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1.3电容器特性

电容器有许多规格和特性。通过观察电容器本体上印制的信息,我们可以很好地了解电容器的特性。但有些电容器本体上有颜色或数字编码,因此很难理解其特性。每种类型或系列的电容器都有其自身的特性和识别系统。有些电容器的识别系统易于理解其特性,而另一些则使用误导性的符号、字母和颜色。

要轻松了解特定电容器的特性,首先找出电容器的类别,即它是陶瓷电容器、塑料电容器、薄膜电容器还是电解电容器,这样就容易识别其特性了。尽管电容器具有相同的电容值,但它们可能具有不同的工作电压。如果你用一个具有低工作电压的电容器替换具有高工作电压的电容器,即使这两个电容器具有相同的电容值,增加的电压也可能损坏低电压电容器。

我们已经知道,电解电容器具有极性,因此在电路中连接电解电容器时,必须将正极连接到正极连接点,将电容器的负极连接到负极连接点,否则电容器可能会损坏。因此,最好始终用具有相同特性的新电容器替换电路中损坏或旧的电容器。下图显示了电容器的特性。

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电容器特性

电容器具有一系列特性。所有这些特性都可以在电容器制造商提供的数据手册中找到。现在让我们讨论其中的一些。

标称电容(C)

标称电容(C)是所有电容器特性中最重要的一个。电容器的标称电容值通常以皮法拉(pF)、纳法拉(nF)或微法拉(uF)为单位进行测量,这个值会以颜色、数字或字母的形式标注在电容器的本体上。标注在电容器本体侧面的标称电容值,并不一定等于其实际值。

标称电容值可能会随着工作温度和电路频率的变化而改变。这些标称值对于小型陶瓷电容器可以低至1皮法拉(1pF),而对于电解电容器则可以高达1法拉(1F)。所有电容器都有一个容差等级,范围从-20%到+80%。

工作电压(WV)

工作电压是所有电容器特性中另一个重要的特性。工作电压(WV)是指在电容器的工作寿命期间,可以施加到电容器上的最大电压,而不会导致故障。这个工作电压以直流电表示,并且也标注在电容器的本体上。

通常标注在电容器本体上的工作电压是指其直流电压,而不是交流电压,因为交流电压是以其有效值(rms)表示的。因此,如果要将交流电压施加到电容器上,电容器的工作电压必须大于其实际交流值的1.414倍(Vm = Vrms x√2)。电容器的指定直流工作电压(WV-DC)仅在一定的温度范围内有效,例如-30°C到+70°C。如果施加到电容器上的直流或交流电压大于其工作电压,那么电容器可能会损坏。

通常标注在电容器本体上的工作电压有10V、16V、25V、35V、50V、63V、100V、160V、250V、400V以及1000V。如果所有电容器在其额定电压值内运行,并且处于凉爽的环境中,它们将具有更长的工作寿命。

容差(±%)

容差是电容相对于额定值的允许相对偏差,以百分比表示。与电阻器一样,电容器的容差值也存在正负值。通常对于小于100pF的低值电容器,容差值以皮法拉(+/-pF)为单位进行测量;而对于大于100pF的高值电容器,则以百分比(+/-%)为单位进行测量。

电容器的容差值是在+20°C的温度下测量的,并且仅在交付时有效。如果电容器在经过较长时间的储存后使用,那么容差值会增加,但根据标准规格,这个值不会超过交付时测量值的两倍。对于卷绕式电容器,交付时的容差通常为+/-(1%,2.5%,5%,10%,20%)。电容器的常见容差值变化为5%或10%,而对于塑料电容器,其容差值可以低至+/-1%。

漏电流(LC)

用于电容器中分隔金属极板的所有电介质材料都不是完美的绝缘体。它们允许少量电流,例如漏电流通过。这种效应是由于电容器极板上的电荷粒子在施加电源电压(V)时形成的强大电场造成的。

电容器的漏电流是少量的直流电流,以纳安(nA)为单位。这是由于电子通过电介质材料或其边缘流动,以及在电源移除后随时间放电造成的。

漏电流被定义为从一个电路向另一个电路传输不需要的能量。另一个定义是,当电路的理想电流为零时,漏电流就是电流。电容器的漏电流在放大器耦合电路和电源电路中是一个重要的因素。

薄膜或箔式电容器的漏电流非常低,而在电解电容器(钽和铝)中,其漏电流非常高(每微法拉5-20微安),这些电容器的电容值也很高。

工作温度

电容器的电容值会随着周围温度的变化而变化。因为温度的变化会导致电介质的特性发生变化。工作温度是指电容器在额定电压下工作时的温度。大多数电容器的一般工作温度范围为-30°C至+125°C。对于塑料电容器,这个温度值不超过+70°C。

