电容器

以储存电荷为特征、能隔断直流而允许交流电流通过的电子元件。电容器是各类电子设备大量使用的不可缺少的基本元件之一。各种电容器在电路中能起不同的作用,如耦合和隔直流、旁路、整流滤波、高频滤波、调谐、储能和分频等。电容器应根据电路中电压、频率、信号波形、交直流成分和温湿度条件来加以选用。

发展简况

最原始的电容器是1745年荷兰莱顿大学P.穆森布罗克发明的莱顿瓶,它是玻璃电容器的雏形。1874年德国M.鲍尔发明云母电容器。1876年英国D.斐茨杰拉德发明纸介电容器。1900年意大利L.隆巴迪发明瓷介电容器。30年代人们发现在陶瓷中添加钛酸盐可使介电常数成倍增长,因而制造出较便宜的瓷介电容器。1921年出现液体铝电解电容器,1938年前后改进为由多孔纸浸渍电糊的干式铝电解电容器。1949年出现液体烧结钽电解电容器,1956年制成固体烧结钽电解电容器。50年代初,晶体管发明后,元件向小型化方向发展。随着混合集成电路的发展,又出现了无引线的超小型片状电容器和其他外贴电容器。

基本原理

电容器是由两个电极及其间的介电材料构成的。介电材料是一种电介质,当被置于两块带有等量异性电荷的平行极板间的电场中时,由于极化而在介质表面产生极化电荷,遂使束缚在极板上的电荷相应增加,维持极板间的电位差不变。这就是电容器具有电容特征的原因。电容器中储存的电量Q等于电容量C与电极间的电位差U 的乘积。电容量与极板面积和介电材料的介电常数 ε成正比,与介电材料厚度(即极板间的距离)成反比。

介电材料

电容器所用介电材料主要为固体,可分为有机和无机两大类。根据分子结构形式,无机介电材料有微晶离子结构、无定形结构和两者兼有的结构(如陶瓷、玻璃、云母等)。有机介电材料主要为共价键组成的高分子结构,按结构对称与否又可分为非极性(如聚丙烯、苯乙烯等)和极性(聚对苯二甲酸乙二酯等)两类。电解电容器所用介质是直接生长在阳极金属上的氧化膜,也是离子型结构。

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非极性有机材料和离子结构较完善而紧密的无机材料的极化,属于快速极化类型;而极性有机材料和结构松弛的离子晶体则属于缓慢极化类型。前者介电常数 ε较低,损耗角正切tgδ值很小,温度、频率特性较好,且体积电阻率也较高;后者则大致相反。工程用介电材料不是理想的电介质,具有不同程度的杂质、缺陷和不均匀性。这是产生不同的体积电阻率ρV和击穿场强Eb的原因。附表列出电容器常用介电材料的极化形式及其介电特性。

图

参数

电容器的主要参数有标称电容量及允许偏差、额定电压、损耗角正切、绝缘电阻(或时间常数)、温度特性和频率特性等。

标称电容量及允许偏差

标志在每个电容器上的设计电容量称标称电容量,有规定的标准系列。标称电容量与实际值之间会有差异,但应在允许偏差范围内。这种预先规定的偏差范围称允许偏差,常用的有±5%、±10%、±20%三级,精密的可优于0.1%。电容器常以微法(μF)和皮法(pF)为电容量的单位。

额定电压

在规定的环境条件下电容器允许连续施加的最高直流电压,有规定的标准系列。电路中使用的电容器承受工作电压不应超过额定电压值,降压使用则有利于电容器的使用寿命。

损耗角正切

表征电容器在交变电场中所消耗的有功功率(消耗功率)与无功功率之比,以 tgδ表示。其中 δ是电容器的总电流与无功电流间的夹角,称为损耗角。它与温度、频率密切相关。

绝缘电阻

电容器两引出端间的直流电阻值。既表示电容器所用的介电材料的绝缘性能,又表示其外壳或外部保护层的绝缘质量。它随温度增高而按指数关系下降,单位为欧(Ω)或兆欧(MΩ)。容量较大(大于 0.1微法)的电容器用时间常数来表征绝缘质量,其值等于绝缘电阻与电容量的乘积,单位为兆欧微法(MΩ·μF)或秒(s)。这样可消除大容量电容器由于所用极板面积增大而必然导致绝缘电阻下降所带来的假象,以表示其内函质量。电解电容器的绝缘质量用漏电流来表示,单位为微安(μA)或毫安(mA)。

