電容器PPT課件

2020/5/4,-,1,分立電子元件,電容器一、電容器的分類與簡介,2020/5/4,-,2,電容器是由介質(zhì)隔開的兩塊金屬極板構(gòu)成的電子元件，它是電子設(shè)備中主要基礎(chǔ)元件之一，廣泛用作儲能和傳遞信息。電容器具有隔直流和分離各種頻率的能力。廣泛用在隔直流、耦合、旁路、濾波、調(diào)諧、儲能等方面。,電容器簡介,2020/5/4,-,3,電容器發(fā)展方向：1）高可靠性2）承受多變的應(yīng)力條件電子工業(yè)的發(fā)展要求電容器在各種惡劣的應(yīng)力條件下使用，如宇航設(shè)備、軍用設(shè)備、海底電纜等。這些應(yīng)力條件主要包括：電應(yīng)力，電流過載、電壓過載、功率過載等環(huán)境應(yīng)力，潮濕、溫度、氣壓、幅射等機(jī)械應(yīng)用，振動、沖擊、加速度等。3）微小型化、片狀化,電容器簡介,2020/5/4,-,4,國產(chǎn)電容器的型號一般由四部分組成，依次分別代表名稱、材料、分類和序號。第一部分：名稱，用字母表示，電容器用C第二部分：材料，用字母表示產(chǎn)品的材料：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-復(fù)合介質(zhì)、I-玻璃釉、J-金屬化紙、L-滌綸等極性有機(jī)薄膜、N-鈮電解、O-玻璃膜、Q-漆膜、T-低頻陶瓷、V-云母紙、Y-云母、Z-紙介第三部分：分類，一般用數(shù)字表示，個別用字母表示。第四部分：序號，用數(shù)字表示,電容器命名,2020/5/4,-,5,按用途分：高頻旁路、低頻旁路、濾波、調(diào)諧、高頻耦合、低頻耦合、小型電容器。高頻旁路：陶瓷C、云母C、玻璃膜C、滌綸C、玻璃釉C。低頻旁路：紙介C、陶瓷C、鋁電解C、滌綸C。濾波：鋁電解C、紙介C、復(fù)合紙介C、液體鉭C。調(diào)諧：陶瓷C、云母C、玻璃膜C、聚苯乙烯C。高頻耦合：陶瓷C、云母C、聚苯乙烯C。低頻耦合：紙介C、陶瓷C、鋁電解C、滌綸C、固體鉭C。小型電容：金屬化紙介C、陶瓷C、鋁電解C、聚苯乙烯C、固體鉭C、玻璃釉C、金屬化滌綸C、聚丙烯C、云母C。,電容器分類,2020/5/4,-,6,電容器的分類與特點(diǎn),電容器,無機(jī)介質(zhì)電容器,有機(jī)介質(zhì)電容器,電解電容器,瓷介電容器,云母電容器,天然纖維電容器,人工高分子電容器,復(fù)合材料電容器,按電介質(zhì)分類,2020/5/4,-,7,電容器的分類,無機(jī)介質(zhì)電容器,無機(jī)介質(zhì)電容器主要有瓷介電容器和云母電容器兩類。瓷介電容器是整個電容器產(chǎn)品中產(chǎn)銷量最大的一種(產(chǎn)量占1/3)瓷介電容器按陶瓷介質(zhì)種類分成三大類：,類瓷介電容器；類瓷介電容器；類瓷介電容器。,2020/5/4,-,8,類又稱高頻瓷介電容器。高頻電容器是指用于高頻率段（大于或等于1MHz）下的電容器。在高頻率段下，電容器具有DF損耗值低、介電常數(shù)在7250之間、耐高壓、容量隨溫度變化率小等特點(diǎn)。類高頻電容器按溫度特性可分為高頻熱穩(wěn)定型電容器及高頻熱補(bǔ)償型電容器。高頻熱穩(wěn)定型電容器是指電容器容量隨溫度變化極小或?yàn)榱愕碾娙萜鳌Ｈ鏝PO型電容器在-55+125之間電容溫度系數(shù)（Tcc）在030ppm/。高頻熱補(bǔ)償電容器指電容器容量隨溫度變化較大、具有負(fù)溫度系數(shù)的電容器。高頻熱補(bǔ)償型電容器常用來制造負(fù)溫電容器產(chǎn)品,2020/5/4,-,9,類瓷介低頻電容器是指用于低頻率段（小于1MHz）下的電容器。低頻瓷介一般是強(qiáng)介鐵電陶瓷其特點(diǎn)是介電常數(shù)特別高，一般為數(shù)千甚至上萬；介電常數(shù)隨溫度呈非線性變化。類瓷介為半導(dǎo)體瓷介電容器，介電系數(shù)很大（可以上十萬），但介質(zhì)損耗也較大。,2020/5/4,-,10,瓷介電容器按產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分成：園片瓷介電容器（Disctype);多層瓷介電容器（MLCC）;此外還有穿芯瓷介電容；管形瓷介電容；瓶形瓷介電容等非主流產(chǎn)品。MLCC又有無引線片式（適合SMT)和有引線封裝式。,2020/5/4,-,11,電容器的分類與特點(diǎn),獨(dú)石電容器在若干片陶瓷薄膜坯上被覆以電極槳材料，疊合后一次繞結(jié)成一塊不可分割的整體，外面再用樹脂包封而成小體積、大容量、高可靠和耐高溫的新型電容器，體積極小，Q值高容量誤差較大用于噪聲旁路、濾波器、積分、振蕩電路,2020/5/4,-,12,電容器的分類與特點(diǎn),云母電容器特點(diǎn)：介質(zhì)強(qiáng)度高，大，tg小化學(xué)穩(wěn)定性高，熱膨脹系數(shù)小，耐熱性好機(jī)械性能優(yōu)良電容溫度系數(shù)小，高頻性能好(固有電感小)容量穩(wěn)定，精度高,云母是一種極為重要的優(yōu)良的無機(jī)絕緣材料，至今尚未發(fā)現(xiàn)有任何材料的綜合性能可以超過云母。