因此可作为电池,提供短时间的电力。电容器常用在配合电池使用的电子设备中,在更换电池时提供电力,避免储存的资料因没有电力而消失。

电容器也常用在电源供应器中,可缓和全桥或半桥整流器的输出。电容器也可用在电容泵浦(charge pump)电路中,储存能量,以产生比输入电压更高的电压。

在许多的电子设备及较大的电力系统〔如工厂〕中,为了提供信号电路或控制电路一个“干净的”的电源,常将电容器和电源电路并联。如音响系统会用数个电容去除由电源线上传来60Hz的信号。电容可储存直流的电源,同时让电源的交流电流有旁路的路径。在车用音响英语Vehicle audio系统中,就常使用电容器来补偿蓄电池瞬时输出功率的不足。

功率因数更正(改善)

电容器可使用在需要功率因数更正的场合中,在这种情形时,常常是三个电容器配合三相负载使用。此时电容器的单位不用法拉计算,而是使用无功功率(Reactive Power),单位为英语Volt-ampere reactive(VAR)。加入电容器的目的是因抵消电动机日光灯等电感性负载的影响,使负载尽量接近电阻性负载。

VAR = V2 × 2 π f C
上述公式中V:电压(V),f:频率(Hz),C:电容量(F)

如改使用千乏(kVAR)与微法拉(μF)为单位,则公式变成:
kVAR = V2 × 2 π f C × 10-6 ÷ 1000 = V2 × 2 π f C × 10-9

过滤、滤波

信号耦合

由于电容器阻隔直流信号通过的特性,电容器常用来过滤信号直流的部分,只留下交流的信号,称为交流耦合(有时也会用变压器来达到类似目的)。用在交流耦合用途的电容器会有较大的电容量,其电容值不需很精确,但在信号交流成分流过时,电容需有低的感抗值。为这种用途被设计成适合穿过一个金属控制板的电容,被称为穿心电容,在电路图上穿心电容与其他电容器的符号有细微的差别。

显卡上的电容器

噪声过滤器、电动机启辉器及减震缓冲器

电感有电流流过,而瞬间开关开路时,因开关无法流过电流,电感电流瞬间降到零,会在开关或继电器两端产生高电压。若电感较大时,其能量会产生火花,使得接点氧化或熔化接合,或造成固态开关的损坏。若在开关旁并联缓冲电容(Snubber capacitor),可以在开关开路时,提供电感电流路径通过,可以延长开关的寿命。例如在汽车点火系统的断路器就会并联一缓冲电容。

在功率较小的系统中,产生的火花不会造成开关损坏,但产生的高电压会产生射频干扰(Radio Frequency Interference, RFI),若加装缓冲电容即可减少因开关开路带来的干扰。缓冲电容一般会串联低阻值的电阻,可以消耗能量及降低射频干扰。

感应电动机需要一个随着时间变化其角度的旋转磁场,才能正常工作。三相感应电动机可以直接由三相电源产生旋转磁场,若是单相感应电动机,则需在启动时加装一电容器,利用电容器和电动机电感的相位差产生旋转磁场,使电动机启动,此电容称为启动电容

信号处理

储存于电容器中的能量可用来表达信息,如电脑中的二进制形式,或开关电容电路与“水桶队列延迟线”(bucket-brigade delay lines)中的模拟形式。电容器可被应用在模拟电路中做为积分器(integrators)或更复杂滤波器的组件,也用在负反馈环路稳定性中。信号处理电路也用电容器对电路信号求积分(integral)

调谐电路

电容器及电感器调谐电路中用来选择固定频率范围内的信号。例如,收音机的接收器就利用可变电容器来调整接收的频率。

收音机接收器接收的频率是电感(L)和电容(C)的函数,其式如下:

