電容的基礎(chǔ)知識.doc

電容的基礎(chǔ)知識電子制作中需要用到各種各樣的電容器，它們在電路中分別起著不同的作用。與電阻器相似，通常簡稱其為電容，用字母C表示。顧名思義，電容器就是“儲存電荷的容器”。盡管電容器品種繁多，但它們的基本結(jié)構(gòu)和原理是相同的。兩片相距很近的金屬中間被某物質(zhì)（固體、氣體或液體）所隔開，就構(gòu)成了電容器。兩片金屬稱為的極板，中間的物質(zhì)叫做介質(zhì)。電容器也分為容量固定的與容量可變的。但常見的是固定容量的電容，最多見的是電解電容和瓷片電容。 不同的電容器儲存電荷的能力也不相同。規(guī)定把電容器外加1伏特直流電壓時所儲存的電荷量稱為該電容器的電容量。電容的基本單位為法拉（F）。但實(shí)際上，法拉是一個很不常用的單位，因?yàn)殡娙萜鞯娜萘客?法拉小得多，常用微法（F）、納法（nF）、皮法（pF）（皮法又稱微微法）等，它們的關(guān)系是：1法拉（F）= 1000000微法（F） 1微法（F）= 1000納法（nF）= 1000000皮法（pF） 在電子線路中，電容用來通過交流而阻隔直流，也用來存儲和釋放電荷以充當(dāng)濾波器，平滑輸出脈動信號。小容量的電容，通常在高頻電路中使用，如收音機(jī)、發(fā)射機(jī)和振蕩器中。大容量的電容往往是作濾波和存儲電荷用。而且還有一個特點(diǎn)，一般1F以上的電容均為電解電容，而1F以下的電容多為瓷片電容，當(dāng)然也有其他的，比如獨(dú)石電容、滌綸電容、小容量的云母電容等。電解電容有個鋁殼，里面充滿了電解質(zhì)，并引出兩個電極，作為正（+）、負(fù)（-）極，與其它電容器不同，它們在電路中的極性不能接錯，而其他電容則沒有極性。 把電容器的兩個電極分別接在電源的正、負(fù)極上，過一會兒即使把電源斷開，兩個引腳間仍然會有殘留電壓（學(xué)了以后的教程，可以用萬用表觀察），我們說電容器儲存了電荷。電容器極板間建立起電壓，積蓄起電能，這個過程稱為電容器的充電。充好電的電容器兩端有一定的電壓。電容器儲存的電荷向電路釋放的過程，稱為電容器的放電。 舉一個現(xiàn)實(shí)生活中的例子，我們看到市售的整流電源在拔下插頭后，上面的發(fā)光二極管還會繼續(xù)亮一會兒，然后逐漸熄滅，就是因?yàn)槔锩娴碾娙菔孪却鎯α穗娔埽缓筢尫?。?dāng)然這個電容原本是用作濾波的。至于電容濾波，不知你有沒有用整流電源聽隨身聽的經(jīng)歷，一般低質(zhì)的電源由于廠家出于節(jié)約成本考慮使用了較小容量的濾波電容，造成耳機(jī)中有嗡嗡聲。這時可以在電源兩端并接上一個較大容量的電解電容（1000F，注意正極接正極），一般可以改善效果。發(fā)燒友制作HiFi音響，都要用至少1萬微法以上的電容器來濾波，濾波電容越大，輸出的電壓波形越接近直流，而且大電容的儲能作用，使得突發(fā)的大信號到來時，電路有足夠的能量轉(zhuǎn)換為強(qiáng)勁有力的音頻輸出。這時，大電容的作用有點(diǎn)像水庫，使得原來洶涌的水流平滑地輸出，并可以保證下游大量用水時的供應(yīng)。 電子電路中，只有在電容器充電過程中，才有電流流過，充電過程結(jié)束后，電容器是不能通過直流電的，在電路中起著“隔直流”的作用。電路中，電容器常被用作耦合、旁路、濾波等，都是利用它“通交流，隔直流”的特性。那么交流電為什么能夠通過電容器呢？我們先來看看交流電的特點(diǎn)。交流電不僅方向往復(fù)交變，它的大小也在按規(guī)律變化。電容器接在交流電源上，電容器連續(xù)地充電、放電，電路中就會流過與交流電變化規(guī)律一致的充電電流和放電電流。 電容器的選用涉及到很多問題。首先是耐壓的問題。加在一個電容器的兩端的電壓超過了它的額定電壓，電容器就會被擊穿損壞。一般電解電容的耐壓分檔為6.3V，10V，16V，25V，50V等。電容使用常識。電容在電路中實(shí)際要承受的電壓不能超過它的耐壓值。在濾波電路中，電容的耐壓值不要小于交流有效值的1.42倍。