,2020/5/4,-,13,1類（高頻）瓷介電容器,2020/5/4,-,14,2類（低頻）低壓瓷介電容器,2020/5/4,-,15,2類（低頻）中高壓瓷介電容器,2020/5/4,-,16,2020/5/4,-,17,高功率瓷介電容,2020/5/4,-,18,2020/5/4,-,19,2020/5/4,-,20,2020/5/4,-,21,2020/5/4,-,22,3類（半導(dǎo)體型）瓷介電容器,2020/5/4,-,23,有引線多層瓷介電容器,2020/5/4,-,24,有引線多層瓷介電容器,2020/5/4,-,25,片式瓷介電容器,2020/5/4,-,26,片式電容,2020/5/4,-,27,片式電容,2020/5/4,-,28,片式瓷介電容器結(jié)構(gòu)示意圖,2020/5/4,-,29,2020/5/4,-,30,2020/5/4,-,31,2020/5/4,-,32,2020/5/4,-,33,電容器的分類與特點(diǎn),有機(jī)介質(zhì)電容器分類：按組成電容的介質(zhì)材料性質(zhì)或類別將分為三大類型：以天然纖維材料為介質(zhì)的電容器，如各種紙介(質(zhì))和金屬化紙介(質(zhì))電容器以人工合成的高分子化合物材料為介質(zhì)的電容器，如聚脂膜、聚丙烯等各種有機(jī)薄膜電容器以復(fù)合材料為介質(zhì)的電容器，如紙膜、膜膜復(fù)合介質(zhì)電容器,2020/5/4,-,34,有機(jī)介質(zhì)電容器特點(diǎn),電容量范圍大，絕緣電阻高溫度系數(shù)可互為補(bǔ)償工作溫度范圍寬損耗角正切值小適合自動化生產(chǎn)熱穩(wěn)定較差，化學(xué)穩(wěn)定性差，易老化具有不同程度的吸濕性和透濕性,2020/5/4,-,35,2020/5/4,-,36,2020/5/4,-,37,2020/5/4,-,38,電解電容器：電解電容器的工作介質(zhì)是一層極薄的金屬氧化膜，它生長在某種金屬上，而這個生長有氧化膜的金屬為電容器的陽極。電解電容器的陰極卻不是金屬，而是電解質(zhì)（液體、半液體或固體）。電解電容的另一金屬與電解質(zhì)相接觸，起引出陰極作用。,3、電解電容器,陽極(金屬),陰極,金屬陽極氧化膜,電解質(zhì),2020/5/4,-,39,電解電容器分類：電解質(zhì)形式：固體和液體電解質(zhì)電容器介質(zhì)材料性質(zhì)：鉭或鋁電解電容器,2020/5/4,-,40,優(yōu)點(diǎn),單位體積電容量非常大（比其它種類的電容大幾十到數(shù)百倍；額定容量非常大(幾萬微法甚至幾法,10-210-3微米)；具有自愈特性(某些電容器在其電介質(zhì)局部擊穿時可以自行修復(fù);局部高溫使金屬化薄層揮發(fā)而達(dá)到自愈)；價(jià)格優(yōu)勢。,缺點(diǎn),有極性；有漏液的可能性；損耗角正切值較大；溫度、頻率特性相對較差。,2020/5/4,-,41,日本CHEMICON,2020/5/4,-,42,韓國SAMSUNG,2020/5/4,-,43,2020/5/4,-,44,4、超級電容器,根據(jù)工作原理，超級電容可分成兩類：一類是雙電層電容，另一類是贗電容。,超級電容器的問世實(shí)現(xiàn)了電容量由微法級向法拉級的飛躍，可實(shí)現(xiàn)電容量0.5-1000F，工作電壓12-400V，最大放電電流400-2000A,2020/5/4,-,45,基本原理：多孔大比表面的電極材料與液態(tài)（或膠體）電解質(zhì)接觸，在充電電場作用下，處于理想極化狀態(tài)的電極表面電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子，使這些離子附于電極表面上形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容。由于兩電荷層的距離非常?。ㄒ话?.5mm以下），再加之采用特殊電極結(jié)構(gòu)，使電極表面積成萬倍的增加，從而產(chǎn)生極大的電容量。,超級電容器基本原理,雙電層電容器是根據(jù)電極與電解液之間形成的界面雙電層電容來儲存能量。,雙電層電容器使用的電極材料多為多孔碳材料，如活性炭粉末、活性碳纖維、碳納米管等。,2020/5/4,-,46,超級電容器基本原理,基本原理：在電極材料表面或體相的二位或三維空間上電活性物質(zhì)進(jìn)行高可逆的化學(xué)吸附/脫附或氧化/還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生充放電效應(yīng)。贗電容器的電極材料可以是金屬氧化物，也可以是導(dǎo)電聚合物。常用金屬氧化物為過渡金屬氧化物，如MnO2、V2O5、Co3O4、RuO2等，其中以RuO2最好。但因價(jià)格昂貴，因此許多人在研究賤金屬氧化物電極材料。,贗電容器也叫法拉第準(zhǔn)電容。