基础电子学系列13 – 电容器的类型

在之前的教程中，我们了解了信号行为和电容器的作用在一个电路中。电容器响应施加的电压以静电场的形式存储电荷。只要施加的电压增加（相对于电容器两端的电流电压），它就会通过允许充电电流进行充电，直到其两端的电压等于和相反于施加的电压。只要施加的电压降低（相对于电容器两端的当前电压），它就会放电，允许放电电流以相反的方向通过它，直到它两端的电压等于并与施加的电压相反。当电容器两端的电压没有变化或保持开路时，电容器会保持其两端的电压。电容器仅在其两端的电压发生变化时才允许电流通过。对于恒定的直流电压，

决定电容器电容的因素

任何电容器基本上都是由介电介质隔开的两个导电板。下式给出了电容器的电容：

C = ε * A / d
这里的：

C=电容器的电容

ε=电介质的绝对介电常数

A=彼此平行的导电板的表面积（单位：m2）

d=导电板之间的距离

电容器的电容量与所使用的介电材料的绝对介电常数和导电板的有效表面积（导电板的表面积在两者之间最小）成正比。同时，它与导电板之间的距离成反比。介电介质的绝对介电常数与自由空间的绝对介电常数有关，公式如下：

ε = ε 0 * ε r
其中，
ε = 介电材料的绝对介电常数
ε 0 = 自由空间或真空的绝对介电常数
ε r = 介电介质的相对介电常数（相对于自由空间或真空）

电容器的实际结构
任何电容器都旨在实现标称电容，同时保持电容器的尺寸尽可能小。因此，制造商试图在构造中实现最大电容。电容器的电容可以通过以下三种方式最大化：

1) 使用合适的介电介质——干燥空气的绝对介电常数大约等于自由空间的介电常数。如果将自由空间的绝对介电常数视为 1，则干燥空气的绝对介电常数为 1.0006。通过使用具有更大绝对介电常数的介电材料，电容器的电容可以增加许多倍。有多种材料可用作电容器中的电介质。下表列出了一些常用的介电材料及其相对介电常数（介电常数）：

使用合适的介电材料，如云母，代替干燥空气，电容可以增加 5 到 7 倍。

2) 增加表面积——导电板的表面越平行，电容越大。增加表面积的一种方法是多板电容器。在多板电容器中，导电表面设计为连接到公共引线的多个导电片。两个导电片阵列成对，使得在其中一个导体中，只有外片的一个表面保持与电介质接触。相反，对于另一个导体，外层的两个表面都与电介质保持接触。

显示多板电容器构造的图像

上图显示了一个九板电容器。上述电容器的一根引线有五个极板，而另一根引线连接有四个极板。上述电容器的表面积大八倍，因此电容大八倍。下式给出了多极板电容器的电容：

C = ε * (n-1) *A / d
其中n是多极板电容器中极板的数量，A是每个极板的表面积。

3) 减小极板之间的距离——可以通过最小化极板之间的距离来增加电容。然而，这方面有实际限制（如漏电流）。

电容器类型
电容器按其结构中使用的介电材料分类。电容器的构造中使用了多种介电材料。以下是一些常见类型的电容器 –

1) 纸
2) 云母
3) 塑料薄膜
4) 玻璃
5) 陶瓷
6) 电解质
7) 半导体
8) 变量

极化和非极化电容器
虽然大多数电容器可以连接在电路中而不考虑施加在它们两端的电压的极性，但电解质电容器具有正极端子和负极端子。电解电容器的正极应仅连接到电池的正极（电流进入电容器的方向），负极连接到电池的负极（电流流出电容器的方向）。由于它们在任何电路中的固定极性，电解电容器被称为极化电容器。不需要固定极性连接的其他类型的电容器称为非极化电容器。极化电容器只能用于直流应用。

电容器的关键性能指标
与电阻器或其他电子元件一样，电容器也具有多种电气特性和一些非理想特性。在选择电路电容器时，这些属性和特性可能是一个重要的考虑因素。同样可以作为电容器的关键性能指标。与电容器相关的关键参数如下：

1)标称电容——电容器的标称电容是电容器应该提供的电容。这是电容器最重要的特性，与工作电压一起标记在其主体上。电容器提供的实际电容可能与标称电容不同，因为电容会随着应用信号的频率和环境温度而变化。标准电容器的标称电容以微法拉 (10 -6 F)、纳法拉 (10 -9 F) 和皮法拉 (10 -12 F)表示。

2)工作电压– 工作电压或直流工作电压是电容器可以在不损坏或损坏的情况下运行的最大连续电压。这通常是电容器主体上标记的直流电压额定值及其标称电容。AC 信号通常是指定的 RMS 电压电平。任何交流信号的峰值电压电平都是 RMS 电压的 1.414 倍。因此，在交流电路中使用电容器时，其工作电压相当于交流信号的峰值电压，而不是均方根电压。选择工作电压至少为给定电路指定电压的 1.5 倍或两倍的电容器始终是安全的。标准电容最常见的工作电压有6.3V、10V、16V、25V、30V、35V、40V、50V、63V、100V、160V、200V、250V、400V、450V、500V和1000V。