使用電解電容的時候，還要注意正負(fù)極不要接反。 不同電路應(yīng)該選用不同種類的電容?？窕芈房梢赃x用云母、高頻陶瓷電容，隔直流可以選用紙介、滌綸、云母、電解、陶瓷等電容，濾波可以選用電解電容，旁路可以選用滌綸、紙介、陶瓷、電解等電容。 電容在裝入電路前要檢查它有沒有短路、斷路和漏電等現(xiàn)象，并且核對它的電容值。安裝的時候，要使電容的類別、容量、耐壓等符號容易看到，以便核實(shí)。 圖1 電容的外形 表1 常用電容的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)電容種類 電 容 結(jié) 構(gòu) 和 特 點(diǎn)紙介電容 用兩片金屬箔做電極，夾在極薄的電容紙中，卷成圓柱形或者扁柱形芯子，然后密封在金屬殼或者絕緣材料（如火漆、陶瓷、玻璃釉等）殼中制成。它的特點(diǎn)是體積較小，容量可以做得較大。但是有固有電感和損耗都比較大，用于低頻比較合適。云母電容 用金屬箔或者在云母片上噴涂銀層做電極板，極板和云母一層一層疊合后，再壓鑄在膠木粉或封固在環(huán)氧樹脂中制成。它的特點(diǎn)是介質(zhì)損耗小，絕緣電阻大、溫度系數(shù)小，適宜用于高頻電路。陶瓷電容 用陶瓷做介質(zhì)，在陶瓷基體兩面噴涂銀層，然后燒成銀質(zhì)薄膜做極板制成。它的特點(diǎn)是體積小，耐熱性好、損耗小、絕緣電阻高，但容量小，適宜用于高頻電路。 鐵電陶瓷電容容量較大，但是損耗和溫度系數(shù)較大，適宜用于低頻電路。薄膜電容 結(jié)構(gòu)和紙介電容相同，介質(zhì)是滌綸或者聚苯乙烯。滌綸薄膜電容，介電常數(shù)較高，體積小，容量大，穩(wěn)定性較好，適宜做旁路電容。 聚苯乙烯薄膜電容，介質(zhì)損耗小，絕緣電阻高，但是溫度系數(shù)大，可用于高頻電路。金屬化紙介電容 結(jié)構(gòu)和紙介電容基本相同。它是在電容器紙上覆上一層金屬膜來代替金屬箔，體積小，容量較大，一般用在低頻電路中。油浸紙介電容 它是把紙介電容浸在經(jīng)過特別處理的油里，能增強(qiáng)它的耐壓。它的特點(diǎn)是電容量大、耐壓高，但是體積較大。鋁電解電容 它是由鋁圓筒做負(fù)極，里面裝有液體電解質(zhì)，插入一片彎曲的鋁帶做正極制成。還需要經(jīng)過直流電壓處理，使正極片上形成一層氧化膜做介質(zhì)。它的特點(diǎn)是容量大，但是漏電大，穩(wěn)定性差，有正負(fù)極性，適宜用于電源濾波或者低頻電路中。使用的時候，正負(fù)極不要接反。鉭、鈮電解電容 它用金屬鉭或者鈮做正極，用稀硫酸等配液做負(fù)極，用鉭或鈮表面生成的氧化膜做介質(zhì)制成。它的特點(diǎn)是體積小、容量大、性能穩(wěn)定、壽命長、絕緣電阻大、溫度特性好。用在要求較高的設(shè)備中。半可變電容 也叫做微調(diào)電容。它是由兩片或者兩組小型金屬彈片，中間夾著介質(zhì)制成。調(diào)節(jié)的時候改變兩片之間的距離或者面積。它的介質(zhì)有空氣、陶瓷、云母、薄膜等?？勺冸娙?它由一組定片和一組動片組成，它的容量隨著動片的轉(zhuǎn)動可以連續(xù)改變。把兩組可變電容裝在一起同軸轉(zhuǎn)動，叫做雙連?？勺冸娙莸慕橘|(zhì)有空氣和聚苯乙烯兩種?？諝饨橘|(zhì)可變電容體積大，損耗小，多用在電子管收音機(jī)中。聚苯乙烯介質(zhì)可變電容做成密封式的，體積小，多用在晶體管收音機(jī)中。電容器上標(biāo)有的電容數(shù) 電容器的標(biāo)稱容量和它的實(shí)際容量會有誤差。常用固定電容允許誤差的等級見表2。常用固定電容的標(biāo)稱容量系列見表3。