此频率是RLC串联电路共振频率。

其他应用

感测器应用

电容器的应用多半不会改变其物理结构,而是利用电容器的特性来改变电压或电流。不过在固定电压下,若改变介电质的物理特性或电子特性,电容器也可用在感测应用上。若使空气可以渗透到电容器的介电质中,可用电容器测量空气的湿度。用可挠性的平板制作的电容器则可测量应力压力。在电容式麦克风中,电容一端可随空气压力而位移,另一端固定,则可用电容作为声音的感测器

有些加速计使用芯片上刻蚀的微机电电容来测量加速度的方向及大小。如此用在倾斜仪或汽车安全气囊的感测器中,测量加速度的变化。

脉冲功率及武器应用

电感值低、耐高电压的大电容组(capacitor banks)常用来提供脉冲功率应用需要的大电流。这类的应用包括了电磁成形英语Electromagnetic forming(electromagnetic forming)、Marx脉冲发生器英语Marx generator、脉冲激光(尤其是TEA激光英语TEA laser)、脉冲形成网络雷达核聚变研究及粒子加速器

大型电容组被用做桥梁爆破炸药、核武器里面的起爆装置和其他特殊武器里面。利用电容组作为电磁式装甲(electromagnetic armor)、动能混合型弹药(railguns)和轨道一线圈混合发射器的电源的试验性工作正在进行。

电容的潜在危险及安全性

在电容充电后关闭电源,电容内的电荷仍可能储存很长的一段时间。此电荷足以产生电击,或是破坏相连结的仪器。一个抛弃式相机闪光模组由1.5V AA 干电池充电,看似安全,但其中的电容可能会充电到300V,300V的电压产生的电击会使人非常疼痛,甚至可能致命。

许多电容的等效串联电阻(ESR)低,因此在短路时会产生大电流。在维修具有大电容的设备之前,需确认电容已经放电完毕。为了安全上的考量,所有大电容在组装前需要放电。若是放在衬底上的电容器,可以在电容器旁并联一泄放电阻英语Bleeder resistor。在正常使用时,泄放电阻的漏电流小,不会影响其他电路。而在断电时,泄放电阻可提供电容放电的路径。高压的大电容在储存时需将其端子短路,以确保其储存电荷均已放电,因为若电容在安装时突然放电,产生的电压可能会造成危险。

大型老式的油浸电容器中含有多氯联苯(poly-chlorinated biphenyl),因此丢弃时需妥善处理,若未妥善处理,多氯联苯会进入地下水中,进而污染饮用水。多氯联苯是致癌物质,微量就会对人体造成影响。若电容器的体积大,其危险性更大,需要格外小心。新的电子零件中已不含多氯联苯。

高电压的电容器若在启动时加入缓启动的机制,限制其突入电流,可以延长其设备寿命,提升器件可靠度,也可以避免高电压下造成的危害。

高电压电容潜在的危险

在高电压和强电流下工作的电容有着超出一般的危险。

高电压电容在超出其标称电压下工作时有可能发生灾难性的损坏。绝缘材料的故障可能会导致在充满油(通常这些油起隔绝空气的作用)的小单元产生电弧致使绝缘液体蒸发,引起电容凸出、破裂甚至爆炸,而爆炸会将易燃的油弄的到处都是、起火、损坏附近的设备。硬包装的圆柱状玻璃或塑料电容比起通常长方体包装的电容更容易炸裂,而后者不容易在高压下裂开。

被用在射频电路中和长期在强电流环境工作的电容会过热,特别是电容中心的卷筒。即使外部环境温度较低,但这些热量不能及时散发出去,集聚在内部可能会迅速导致内部高热从而导致电容损坏。

在高能环境下工作的电容组,如果其中一个出现故障,使电流突然切断,其他电容中储存的能量会涌向出故障的电容,这就即有可能出现猛烈的爆炸。

高电压真空电容即使在正确使用时,也会发出一定的X射线。适当的密封方式、熔断机制(fusing)和预防性维护会帮助减少这些潜在的危险。

注释

  1. ^ 那时叫容电器(electric condenser),现在才更名为电容器。

引用

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外部链接

参见


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