温度特性和频率特性

当环境温度升高时,电容器的绝缘电阻急剧下降。电容量与损耗角正切随温度的变化,因所用的介电材料而异。一般地说,非极性有机材料和结构紧密的优质无机材料,电容量受温度的影响较小且变化有规律。对这类电容器常用电容温度系数(在规定的正温区内,每一摄氏度引起的电容量的相对变化率,以ppm/℃为单位)来表示。其他类型的电容器的电容量随温度变化较大,一般只规定允许使用的正、负极限温度(称类别温度范围)下的电容量与室温下的电容量间的相对变化率。电容器的损耗角正切一般随温度升高先减小,随后又增大;而当温度降低时,损耗角正切则迅速增大。

电容器在低频下使用时,可视为由一电容和一电阻相并联的电路。当使用频率增高时,其固有的电感和由电极与引线等形成的高频电阻以及接触电阻所产生的影响便非常突出,这时电容器可视为由电阻、电感、电容组成的等效串联网络。电容量将随频率增高而下降,损耗角正切值超过一定频率将迅速上升。这些均与介电材料和电容器的结构、尺寸有关。当使用频率升高时,将出现充电放电速率延缓、高频旁路能力减弱、高频功率损耗增大等情况。有些电容器在低频下使用时性能良好,但在高频下性能就变坏,甚至根本不能用。极性电解电容器只能用于脉动直流电路。在使用电解电容器时,不能超过技术条件规定的直流电压和允许的纹波电压峰值,两者之和不超过额定电压,两者之差不使电容器处于反向工作状态。

分类

电容器按电容量在使用中能否改变,分为固定电容器和可变电容器(包括微调)两类。

空气可变电容器

以空气为介质,由固定极板和可转动极板构成,它的电容量在一定范围内连续可调。根据电容量随动片转动角度变化的规律,分为直线电容式、直线波长式、直线频率式和对数式四种。空气可变电容器具有能精确调节电容量、介质损耗小 (Q值高)、绝缘电阻高等特点,适用于高频调谐和振荡回路。常见的是双联或三联统调结构,各联应能精确跟踪基准联。选用空气可变电容器时应注意电容量的最大与最小值及其比值、动片旋转力矩、调谐精度和刻度的重复性等要求。

塑料薄膜可变电容器

用很薄的塑料膜来代替空气间隙,可使电容器体积变小。除用于调幅收音机外,还可制成调幅调频两用的型式。缺点是长期稳定性、使用寿命等方面均比空气介质的差,电容量也较小。

微调电容器

分为空气介质和无机材料介质两类。前者主要用于辅助主调可变电容器而达到精密调节电容量的目的,电容量变化范围很窄,但连续可变。后者以圆片形陶瓷微调电容器应用最广。此外还有管形微调结构,是用可微调的金属杆作内电极,以烧渗银层作外电极,介质是玻璃或陶瓷管。它的微调精度很高,常用于精密电子仪器。

云母电容器

以白云母薄片敷以烧渗银浆作电极经叠压而成。耐热性、高频性和稳定性均优,适用于高频电路。可制成精密和标准电容器。云母电容器对原材料质量要求高,材料利用率低,价格较贵,在不少情况下常用电容器瓷、聚苯乙烯、聚丙烯等材料制成的电容器来代替。

Ⅰ类瓷介电容器

它的介质主要是碱土金属或稀土金属的钛酸盐、锡酸盐的固熔体。高频性能好,广泛用于高频耦合、旁路、隔直流、振荡等电路中。另外,还可制成具有各种温度系数的电容器,用于温度补偿电路。在大功率发射机和高频加热设备中的高压、大功率电容器均以陶瓷为介质。在陶瓷薄膜上,敷以金属浆为电极,叠压烧结而成独石结构电容器,具有小型化的优点。