表2 常用固定電容允許誤差的等級允許誤差 2% 5% 10% 20% (+20% -30%) (+50% -20%) (+100%-10%)級別 02 表3 常用固定電容的標(biāo)稱容量系列電容類別 允許誤差 容量范圍 標(biāo) 稱 容 量 系 列紙介電容、金屬化紙介電容、紙膜復(fù)合介質(zhì)電容、低頻（有極性）有機(jī)薄膜介質(zhì)電容 5%10%20% 100pF1uF 1.0 1.5 2.2 3.3 4.7 6.8 1uF100uF 1 2 4 6 8 10 15 20 3050 60 80 100高頻（無極性）有機(jī)薄膜介質(zhì)電容、瓷介電容、玻璃釉電容、云母電容 5% 1.1 1.2 1.3 1.5 1.6 1.8 2.02.4 2.7 3.0 3.3 3.6 3.9 4.34.7 5.1 5.6 6.2 6.8 7.5 8.2 9.1 10% 1.0 1.2 1.5 1.8 2.2 2.73.3 3.9 4.7 5.6 6.8 8.2 20% 1.0 1.5 2.2 3.3 4.7 6.8鋁、鉭、鈮、鈦電解電容 10%20%+50/-20%+100/-10% 1.0 1.5 2.2 3.3 4.7 6.8(容量單位uF)電容長期可靠地工作，它能承受的最大直流電壓，就是電容的耐壓，也叫做電容的直流工作電壓。如果在交流電路中，要注意所加的交流電壓最大值不能超過電容的直流工作電壓值。 表4是常用固定電容直流工作電壓系列。有*的數(shù)值，只限電解電容用。 表4 常用固定電容的直流電壓系列1.6 4 6.3 10 16 25 32* 40 50 63100 125* 160 250 300* 400 450* 500 630 1000 由于電容兩極之間的介質(zhì)不是絕對的絕緣體，它的電阻不是無限大，而是一個有限的數(shù)值，一般在1000兆歐以上。電容兩極之間的電阻叫做絕緣電阻，或者叫做漏電電阻。漏電電阻越小，漏電越嚴(yán)重。電容漏電會引起能量損耗，這種損耗不僅影響電容的壽命，而且會影響電路的工作。因此，漏電電阻越大越好。電容的種類也很多，為了區(qū)別開來，也常用幾個拉丁字母來表示電容的類別，如圖2所示。第一個字母C表示電容，第二個字母表示介質(zhì)材料，第三個字母以后表示形狀、結(jié)構(gòu)等。上面的是小型紙介電容，下面的是立式矩開密封紙介電容。表5列出電容的類別和符號。表6是常用電容的幾項(xiàng)特性。 圖2表5 電容的類別和符號順 序 類 別 名 稱 簡 稱 稱 號第一個字母 主 稱 電容器 容 C 第二個字母 介質(zhì)材料 紙 介電 解云 母高頻瓷介低頻瓷介金屬化紙介聚苯乙烯等有機(jī)薄膜滌綸等有機(jī)薄膜 紙電云瓷 ZDYCTJBL 第三個字母以后 形 狀 筒 形管 狀立式矩形圓片形 筒管立圓 TGLY 結(jié) 構(gòu) 密 封 密 M 大 小 小 型 小 X 表6 常用電容的幾項(xiàng)特性電容種類 容量范圍 直流工作電壓（V） 運(yùn)用頻率（MHz） 準(zhǔn)確度 漏電電阻（M）中小型紙介電容 470pF0.22uF 63630 8以下 5000金屬殼密封紙介電容 0.01uF10uF 2501600 直流，脈動直流 10005000中、小型金屬化紙介電容 0.01uF0.22uF 160、250、400 8以下 2000金屬殼密封金屬化紙介電容 0.22uF30uF 1601600 直流，脈動電流 305000薄膜電容 3pF0.1uF 63500 高頻、低頻 10000云母電容 10pF0.51uF 1007000 75250以下 02 10000瓷介電容 1pF0.1uF 63630 低頻、高頻503000以下 02 10000鋁電解電容 1uF10000uF 4500 直流，脈動直流 鉭、鈮電解電容 0.47uF1000uF 6.3160 直流，脈動直流 瓷介微調(diào)電容 2/7pF7/25pF 250500 高頻 100010000可變電容 最小7pF最大500 電容器濾波大家知道，交流電經(jīng)過二極管整流后，為了獲得較低的紋波電壓，還需經(jīng)電容器濾波后才能使用。