,2020/5/4,-,47,超級電容器、靜電電容器與電池性能比較,以蓄電池加電化學(xué)電容器的復(fù)合動力源電動車輛；蓄電池提供正常運(yùn)行狀態(tài)下所需平均功率，而在爬坡、啟動、制動狀態(tài)下所需加速功率（儲備功率）由并聯(lián)的電化學(xué)電容器堆提供LoadLeveling技術(shù),2020/5/4,-,48,超高電容量(0.1F5000F)；比同體積電解電容容量大20006000倍；等效串聯(lián)電阻低（LOWESR）；超長壽命，充放電大于50萬次；單體電壓：2.3V、2.5V、2.75V；釋能密度(PowerDensity)是鋰離子電池的數(shù)十倍以上。,超級電容器特性,2020/5/4,-,49,超級電容應(yīng)用領(lǐng)域,無線通訊-GSM手機(jī)通訊時脈沖電源；雙向?qū)ず簦黄渌鼣?shù)據(jù)通訊設(shè)備。移動電腦-手提數(shù)據(jù)終端；PDA；其它使用微處理器的手提設(shè)備。工業(yè)/汽車-智能水表、電表；遠(yuǎn)程載波抄表；無線報(bào)警系統(tǒng)；電磁閥；電子門鎖；脈沖電源；UPS；電動工具；汽車輔助系統(tǒng)；汽車啟動設(shè)備。消費(fèi)電子-音響、視頻和其它電子產(chǎn)品斷電時須用記憶保持電路的產(chǎn)品；電子玩具；無線電話；電熱水瓶；照相機(jī)閃光燈系統(tǒng)；助聽器。,2020/5/4,-,50,與電池進(jìn)行比較，有如下一些明顯特性：超低串聯(lián)等效電阻（ESR），功率密度(PowerDensity)是鋰離子電池的數(shù)十倍以上，適合大電流放電，（一枚4.7F電容能釋放瞬間電流18A以上）。超長壽命，充放電大于50萬次，是鋰離子電池的500倍，是鎳氫和鎳鎘電池的1000倍，如果對超級電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達(dá)68年?？梢源箅娏鞒浞烹?，充放電時間短，對充電電路要求簡單，無記憶效應(yīng)。免維護(hù)，可密封。溫度范圍寬-40+70，普通電池是-2060。,超級電容與可充電電池比較,2020/5/4,-,51,2020/5/4,-,52,2020/5/4,-,53,2020/5/4,-,54,超級電容公交車,自2006年10月以來，在上海的鬧市區(qū)，正式開通了11路公交車，全線以超級電容車運(yùn)營。,11路公交車，用普通的公交車改裝成以超級電容器來驅(qū)動的車輛。,2020/5/4,-,55,超級電容公交車,另外一路超級電容公交車，在著名的磁懸浮列車的終點(diǎn)站服務(wù),請注意，每個車站，在車輛的上方有充電設(shè)施，車輛進(jìn)站后，可以在30秒內(nèi)給車輛充足電能。,2020/5/4,-,56,2020/5/4,-,57,超級電容公交車,2020/5/4,-,58,電容旅游車4座車,此車在上海崇明生態(tài)島使用,2020/5/4,-,59,電容旅游車6座車,此車在上海崇明生態(tài)島上使用,2020/5/4,-,60,電容旅游車11座車,此車在上海張江高科技園區(qū)使用。,電容器的基本性能,2020/5/4,-,62,電容器是由介質(zhì)隔開的兩塊金屬極板構(gòu)成的電子元件，它是電子設(shè)備中主要基礎(chǔ)元件之一，廣泛用作儲能和傳遞信息。在電子工程中它用于發(fā)送接收設(shè)備、電視、計(jì)算機(jī)、電子儀器、電工測量儀器和自動裝置中；在電力工程中用于改善系統(tǒng)功率因數(shù)、防止過電壓、獲得瞬時大電流、電機(jī)啟動、滅弧，同時還廣泛用于高頻加熱、高頻淬火、發(fā)動機(jī)點(diǎn)火、家用電器、閃光攝影等處。各種電容器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或制造廠的技術(shù)說明書都會詳細(xì)列出各個具體規(guī)格及其技術(shù)參數(shù)，本章講解電容器的幾個主要技術(shù)參數(shù)。,電容器簡介,2020/5/4,-,63,兩個任意形狀，帶有等量異號電荷的導(dǎo)體組就是一個電容器，理想電容器兩個極板所帶電荷量與它的電勢差成正比，即：,1.1電容器的電容量,1.1.1電容量及其偏差概念,.(1.1.1),式1.1.1中的比例系數(shù)C定義為電容器的電容量。,2020/5/4,-,64,電容量的單位為法拉（F），即當(dāng)電容器極板間的電勢差為1伏特時，兩極板分別所帶的正負(fù)電荷量為1庫侖，則該電容器的電容量定義為1法拉。,電容器的基本功能就是儲存電荷，電容器的電容量大小實(shí)際上就是表征該電容器儲存電荷的能力。電容量是電容器產(chǎn)品的最基本的技術(shù)參數(shù)。,電容量,常用單位：F、pF,2020/5/4,-,65,介電系數(shù),圖1.1示出處于真空中的一對平行板電極組成一電容器，當(dāng)極板之間施加一直流電壓U，則兩極板感應(yīng)出相反電荷Q0，并且隨著電壓的升高，電荷量按比例升高，此時該電容器電容量為：,.(1.1.2),2020/5/4,-,66,介電常數(shù),該電容器電容量變?yōu)椋?定義相對介電常數(shù)為：,表示介質(zhì)在某一電壓下極化電荷增加的能力，是表征介質(zhì)極化的宏觀物理量。因此，越大表明貯存電荷的能力越強(qiáng)，其電容量相應(yīng)也越大。