Ⅱ类瓷介电容器

它的介质是用钛酸钡或其他类似材料(钛酸钙、钛酸锶等)形成的固熔体。这些介质有极高的介电常数,所以可制成体积小、容量大的电容器。利用陶瓷成膜技术制成的独石结构电容器体积更小。但这类电容器电性能较差、受温度的影响较大、稳定性也不好,只适用于低压、直流和低频电路。

玻璃电容器

以玻璃薄膜为介质,用金属箔或烧渗金属层作电极,经叠压煅烧成整体密封结构。用不同配方的玻璃介质可制成具有不同电性能的电容器。

纸介电容器

以浸渍相应浸渍剂的电容器纸为介电材料,用铝箔作电极,经卷绕而成。价格低、电容量中等,工作电压范围广,是最通用的一种电容器。适用于直流或脉动电路。另有用蒸发淀积锌或铝膜代替铝箔作电极的,称为金属化纸介电容器。它不仅体积较小而且具有“自愈能力”,即电介质被瞬时击穿后,电容器仍能恢复,继续工作。

塑料薄膜电容器

采用聚酯(或称涤纶)和聚碳酸酯等可制作极性塑料薄膜电容器。这些介质材料的特点是介电常数较大,耐热(105~125℃)和工作场强较高。聚酯薄膜电容器适用于直流和脉动电路,聚碳酸酯薄膜电容器适用于交流电路。这两种材料均适宜作金属化电极,可代替电容器纸。但塑料薄膜缺少吸收浸渍剂的能力,所以只能用于低压电路。将塑料薄膜与电容器纸叠合制成的纸膜复合介质电容器,同时具有两者的优点,属于高压电容器,在小型化和耐热性方面均较纸介电容器为优。另外,采用聚苯乙烯、聚丙烯等可制作非极性塑料薄膜电容器,介电性能、温度特性和频率特性都比较好,因而适用于高频电路。聚苯乙烯电容器的电容量稳定性好,可用作高精度的电容器,但体积较大,工作温度不宜超过70℃;聚丙烯电容器工作温度可达 125℃,而聚四氟乙烯电容器可达200℃,但价格较贵。

电解电容器

电解电容器以各种阀金属为正极,以其表面上形成的一层氧化膜为介质(介质与正极是不可分离的整体);负极是非固体电解质或固体电解质。它的特点是电容量很大,低压电解电容器可达数万微法以上。适用于整流、滤波、储能等;一般只能用在直流和含有交流分量的脉动电路中,而且有正、负极性之分,使用时不能反接。铝电解电容器以铝箔为电极,衬垫物浸以糊状电解质。钽箔电解电容器具有类似结构,但钽的化学性质稳定,故可靠性较高,并且工作温度可达125℃。这两种电容器若在负极金属箔上也形成氧化膜,可制成双极性电解电容器,引出端便不再分为正负极,可应用于极性经常变换的脉动电路和短暂使用的交流电路。另一种电解电容器采用阀金属粉压制、烧结成的多孔性电极,称为烧结型电解电容器,体积更小。电解质有液体和固体的两种。固体电解质不存在电解液于涸的问题,因此固体钽电容器的稳定性好、寿命长,其中树脂包封的固体钽片电容器应用更为广泛。

双电层电容器

基于界面双电层理论而设计的电容器,为70年代初出现的新品种。由集电极(如金属外壳)、多孔电极(如活性炭)和工作电解质构成。在低于电解质分解电压的外加电压下,电解质的离子电荷与由外电源供给多孔电极的束缚电荷组成稳定的双电层,具有储存和传递电荷的作用,因此呈现电容特性。这种电容器的单位体积内的电容量特别大(如3法/厘米3),很容易获得几十法的电容量。主要用于微型计算机备用电源及低压辅助电源。

展望

电容器的发展趋势是:

(1)提高主要参数水平,适应更恶劣的环境条件,进一步提高可靠性。

(2)向更小型化发展,以节约原材料和能源。

(3)平面化、片状化、微型化电容器的比例正进一步提高。独石瓷介电容器、微型钽片电容器、小型铝电解电容器和单片瓷介电容器的产品将大大增加。电容器与电阻器电感器组成平面组合件的趋势受到人们重视。塑料薄膜电容器将会有新的发展,云母和纸介电容器有被进一步取代的趋势。

参考文章