电容器

✍ dations ◷ 2024-09-20 08:10:04 #电子元件,电容器,储能技术

电容器(英文:capacitor,又称为condenser)是将电能储存在电场中的被动电子元件。电容器的储能特性可以用电容表示。在电路中邻近的导体之间即存在电容,而电容器是为了增加电路中的电容量而加入的电子元件。

电容器的外型以及其构造依其种类而不同,目前常使用的电容器也有许多不同种类(英语:capacitor types)。大部分的电容至少会有二个金属板或是金属表面的导体,中间有介电质隔开。导体可以是金属箔、薄膜、烧结金属珠或是电解质。无导电性的介电质可以增加电容器的储电能力。常见的介电质有玻璃、陶瓷器、塑胶膜(英语:plastic film)、纸、云母及氧化物。在许多的电路中都会用到电容器。电容器和电阻器不同,理想的电容器不会消耗能量。

当两个介电质隔开的导体之间有电压时,在介电质上会产生电场,因此正电荷会集中在一个导体,负电荷则是在另一个导体。电容器的电容定义为累积电荷和导体电压之间的比值。国际单位制(SI)下电容的单位是法拉(F),定义为每伏特1库仑(1 C/V)。一般电容器的电容约在1 皮法拉(pF)(10−12 F)到1 毫法拉(mF)(10−3 F)。电容器的电容和导体的表面积成正比,和导体之间距离比反比。实务上,导体之间的介电质会通过微小的漏电流(英语:leakage (electronics))。而介电质的电场强度也有上限,因此电容器会有击穿电压。而电容器中的导体及其引脚会产生不想要的等效串联电感及等效串联电阻。

电容器常用在电子电路中,阻隔直流电,让交流电可以流过电容器。在模拟滤波(英语:analog filter)电路中,电容器可以使电源供应的输出变平滑。在LC电路中电容器和电感器可以调谐无线电到特定的频率。在输电系统中可以稳定电压及功率的流动。在早期的数字电脑中,会用电容器储存能量的特性作为动态内存。

历史上第一个有留下记录的电容器由克拉斯特主教在1745年10月所发明,是一个内外层均镀有金属膜的玻璃瓶,玻璃瓶内有一金属杆,一端和内层的金属膜连结,另一端则连结一金属球体。借由在二层金属膜中利用玻璃作为绝缘的方式,克拉斯特主教让电荷密度出现明显的提升。

1746年1月,荷兰物理学家彼得·范·穆森布罗克(英语:Pieter van Musschenbroek)也独立发明了构造非常类似的电容器,当时克拉斯特主教的发明尚未广为人知。由于马森布鲁克当时在莱顿大学任教,因此将其命名为莱顿瓶。

当时人们认为,电荷是储存在莱顿瓶中的水里;但美国科学家富兰克林研究莱顿瓶,证明其电荷是储存在玻璃上,并非储存在莱顿瓶中的水里。

电容器的电容()是测量当电容器两端的电势差或电压()为单位值时,储存在电容器电极的电荷量(): C = Q V {\displaystyle C={Q \over V}} 是介电质的电容率,是平板的面积,而是二平行板间隔的距离。

当电性相反的电荷分别在电容器的两端累积,电容器两端的电势差和电荷产生的电场开始增加。累积电荷越多,为抵抗电场所需要做的功就越大。储存在电容器的能量(国际单位制中,单位为焦耳)等于建立电容两端的电压和电场所需要的能量。

计算电容器储存的能量的公式如下:

是电容两端的电压差。

由于电容器中有绝缘的电介质阻隔,电子很难直接穿过电容器。简单来说,当直流电流流过电容器时,电容器的一端会累积电子,另一端会流失电子,电容器则维持电中性,这样的过程称为充电。依不同的电介质性质而定,外电场会将电介质的正负电荷稍微分开或者按照外电场方向排列电介质分子的定向,这会在电介质的表面形成面电荷与其对应的电场,其方向与外电场相反,因此减弱外电场的实际作用,所以电介质可以增加电容器的电容。由于电容器的总电场,在电容器两端会出现电压。电压V和电容器一端的绝对电荷量Q成正比,而Q是流过电容器的电流对时间的积分。其数学式如下:

在一个使用固定直流电压源的电路中,电容器两端的电压不会超过电源的电压。当电容器两端的电压已不再变动,流过电容器的电流为零时,此时已形成平衡。因此,一般会说电容器不允许直流电通过。在直流分析中,电容器当成开路(电阻无限大)。

若流过电容器的电流由交流电压或交流电流源产生,由于电流会周期性的变换方向,交流电流会轮流对电容器的两极充电,电容器两极的电荷会周期性的变化,因此在一个周期内,除了电流由正变负(或由负变正)的那一瞬间之外,通过电容器的电流均不为零。因此,一般认为电容器可允许交流电流通过。

电容器两极的电压和电流的积分成正比,所以若电容器通入交流的信号,相角为90度,亦即电流领先电压90度。电压的大小和电流成正比,和频率和电容量C的乘积成反比。

电压相量和电流相量的比值称为阻抗,为一复数。电容器的阻抗只有电抗成分(即复数只有虚部,实部为0),数值如下

Z C = j 2 π f C = j X C {\displaystyle Z_{C}={\frac {-j}{2\pi fC}}=-jX_{C}} = 输入频率