,2020/5/4,-,67,對于平行板電容器，其電容量C可根據(jù)其所用介質(zhì)的介電系數(shù)及電容器的結(jié)構(gòu)尺寸經(jīng)靜電學(xué)的基本公式推算得到：,.(1.1.5),電容量公式,2020/5/4,-,68,由于,（F/m）,.(1.1.6),所以,式中電容量單位為F；S為極板面積，單位為m2；d為極板間距離，單位為m；為電容器介質(zhì)的相對介電系數(shù)。,（F）,2020/5/4,-,69,電容量公式（3）,公式(1.1.6)可換算成：,.(1.1.7),式1.1.7和式1.1.8中電容量單位為pF；S為電容器的“有效”電極面積，單位為cm2，D為圓形電極的“有效”直徑，單位為cm；d為極板間距離，單位為cm；為電容器介質(zhì)的相對介電系數(shù)。,特別地，對于圓片型電容器，公式變換成：,.(1.1.8),2020/5/4,-,70,電容器標(biāo)稱容量與允許偏差,標(biāo)稱容量是指標(biāo)在電容器外殼上的電容量數(shù)值。,電容器的標(biāo)稱電容值是根據(jù)國家制定的標(biāo)準(zhǔn)系列標(biāo)注的，不是生產(chǎn)者任意標(biāo)定的。按照國標(biāo)GB2471,電容器的標(biāo)稱容量通常采用的系列有E3、E6、E12、E24，對于精密固定電容器可采用E48、E96、E192系列。使用時應(yīng)按以上標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選購，否則難以買到。,如E24系列中有1.0、1.1、1.2、1.3、1.5、1.6等值。如，要選擇1.4,2020/5/4,-,71,當(dāng)然，也有極少數(shù)情況下，電路設(shè)計(jì)需要知道所使用的電容器的電容量精確值，針對這種要求所生產(chǎn)的電容器必須標(biāo)出特定環(huán)境條件下所測量的電容量準(zhǔn)確值，但這類電容器必須具有高穩(wěn)定性。,為什么規(guī)定允許偏差？,電容器作為工業(yè)產(chǎn)品，工業(yè)生產(chǎn)中各種影響因素很多，不可能制造出兩件技術(shù)參數(shù)完全相同的產(chǎn)品。對使用者來說一般沒有必要知道某個電容器的電容量實(shí)際值，電力、電子線路設(shè)計(jì)對電容器的電容量要求都有一定范圍。規(guī)定允許偏差利于批量生產(chǎn)，利于電容器的應(yīng)用設(shè)計(jì)。,工業(yè)生產(chǎn)的電容器產(chǎn)品一般都標(biāo)示出其電容器的標(biāo)稱值及其允許偏差。,2020/5/4,-,72,標(biāo)稱值與標(biāo)準(zhǔn)允許偏差,電容量允許偏差系列也在國標(biāo)GB2471作了規(guī)定，電容器常用允許偏差系列有：5%(J)，10%(K)，20%(M)，+80/-20%(Z)等。電容量標(biāo)稱值系列與允許偏差系列配合使用，可實(shí)現(xiàn)所謂“零廢品”生產(chǎn)。,允許偏差的標(biāo)注方法有三種：1.用字母表示偏差如223Z表示的容量為22000pF,字母Z表示偏差為+80%-20%；2.直接標(biāo)出偏差的絕對值如68pF0.2pF；3.直接用數(shù)字表示百分比的偏差如0.068/5中的5表示偏差為5，而將%省去。,2020/5/4,-,73,一般意義上來說，電容器標(biāo)稱允許偏差越小，其電容量精度越高。但并不是說，偏差越小的產(chǎn)品電性能就越好。由于批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，其技術(shù)指標(biāo)有分散性的問題，這個分散性與生產(chǎn)工藝過程等因素有關(guān)，如產(chǎn)品尺寸一致性，工藝條件一致性，生產(chǎn)用原材料的均勻性等因素都會影響產(chǎn)品的一致性。同一種介質(zhì)材料相同生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的電容器，偏差范圍規(guī)定越小，生產(chǎn)成本就越高。,允許偏差大小與合理選用,2020/5/4,-,74,介質(zhì)材料的基本特性是決定電容器產(chǎn)品容量允許偏差大小的主要因素,允許偏差與介質(zhì)材料的關(guān)系,各種介質(zhì)材料介電系數(shù)相對環(huán)境和時間的穩(wěn)定性各不相同，一般來說同類介質(zhì)材料，其介電系數(shù)的大小與穩(wěn)定性是互相牽制的。例如：類和類陶瓷介質(zhì)材料。類材料介電系數(shù)低（7250），但穩(wěn)定性高（Tcc：030ppm/），類材料介電系數(shù)高（數(shù)千甚至上萬），但穩(wěn)定性差。因此類瓷介電容器的容量允許偏差多選5%或10%，而類瓷介電容器的容量允許偏差多選10%或20%，甚至+80/-20%.,2020/5/4,-,75,1.2電容器電容量的設(shè)計(jì)與計(jì)算,電容器的電容量主要由電容器介質(zhì)的介電系數(shù)與電容器元件的結(jié)構(gòu)、尺寸決定。當(dāng)電容器用的介質(zhì)材料確定以后，電容量主要由其結(jié)構(gòu)尺寸決定。