3) 形成电压– 形成电压或测试电压是电容器可以承受的最大电压。它可以在其制造商提供的电容器的数据表中找到。电容器应很少暴露在其测试电压下。

4)公差——公差表示电容器的实际电容与其标称电容的变化。通常，电容器具有 10% 或 5% 的电容。一些电容器的公差可低至 1%。根据预期应用，电容器的容差甚至可以介于 20% 和 80% 之间。对于低值电容器，电容器的公差表示为以皮法拉为单位的正负值。相反，它表示为高值电容器的电容变化百分比。

5)漏电流——漏电流是指由于极板上的强静电场而通过电容器的介电介质泄漏的少量电流。漏电流一般以纳安为单位。它与电容器中使用的电介质的介电常数（相对介电常数）有关。介电常数越低，漏电流越大。

漏电流计入电容器的耗散因数。通常，漏电流非常低，通常在数据表中表示为绝缘或漏电阻。它被建模为通过纯电容器泄漏电流的并联电阻。在电解电容器中，漏电流非常大，通常在其数据表中明确表示为“漏电流”。

当电容器必须用于耦合电路或电荷存储时，漏电流是一个重要指标。必须用于耦合或存储电荷的电容器必须具有最小漏电流。漏电流，无论多低，都足以在没有任何施加电压的情况下随时间对电容器进行完全放电。

6) 极化——注意电解电容器的极化始终很重要。极化电容器的正极端子应始终连接到正极连接，负极端子应始终连接到负极。极化电容器的负极端子通常由电容器一侧的黑色条带、带或箭头表示。以反极性连接电解电容器会产生反向电压，导致大的击穿电流，可能永久损坏电容器。

7)反向电压– 反向电压是与极化电容器相关的指标。它是极化电容器可以承受的反极性最大电压（或所有峰值直流和交流纹波电压的总和）。任何超过极化电容器“反向电压”的反极性电压都会对其造成永久性损坏。

8)纹波电流——纹波电流是电容器可以承受的交流电流的最大有效值。除非另有说明，否则通常指示 120Hz 频率和 85°C 温度。通过电容器的纹波电流随着频率的增加和环境温度的降低而增加。

9)温度等级– 电容器的工作温度范围通常在 -55°C 至 125°C 之间。工作温度范围具体取决于电容器的类型。例如，塑料电容器的低温范围为 -30°C 至 70°C，电解电容器的工作温度范围为 -40°C/-55°C 至 85°C。温度变化会影响电容器的实际电容、通过它的纹波电流，并可能通过施加环境挑战对电容器施加压力。例如，在低至 -10°C 的温度下，电解质电容器的电解质凝胶开始冻结。同样，其他电介质也会因环境温度的变化而承受压力。

10)温度系数– 与电阻器一样，电容器具有正温度系数或负温度系数。电容器的温度系数以每摄氏度的百万分率 (PPM) 表示。正温度系数通常用字母 P 后跟以 PPM/°C 为单位的额定值表示，如 P100 表示正温度系数等于 100 PPM/°C。同样，负温度系数由字母“N”表示，后跟以 PPM/°C 为单位的额定值。电容器对于一定温度范围可以具有零温度系数，这由字母“NPO”表示的温度系数表示。

在一些电路中，电容的容差应该最小，可以将具有正负温度系数的电容器串联或并联，以抵消温度对电容的影响。也可以连接正负温度系数的电容器，以抵消温度对电路其他元件（如电阻器和电感器）的影响。当连接正负温度系数的电容器以抵消温度影响时，必须进行仔细计算以找出在一定温度范围内的有效电容。

11)等效串联电阻 (ESR) – 电容器的等效串联电阻 (ESR) 是电容器的内部电阻，由板的直流电阻、电介质的有效电阻和电介质接触处的电阻引起和导体板。这是电容器提供的纯电阻，在通过 AC 信号对电容器充电和放电期间，通过加热电容器导致能量损失。电容器的 ESR 建模为与纯电容串联的电阻。ESR 与电容一样，与频率有关，用作电容器的动态串联电阻。

ESR 计算在电容器的运行损耗中。这是一个重要的指标，因为它决定了耦合电容器情况下的电能损失以及旁路和滤波电容器情况下的最大衰减。ESR 越高，电容器的 RC 常数（充电或放电所需的时间）越大，因为 ESR 越高的电容器对充电或放电电流的抵抗力越大。

12) 介电吸收——介电吸收是指完全放电后残留在电容器端子处的残余电压。通常，此电压并不重要，但在模数转换器电路中使用的采样电容器的情况下可能是一个严重的问题。
13) 自感——自感是高频时在电容器中感应的电感。该电感会影响电容器在高频时的阻抗，并可能决定电容器能够旁路哪些高频电流。ESR、耗散因数、电介质吸收和自感都算在电容器的运行损耗中。

需要小心处理电容器。高压电路中使用的高值电容器（电容大于 0.01 uF）可能具有残余或未放电电压，可能会在接触时产生直流电击。因此，在对此类电路进行故障排除时，必须使用螺丝刀将其端子短路以对大容量电容器进行放电。在下一篇文章中，我们将讨论不同类型的电容器及其技术规格。