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電容量達(dá)到一定值后，即使再加大電容量對提高濾波效果也無明顯作用，應(yīng)當(dāng)根據(jù)負(fù)載電阻和輸出電流的大小來選擇最佳的電容量。附表列出的濾波電容器容量和輸出電流的關(guān)系，可作濾波電容取值的參考。 另外，電容器的耐壓值一般應(yīng)取1.414E2的1.5倍（E2為變壓器次級交流電壓）。 如果你想進(jìn)一步減小濾波電容的體積，可選用日本三洋公司的OS-CON有機(jī)半導(dǎo)體鋁固體電解電容。由于它可以通過更大的紋波電流，所以選用容量較小的OS電容，就可以達(dá)到同樣的濾波效果，體積也會小很多。 附表： 輸出電流 2-3A 1-1.5A 0.5-1A 0.1-0.5A 50-100mA 50mA電容容量 4700uF 2200uF 1000uF 500uF 200-470uF 200uF 法拉 電容器法拉電容器不同于一般電容器。傳統(tǒng)的電容器是由兩個極板和極板間的電介質(zhì)，電解液構(gòu)成，通常以uF作為計量單位。法拉電容器沒有電介質(zhì)，它是利用液體（電解液）與固體（電極）相界面上形成的雙電層存儲電荷，具有法拉級的靜電容量。電化學(xué)理論上稱其為雙電層電容器（EDLC）。 法拉電容器具有電容器與電池的雙重功能，可以反復(fù)充放電（十萬次），也可以長時間的為CMOS IC供電（一個月以上）。安全、無污染，適合作為各種電子裝置的二次電源和備用電源鋁電解電容的技術(shù)基礎(chǔ) 就現(xiàn)在的產(chǎn)量來說，鋁電解電容器在電容器中占第二位這類電容器本來是一般的直流電容器，但現(xiàn)在已經(jīng)從直流發(fā)展到交流、從低溫發(fā)展到高溫、從低壓發(fā)展到高壓、從通用型發(fā)展到特殊型、從一般結(jié)構(gòu)發(fā)展到片式、扁平、書本式等結(jié)構(gòu)。其上限容量已擴(kuò)展到01F左右，使用頻率已達(dá)到30kHz，工作溫度范圍已達(dá)到-55125，有的甚至高到150，額定電壓己達(dá)到700V?？傊X電解電容器的發(fā)展越來越廣。 導(dǎo)致這些發(fā)展的基礎(chǔ)如下： 1）在材料上，現(xiàn)在用的鋁箔在成分和結(jié)構(gòu)上都很考究。已經(jīng)不再要求高純，例如、對陽極箔，要求其純度高到適當(dāng)。為了提高起始腐蝕點(diǎn)數(shù)、機(jī)械強(qiáng)度及介質(zhì)氧化膜的性能，箔中要適當(dāng)?shù)暮心承╇s質(zhì)并有的采用合金箔。在結(jié)構(gòu)上，對低壓箔，不要求立方結(jié)構(gòu)占的比例很大，但是對高壓箔，則要求這種結(jié)構(gòu)占到80一90以上。對陰極箔為了提高其比容，則要求晶粒無規(guī)則取向的含雜量一定的合金鋁箔。 工作電解液有三種成分構(gòu)成即溶劑、溶質(zhì)和添加物，如已長期應(yīng)用的電解液，其成分為乙二醇、甘油、硼酸和氨水。由于鋁電解電容器的發(fā)展，這種電解液已遠(yuǎn)不能滿足要求，故產(chǎn)生了許多新型電解液，以降低電容器的工作溫度范圍(如-55l25)。這些新型電解液的配方原則是：用兩種溶劑混合以達(dá)到互補(bǔ)。用兩種弱酸，以提供所需的兩種陰離子團(tuán)。加堿，如有機(jī)胺，以調(diào)整電解液的pH值和閃火電壓改變其電阻率。改進(jìn)電解液特性的添加物，如防止鋁氧化膜發(fā)生水合作用的磷酸或其鹽，吸收氫的二硝基苯等，提高電解液閃火電壓的乙烯氧化物。 2）在工藝上，除了已經(jīng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化以外，鋁電解電容器在工藝上的進(jìn)展主要是腐蝕相賦能兩個工藝。鋁箔的腐蝕系數(shù)不但已經(jīng)很高(低壓電容器箔已達(dá)100，高壓者達(dá)30)，而且可以根據(jù)對電容器的性能要求，腐蝕出不同坑洞形貌的鋁箔。