通常我們所指的電容器的結(jié)構(gòu)包括電容器芯子及封裝、引出結(jié)構(gòu)，一般來說，電容器的電容量主要決定于芯子的容量。,2020/5/4,-,76,常用的電容器芯子結(jié)構(gòu)主要有三種：平板形、管形、卷繞形。其他各種結(jié)構(gòu)的芯子都是這三種基本結(jié)構(gòu)的變形。例如，疊片型芯子是平板形的變形結(jié)構(gòu)、罐形芯子是管形芯子的變形結(jié)構(gòu)、在高功率瓷介電容器中使用的盤形和筒形也都是平板形的變形結(jié)構(gòu)。下面分別討論這三種基本結(jié)構(gòu)電容器芯子的電容量計(jì)算方法。,電容器芯子結(jié)構(gòu),2020/5/4,-,77,1、平板形電容器芯子的電容量計(jì)算,平板形是一種最簡單的電容器芯子結(jié)構(gòu)形式，在無機(jī)電容器中廣泛應(yīng)用。例如各種圓片型瓷介電容器、云母電容器，片式瓷介電容器。平板形電容器芯子可分為單片形及多層疊片形兩種。,平板形電容器芯子,2020/5/4,-,78,單片電容器芯子：,(pF),其中:為介質(zhì)材料的相對介電系數(shù)；S為極板有效面積，單位以cm2計(jì)；d為電極距離（介質(zhì)厚度），單位以cm計(jì)。,我們也可以用上式來設(shè)計(jì)計(jì)算給定電容量、介質(zhì)厚度和介電常數(shù)電容器所需極板的有效面積。,2020/5/4,-,79,多層（疊片型）電容器芯子,為了增大電容器的電容量，可將電容器制作成多層平板結(jié)構(gòu)。例如片式多層瓷介電容器MLCC(multilayerceramiccapacitor)，多層云母電容器，多層玻璃釉電容器等就是這種結(jié)構(gòu)。,一般來說，多層電容器的各層基本等效，每層介質(zhì)厚度、電極面積相等，因此多層電容器的電容量等于相應(yīng)單層電容器電容量的n倍（n為有效介質(zhì)層數(shù)）。,2020/5/4,-,80,多層瓷介電容器結(jié)構(gòu)示意圖,2020/5/4,-,81,疊層結(jié)構(gòu)示意圖,實(shí)際尺寸很小！實(shí)際層數(shù)很多！,2020/5/4,-,82,2020/5/4,-,83,2、管形電容器芯子的電容量計(jì)算,管形電容器介質(zhì)為園管結(jié)構(gòu)，電極由兩個同軸的圓柱面所組成，兩個圓柱面的半徑分別為R1和R2，長度為h。如圖所示.,2020/5/4,-,84,兩極板間間隔了介電系數(shù)為的電介質(zhì)，其間的電位差為U.由靜電學(xué)的基本定律可知，距軸心R處的電場強(qiáng)度為：,2、管形電容器芯子的電容量計(jì)算（2）,而電場與電位的關(guān)系為：E=-dU/dR，因此：,.(1.1.9),.(1.1.10),2020/5/4,-,85,將上式積分得：,將0的數(shù)值代入，并考慮到Q=CU，因此管形電容器芯子的電容量為：,（pF）,式中h,R1,R2,d均以cm計(jì)。,(1.1.11),2、管形電容器芯子的電容量計(jì)算（3）,2020/5/4,-,86,3、卷繞型電容器芯子的電容量計(jì)算,卷繞結(jié)構(gòu)常用于有機(jī)介質(zhì)電容器和箔式電解電容器。無機(jī)介質(zhì)電容器一般不采用這種結(jié)構(gòu)（？）。和疊層結(jié)構(gòu)一樣，卷繞結(jié)構(gòu)也是為了提高單個電容器芯子的電容量。卷繞結(jié)構(gòu)電容器芯子由兩電極層和兩介質(zhì)層相互交替隔開卷繞成螺圈形狀。每一介質(zhì)層可以是單層介質(zhì)薄膜，也可以是多層介質(zhì)薄膜。,2020/5/4,-,87,2020/5/4,-,88,3、卷繞型電容器芯子的電容量計(jì)算（2）,將卷繞結(jié)構(gòu)電容器展開后，由于只有一層介質(zhì)起作用（兩面有電極），另一層介質(zhì)不起作用，電容量計(jì)算完全可參考平板電容器。但當(dāng)處于卷繞狀態(tài)，每層電極膜都是相鄰兩層介質(zhì)膜的電極，電容器電容量是展開時的兩倍。,pF,2020/5/4,-,89,電容器的容量溫度特性電容器的絕緣電阻電容器的吸收系數(shù)電容器的介電強(qiáng)度,1.3電容器的應(yīng)用參數(shù),2020/5/4,-,90,電容器類別溫度的三個基本概念：類別溫度范圍：電容器設(shè)計(jì)所確定的能連續(xù)工作的環(huán)境溫度范圍。該范圍取決于它相應(yīng)類別溫度的極限值。上限類別溫度：電容器設(shè)計(jì)所確定的能連續(xù)工作的最高環(huán)境溫度。下限類別溫度：電容器設(shè)計(jì)所確定的能連續(xù)工作的最低環(huán)境溫度。,電容器的應(yīng)用參數(shù)容量溫度特性,2020/5/4,-,91,電容器的電容量溫度特性是指在特定的類別溫度范圍內(nèi)，電容量隨溫度的變化特性。電容器電容量的溫度特性主要與電容器介質(zhì)的溫度特性有關(guān)。其次還與電容器結(jié)構(gòu)有關(guān)。以下主要討論電容介質(zhì)介電系數(shù)的溫度特性。