如果空气或电容器周围的温度过低或过高,电容器的电容值可能会发生变化。这些温度的变化会影响实际电路的操作,并且可能会损坏电路中的其他元件。我认为保持温度稳定以避免电容器损坏并不是一件简单的事情。

当电解电容器(铝电解电容器)在高温(超过+85°C)下工作时,电介质内的液体可能会因蒸发而流失,而且由于漏电流和内部压力,电容器的本体也可能会损坏。此外,电解电容器不能在低温下使用,例如低于-10°C。

温度系数

电容器的温度系数(TC)描述了在特定温度范围内,电容值的最大变化。通常,标注在电容器本体上的电容值是在25°C的参考温度下测量的,而且在数据手册中提到的电容器的TC必须考虑在低于或高于此温度的操作中。通常,温度系数以百万分之一每摄氏度(PPM/°C)或特定温度范围内的百分比变化来表示。

有些电容器是线性的(1类电容器),这些电容器的温度稳定性很高;这类电容器具有零温度系数。通常,云母或聚酯电容器是1类电容器的例子。1类电容器的TC规格将始终以百万分之一(PPM)每摄氏度来指定电容变化。

有些电容器是非线性的(2类电容器),这些电容器的温度不像1类电容器那样稳定,它们的电容值会随着温度值的升高而增加,因此这些电容器具有正温度系数。2类电容器的主要优点是它们的体积效率。这些电容器主要用于需要高电容值的应用中,而温度稳定性以及质量因素不是主要考虑因素。2类电容器的温度系数(TC)直接以百分比表示。电容器的温度系数的一个有用应用是利用它们来抵消电路中其他元件(如电阻器或电感器等)的温度效应。

极化

通常,电容器的极化属于电解型电容器,如铝型和钽型电容器。大多数电解电容器都是极化的,也就是说,当电源电压连接到电容器端子时,需要正确的极性,例如正极(+)连接到正极(+),负极(-)连接到负极(-)。

如果极性错误,电容器内部的氧化层可能会被破坏,这会导致设备中流过高电流。结果如前所述,电容器会损坏。为了防止极性错误,大多数电解电容器在其本体的一侧有箭头、黑色条纹或带、或V形标记来表示其负极(-)端子,如下面的图所示。

如果极化电容器的电源电压被反向,它们会有较大的漏电流。极化电容器中的漏电流会扭曲信号,使电容器过热,并最终被破坏。使用极化电容器的基本原因是它们的成本低于具有相同额定电压和相同电容值的非极化电容器。基本上,极化电容器以微法拉为单位,如1uF、10uF等。

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图2. 电容器的极化

等效串联电阻(ESR)

电容器的等效串联电阻(ESR)被定义为在极高频率下使用电容器时的交流阻抗,同时考虑了电介质的电阻。电介质的直流电阻和电容器极板的电阻是在特定的温度和频率下测量的。

ESR就像与电容器串联的电阻一样。电容器的ESR是其质量等级的指标。我们知道,理论上完美的电容器是无损耗的,其ESR值为零。通常,这种电阻(ESR)会导致电容器电路中的故障。

等效串联电阻的影响

电路中输出电容器的等效串联电阻(ESR)会影响设备的性能。此外,ESR可能会降低电容器的供电电压。ESR与电容器的绝缘电阻完全相反,绝缘电阻在某些类型的电容器中以纯电阻的形式与电容器并联呈现。理想电容器仅具有其电容,ESR值非常小(小于0.1欧姆)。

如果电介质厚度增加,那么ESR将增加。如果极板的表面积增加,那么ESR值将降低。要计算电容器的ESR,我们需要使用标准电容器表以外的设备,例如ESR表。如果电容器表是便携式设备,那么它将无法检测到导致ESR值增加的电容器故障。

在非电解电容器或具有固态电解质的电容器中,引线、电极的金属电阻以及电介质中的损耗是ESR的原因。通常,陶瓷电容器的ESR值在0.01到0.1欧姆之间。具有非固态电解质的铝和钽电解电容器的ESR值非常高,例如几欧姆。铝电解电容器的一个主要问题是,如果电路中使用的电容器的ESR值随着时间的推移而增加,那么电路元件可能会损坏。

通常,聚合物电容器的ESR值小于相同值的电解(湿)电容器。因此,聚合物电容器可以承受更高的纹波电流。具有非常低的ESR等级的电容器可以用作滤波器。即使充电电流没有流过它,电容器也具有储存电荷的能力。在电视、闪光灯和电容器组中使用的电容器通常是电解型电容器。根据经验法则,大容量电容器的引脚在电源切断后永远不应接触。