腐蝕工藝是一種腐蝕液種類、濃度、溫度、原箔成分、結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、腐蝕過程中箔速度以及電源類型、波形、頻率、電壓等的動態(tài)平衡工藝。問題是如何得出最佳的動態(tài)平衡和如何根據(jù)要求確定出最傳平衡。因此，對現(xiàn)在的腐蝕工藝還不能說已經(jīng)達(dá)到了最佳狀態(tài)。 現(xiàn)在的賦能工藝已經(jīng)可以制造出優(yōu)質(zhì)的介質(zhì)氧化膜，而月還可以根據(jù)要求不同，制造出不同的介質(zhì)氧化膜，例如，對直流電容器，制造出和型結(jié)晶氧化鋁膜，對交流電容器，則為非晶膜。賦能工藝最大的進(jìn)展是能將氫氧化鋁膜轉(zhuǎn)變成介質(zhì)氧化鋁膜、并能在其表面形成防水層。此外，還能消除介質(zhì)膜的疵點(diǎn)和龜裂。 3）在結(jié)構(gòu)上，鋁電解電容器的結(jié)構(gòu)已經(jīng)多樣化，除了上述液體鋁電解電容器外還有固體鋁電解電容器。其結(jié)構(gòu)形式主要有兩種，一種是箔式卷繞形的，另一種是鋁粉燒結(jié)多孔塊狀的，所用的固體電解質(zhì)主要是MnO2。 鋁電解電容器的結(jié)構(gòu)已經(jīng)多樣化，如雙陽極結(jié)構(gòu)、對陰極結(jié)構(gòu)、 書本式結(jié)構(gòu)、三角式結(jié)構(gòu)、片式結(jié)構(gòu)。其中片式鋁電解電容器的出現(xiàn)是鋁電解電容器的又進(jìn)步。因?yàn)槿绻麤]有高比容的鋁箔、耐高溫的電解液、優(yōu)異的密封結(jié)構(gòu)和精細(xì)的加工技術(shù)，是很難制出合乎要求的片式鋁電解電容器的，目的，其片式化率還處于比較低的水平。 資料來源：華強(qiáng)電子世界 關(guān)于鉭電解電容器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用 較貴重的鉭特別適于制作電解電容器。這類電容器采用在陽極極板上通過形成過程引人的耐壓極好的五氧化鉭層作為介質(zhì)。五氧化鉭具行較大的介電常數(shù)(r27)。因此，在相向的耐壓強(qiáng)度下，每單位體積的電容系數(shù)較大。 五氧化鉭層在較長的貯藏期內(nèi)也不會裂解，漏電流很小。鉭電解電容器能滿足大多數(shù)應(yīng)用的高要求。它們被制成銅箔式電解電容器和鉭燒結(jié)式電解電容器。 鉭箔式電解電容器 這類電解電容器稱之為F類電容器。它們的制作與鋁電解電容器相似。采用有粗糙表面的鉭箔作為陽極箔，具有有極性結(jié)構(gòu)和無極性結(jié)構(gòu)兩種形式。 具有燒結(jié)式陽極和液體電解質(zhì)的鉭電解電容器(S型) 為了得到盡可能大的表面，將鉭粉燒結(jié)成金屬海綿型式，形成第二個電容器極板的電解質(zhì)侵入細(xì)孔內(nèi)。在此，燒結(jié)鉭塊表面上產(chǎn)生的五氧化鉭薄層也用作介質(zhì)。 由于表面積特別大，故每單位體積內(nèi)具有的電容量相當(dāng)大，這是任何其他類型的電容器所無法比擬的。 具有燒結(jié)式陽極和固體電解質(zhì)的鉭電解電容器(SF型) 眾所周知，電解質(zhì)是導(dǎo)電的液體，固體電解質(zhì)這一提法實(shí)際上是不恰當(dāng)?shù)模?，出于所用材料的特性與電解質(zhì)很相似，因而采用了這種提法。 將處于特殊結(jié)構(gòu)中的二氧化錳(MnO2)作為固體電解質(zhì)。二氧化錳具有n型半導(dǎo)體材料的特性。 用燒結(jié)鉭塊作為陽極板極。形成五氧化鉭層之后，錳化合物擠壓進(jìn)燒結(jié)塊的孔內(nèi)。然后，再通過特殊處理使之變?yōu)镸nO2。 這類電容器特別結(jié)實(shí)、電解質(zhì)不會流出，不會蒸發(fā)，也不會凝結(jié)