,電容量溫度特性定義,注意可逆變化與不可逆變化,電容器的應(yīng)用參數(shù)容量溫度特性,2020/5/4,-,92,不同種類電容介質(zhì)溫度特性相差很大，有的隨溫度變化很微小，如高穩(wěn)定電容介質(zhì)只允許ppm量級的變化，有的則變化很大，如有的電容介質(zhì)介電系數(shù)允許變化率-80%；有的為線性變化，有的則是非線性變化。,為了衡量電容器電容量相對溫度的穩(wěn)定性，我們引入電容量溫度系數(shù)的概念，其定義為：,電容量溫度系數(shù)的物理意義為：溫度每變化一度，電容量的相對變化率。,目前我國采用的是從室溫到正極限工作溫度范圍，室溫一般是205，正極限工作溫度一般取855,電容量溫度系數(shù),2020/5/4,-,93,容量溫度變化率,適用于一些容量溫度穩(wěn)定性較差而要求又不嚴(yán)格的電容器，通常采用容量溫度變化率來表征。,電容器的應(yīng)用參數(shù)容量溫度特性,式中：C1-室溫電容器的電容量C2-正極限溫度時的電容量,2020/5/4,-,94,電容器的應(yīng)用參數(shù)容量溫度特性,2020/5/4,-,95,電容器的應(yīng)用參數(shù)容量溫度特性,電容溫度穩(wěn)定性系數(shù),表征電容量不可逆變化的程度采用電容溫度穩(wěn)定性系數(shù)表示：,式中：C1-試驗(yàn)前室溫時的電容量C2-經(jīng)冷熱循環(huán)后恢復(fù)到室溫時的電容量或經(jīng)長期自然老化后的電容量,2020/5/4,-,96,總電流(I),位移電流(Ic),吸收電流(Ia),漏導(dǎo)電流(Il),電容器充電電流與時間關(guān)系,電容器的應(yīng)用參數(shù)電容器的絕緣電阻,I=Ic+Ia+Il,Ic，正常充電電流Ia，由緩慢極化建立的充電電流Il，漏導(dǎo)電流,Il=Iv+Is,Iv，通過芯子的電流Is，通過兩個引出端的表面路徑的電流,2020/5/4,-,97,電容器是由電介質(zhì)和一對導(dǎo)電極板構(gòu)成的，電介質(zhì)具有絕緣性，因此理想電容器的絕緣電阻應(yīng)是無窮大，在直流電場下，穩(wěn)態(tài)時，應(yīng)無電流流過。但是電介質(zhì)并不是理想的絕緣體，實(shí)際的電介質(zhì)內(nèi)部都或多或少具有一定數(shù)量的弱聯(lián)系帶電質(zhì)點(diǎn)。,漏導(dǎo)電流產(chǎn)生的原因,電容器的應(yīng)用參數(shù)電容器的絕緣電阻,2020/5/4,-,98,在沒有外電場作用時，這些弱聯(lián)系帶電質(zhì)點(diǎn)作不規(guī)則的熱運(yùn)動，當(dāng)加上外電場后，這些弱聯(lián)系帶電質(zhì)點(diǎn)便會受到電場力的作用，在不規(guī)則的熱運(yùn)動上增加了沿外電場方向的定向漂移，這樣便形成了貫穿電介質(zhì)的漏電流。此外，電介質(zhì)的表面也會由于缺陷或污染形成表面電導(dǎo)；絕緣封裝材料吸潮或污染也會形成漏電流。,電容器的應(yīng)用參數(shù)電容器的絕緣電阻,漏導(dǎo)電流產(chǎn)生的原因（2）,2020/5/4,-,99,電容器總漏電流的大小決定了電容器的絕緣質(zhì)量,且通常采用絕緣電阻這個參數(shù)來表征。,注意絕緣電阻與絕緣強(qiáng)度的區(qū)別絕緣電阻是在規(guī)定的負(fù)荷電壓下測得的電容器兩電極間的電阻值。絕緣強(qiáng)度指介質(zhì)材料或元器件承受電場強(qiáng)度不被破壞的能力。對于電容器來說極間的絕緣強(qiáng)度通常用耐電壓參數(shù)表征。,電容器的應(yīng)用參數(shù)電容器的絕緣電阻,Rs，表面漏導(dǎo)電阻Rv，體積漏導(dǎo)電阻,2020/5/4,-,100,在時間t1將電容器充電到U，然后在t2時間內(nèi)將其短路，隨即將電路斷開（去除短路）并經(jīng)時間t3后，發(fā)現(xiàn)電容器兩端又出現(xiàn)一定數(shù)值的電壓Ua，這個電壓稱為剩余電壓。這種過程稱為電容的介質(zhì)吸收現(xiàn)象。,電容器的應(yīng)用參數(shù)電容器的吸收系數(shù),介質(zhì)吸收現(xiàn)象,2020/5/4,-,101,電介質(zhì)在電場下產(chǎn)生極化，極化的建立需要一定時間。極化機(jī)理分“快速”極化和“緩慢”極化，快速極化主要包括電子位移極化和離子位移極化，這些極化的建立所需時間極短，在電容器通常使用頻率范圍可忽略不計(jì)。而“緩慢”包括熱離子極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化等，極化的建立需要較長時間?！熬徛睒O化稱為馳豫極化或松弛極化。正是由于松弛極化現(xiàn)象使得測量電容器的漏電流時需要較長時間才能獲得穩(wěn)定讀數(shù)。,電容器的應(yīng)用參數(shù)電容器的吸收系數(shù),介質(zhì)吸收現(xiàn)象的原因就是介質(zhì)存在松弛極化,2020/5/4,-,102,吸收系數(shù),電容器吸收現(xiàn)象的程度用吸收系數(shù)Ka來表示,Ka的定義為剩余電壓與充電電壓之比：,很顯然，測量Ka的測量值與電容器的充電時間、短路放電時間、及短路后開路的時間有關(guān)，因此，提供Ka值時一般應(yīng)同時列出這三個時間。,電容器的應(yīng)用參數(shù)電容器的吸收系數(shù),t1=110min；t2=25sec；t3=110min,2020/5/4,-,103,幾種類型電容器吸收系數(shù)舉例,電容器的應(yīng)用參數(shù)電容器的吸收系數(shù),注：t1=3min；t2=5sec；t3=3min,2020/5/4,-,104,電容器的應(yīng)用參數(shù)電容器的吸收系數(shù),我們還需要注意的是電容器經(jīng)過放電之后，兩端重新出現(xiàn)的剩余電壓雖然是充電電壓的一小部分，但對高壓電容器也是不安全的。因此，帶有高壓電容器的設(shè)備一般都裝有專門的放電電阻或其他的放電裝置，以保證人員的安全！,小心觸電,2020/5/4,-,105,1.損耗的一般概念,任何實(shí)際的電容器，在電場的作用下都是要消耗能量的。電容器把所貯存或傳遞的一部分電能轉(zhuǎn)變成熱能，其中一部分使電容器發(fā)熱，溫度升高，另一部分則消耗在周圍環(huán)境中。通常我們把電容器在電場作用下，單位時間內(nèi)因發(fā)熱而消耗的能量叫做電容器的損耗。,理想電容器不消耗能量！,電容器的應(yīng)用參數(shù)損耗,2020/5/4,-,106,損耗對電容器的影響,電容器的損耗是衡量電容器品質(zhì)優(yōu)劣的一重要指標(biāo)，損耗愈大發(fā)熱愈嚴(yán)重，則表示電容器傳遞能量的效率愈差。在極限情況下，有導(dǎo)致電容器破壞的危險(xiǎn)，使用頻率愈高，這種危險(xiǎn)性就愈大。,電容器的應(yīng)用參數(shù)損耗,2020/5/4,-,107,直流電壓下的電容器損耗,當(dāng)電容器在直流電壓下工作時，由于沒有隨外電場變化的周期性極化，因而不存在介質(zhì)的極化損耗。然而，任何電容器介質(zhì)總有一些漏導(dǎo)電流通過，這樣便產(chǎn)生了能量損耗，即直流下電容器的損耗表現(xiàn)為介質(zhì)的漏導(dǎo)損耗。,電容器的應(yīng)用參數(shù)損耗,2020/5/4,-,108,電容器直流損耗可用功率損耗表示，即：,（W）,式中：S極板面積，cm2；電容器的體積電導(dǎo)率，1/cm；E電場強(qiáng)度，V/cm；d介質(zhì)厚度，cm。,電容器中單位體積的功率損耗為:,（W/cm3）,直流電壓下的電容器損耗,電容器的應(yīng)用參數(shù)損耗,2020/5/4,-,109,交流電壓下的電容器損耗,電容器在交變電場作用下的損耗不僅與漏導(dǎo)電流有關(guān)，而且與周期性的極化建立過程有關(guān)。,下圖示出簡化的電容器等效電路及電流矢量關(guān)系。無功電流Ic與總電流I之間的夾角稱為損耗角。,電容器的等效并聯(lián)電路,電容器的應(yīng)用參數(shù)損耗,2020/5/4,-,110,有功功率與無功功率,這時電容器中無功功率為,通常人們認(rèn)為，電容器的有功功率越大其損耗越大。,產(chǎn)生損耗的一小部分電流為有功電流IR，電容器的能量損耗用有功功率表示：,電容器的應(yīng)用參數(shù)損耗,2020/5/4,-,111,損耗角正切tg,為了更確切地表征電容器的性質(zhì)，需要考慮有功功率（或損耗功率）與無功功率兩者的比例情況，通常用電容器損耗角的正切tg表征電容器損耗特性。,電容器的損耗角正切值可用有功功率與無功功率的比值表示，即：,電容器的應(yīng)用參數(shù)損耗,2020/5/4,-,112,在評價(jià)高頻電容器時，有時也采用品質(zhì)因數(shù)Q作為其質(zhì)量指標(biāo)之一，按其定義就是電容器在電場中的無功功率與有功功率之比，即：,電容器的品質(zhì)因數(shù)Q,電容器的應(yīng)用參數(shù)損耗,2020/5/4,-,113,介質(zhì)損耗的測量,電容器的tg值是在規(guī)定頻率下測量的。對于低頻應(yīng)用的瓷介電容器，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測量頻率為1kHz；而高頻應(yīng)用的電容器，一般標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測量頻率為1MHz；對于電解電容器情況比較特殊，通常產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測量頻率為工頻或兩倍工頻。一般電容器的測量儀表，電容量和損耗角正切值同時測量。,電容器的應(yīng)用參數(shù)損耗,2020/5/4,-,114,電容器的損耗分析,電容器介質(zhì)的損耗主要來自兩個方面，一是電導(dǎo)損耗，即上節(jié)所講的電容器的漏導(dǎo)電流所形成的能量消耗；另一方面是電容器介質(zhì)的弛豫極化損耗。漏導(dǎo)電流的形成我們在討論絕緣電阻時已進(jìn)行分析，以下著重討論弛豫(松弛)極化損耗。,電容器介質(zhì)引起的損耗,電容器的應(yīng)用參數(shù)損耗,2020/5/4,-,115,極化形式大致可分為兩大類:一類是位移型極化，包括電子位移極化和離子位移極化；另一類是弛豫型極化，包括偶極子轉(zhuǎn)向極化，熱離子松弛極化，空間電荷極化等。,電介質(zhì)極化形式,電容器的應(yīng)用參數(shù)損耗,2020/5/4,-,116,位移型極化建立的時間很短，約為10-1410-15s，從50Hz的工頻到1012Hz的超高頻范圍，位移極化所需時間與外電場交變周期相比是很短的，因此，在低于1012Hz頻率以下的電工電子產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域，位移極化不會產(chǎn)生能量消耗，即不會產(chǎn)生電容器的損耗。弛豫型極化所需建立的時間則較長，大約為10-210-8s，因此，在一定頻段范圍內(nèi)弛豫極化會造成電介質(zhì)材料的損耗。,極化形式與損耗關(guān)系,電容器的應(yīng)用參數(shù)損耗,2020/5/4,-,117,電容器金屬部分引起的損耗,電容器的金屬部分包括：極板、引出片和引出線等。,電容器的金屬部分引起的能量損耗有：極板電阻損耗；引出片、引出線電阻損耗；金屬部分與介質(zhì)材料接觸電阻及各金屬部分之間接觸電阻損耗；高壓電容器極板邊緣電暈、閃爍引起的損耗；極板振動引起的損耗。,電容器的應(yīng)用參數(shù)損耗,2020/5/4,-,118,1.6電容器額定工作電壓與電容器的擊穿,電容器的額定工作電壓：在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，能夠持續(xù)可靠工作的最高電壓。,額定溫度：可以施加電容器額定電壓的最高環(huán)境溫度。,類別電壓：在上限類別溫度下可以連續(xù)施加在電容器上的最高電壓。,2020/5/4,-,119,對于瓷介電容器，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)定產(chǎn)品的額定溫度即為上限類別溫度，因此，該產(chǎn)品的類別電壓也就是額定電壓。事實(shí)上，大部分電容器產(chǎn)品的額定溫度即是上限類別溫度。,2020/5/4,-,120,電容器額定電壓有關(guān)測試,電容器產(chǎn)品的額定工作電壓是預(yù)期該產(chǎn)品能夠承受的持續(xù)工作電壓。GB2693-86規(guī)定電容器產(chǎn)品必須進(jìn)行耐電壓測試和耐久性試驗(yàn)。耐電壓測試是測試電容器產(chǎn)品承受短時（數(shù)秒鐘或數(shù)分鐘）電壓負(fù)荷的能力；耐久性試驗(yàn)則是測試電容器產(chǎn)品承受較長時間（通常試驗(yàn)時間為1000小時）電壓負(fù)荷的能力。,2020/5/4,-,121,耐電壓測量不僅要測量電容器引出端之間的耐電壓性能，而且要檢測外殼與引出端之間的耐電壓性能（絕緣強(qiáng)度），對于多芯組合型電容器，還要檢測各個芯子之間的耐電壓性能，而對于具有絕緣型金屬外殼的電容器，還要檢測金屬殼與絕緣表層之間的耐電壓性能。,電容器耐電壓測量點(diǎn),2020/5/4,-,122,試驗(yàn)電壓與額定電壓,電容器的耐電壓試驗(yàn)電壓通常并不等于電容器的額定電壓，而是高于額定電壓，對于具體種類具體規(guī)格的產(chǎn)品，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)（包括國際、國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及生產(chǎn)廠家的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）會規(guī)定相應(yīng)的測試電壓。,產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)還應(yīng)規(guī)定試驗(yàn)電壓施加時間及環(huán)境條件。周期試驗(yàn)與逐批試驗(yàn)要求的施加電壓不同；耐電壓試驗(yàn)與耐久性試驗(yàn)施加的電壓不同。,2020/5/4,-,123,電容器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的耐久性試驗(yàn)實(shí)際上是一種加速壽命試驗(yàn)。工業(yè)產(chǎn)品都有使用壽命與相應(yīng)的壽命試驗(yàn)。在正常狀態(tài)下做壽命試驗(yàn)要耗用大量時間，為此采用加速老化試驗(yàn)，用一個相對短的時間內(nèi)改變工作條件獲得產(chǎn)品工作可靠程度的信息。,耐久性試驗(yàn),例如：GB5966-86規(guī)定“類瓷介固定電容器”耐久性測試持續(xù)時間為1000小時，施加電壓為額定電壓（UR）的1.5倍。,2020/5/4,-,124,電容器的電擊穿,定義：電容器在電場作用下瞬時發(fā)生的擊穿稱為電擊穿，并且通常特指為介質(zhì)材料的瞬時擊穿。,介質(zhì)材料的電擊穿機(jī)理為：介質(zhì)材料中的自由電子在強(qiáng)電場作用下，碰撞中性分子，使之電離產(chǎn)生正離子和新