= 电容,单位是法拉

j = 1 {\displaystyle j={\sqrt {-1}}} 域中为:

Z ( s ) = 1 s C {\displaystyle Z(s)={\frac {1}{sC}}} 为电容,而 s = σ + j ω {\displaystyle s=\sigma +j\omega } )如下:

一般而言,电容并联的目的是增加储存的总能量。电容储存的能量如下:

串联的数个电容会流过相同电流,但各个电容的电势差(电压)可能不同,而电容的电压的和会等于总电压,电容串联后的电容值如下:

在电容并联时,电容电极的有效面积变大,因此电容值增加。而在电容串联时,相当于电容电极的距离变大,因此电容值减小。

在实际应用上,常串联数个较低电压电容器,来取代高电压的电容器。例如在高电压的电源供应器的滤波电路中,可以用三个最大电压600V的电容器串联。由于每个电容器只需承受总电压的三分之一,因此串联后的电容器可在1800V的电压工作,而串联后电容只有个别电容器的三分之一。有时也会将三个电容器先并联,再将三组并联电容器再串联,形成一个3x3的电容器矩阵,总电容和个别电容器相同,但可以承受三倍的电压。在上述应用时,各组电容器会再并联一个大电阻,以确保电压平均的分给三组电容器,并且在设备不使用时,提供电容放电的路径。

另外一种应用则是将二颗有极性的电容反向串联,可以代替无极性的电容使用。

以数学的观点,理想电容器可以视为理想电感器的(反函数),因为若将电压和电流对调,即可将电容器的电压电流方程改为电感器的方程。二个或二个以上的导体可以因磁性耦合而形成变压器,二个或二个以上带电的导体也可以因静电耦合而形成电容器。两导体的互容(mutual capacitance)定义为当一导体的电流使得另一导体的电压在单位时间变化一单位电压时,该导体的电流量。

实际的电容器和理想电容器的特性方程有些差异。其中有些特性(像是漏电流以及杂散效应)是线性的,或者可以用近似线性的方式分析,此时就会在理想电容器的等效电路上加上一些虚拟的元件来近似这些特性,之后就可以应用线性电路分析的方式来处理电路。有些特性(例如击穿电压)是非线性的,就无法用线性电路分析的方式处理,就需要另外来计算这些特性的影响。还有一些特性,本身也是线性的,但是会让电容值在分析时发生变化(例如电容和温度的相依关系)。最后,合并的杂散效应(例如本质电抗、电阻或是介电损失)可能会让电容器在不同频率下有不同的特性。

若电容量放在在电介质强度超过的特定电场下,电容器的介电性会破坏,电容器会变成导体。此时的电压称为元件的击穿电压,是电介质强度和电容器导体间距离的乘积

电容器在正常使用下可以储存的最大电压会受到击穿电压的限制。由于电容器的尺寸,以及击穿电压和介电层厚度的关系,使用特定介电质的电容器都会有相似的能量密度,甚至介电质也就决定了电容器的大小。

若介电质是空气,其崩溃电场强度约在2–5 MV/m(或kV/mm)的等级,若使用云母,可以到100–300 MV/m,若介电质是油,可以到15–25 MV/m,若介电质是其他的材质,其崩溃电场强度会低很多。介电质一般都薄,因此电容器的击穿电压也因此受限。一般电容器的击穿电压从数伏特到1 kV。若电压增加,介电质也要加厚,因此相同介电质的的电容,高压电容的体积一般都会比低压的同容值电容要大一些。

击穿电压受一些因素的影响很大,例如电容器导电部分的几何形状。尖锐的边或是角会增加电场强度,甚至可能会造成局部的击穿电压。当开始崩溃时,崩溃现像会快速的穿过介电质,直到另一极的导电板为止,会留下碳,并且产生短路(或是阻抗较低)的路径。电容崩溃可能是爆炸性的,电容从周围的电路抽取电流,并且将其能量消耗掉。不过,有些特别介电质的电容或是薄的金属电极在崩溃后不会造成短路,其原因是因为在大电流后,金属熔化或是汽化了,因此崩溃后会产生断路,不会影响电容器的其他部分。

一般的崩溃方式是电场够大,因此可以吸引介电质中的电子,和原子分离,因而传导电路。不过也有可能有另一种情形,像是介电层的杂质,或是介电层晶体结构的瑕疵,会造成类似半导体元件的雪崩击穿。击穿电压也会受到电压、湿度以及温度的影响。

理想电容器只会储存及释放能量,不会消耗能量。不过实际的电容器都有一些杂质,而电容器的材料本身也会有电阻,这些会标示为等效串联电阻(ESR)。等效串联电阻会影响元件的阻抗:

随着频率接近无限大,电容器的阻抗(或容抗)会减小,而会以ESR为主。当容抗可忽略,其消耗功率为RMS = RMS² /ESR.

和ESR类似的,电容器的导线也会产生等效串联电感(ESL),一般只在相对高频时才比较有影响。电感感抗是正的,会随频率增加,超过一定频率后,电容会被电感所抵消。高频电子学就需要计算所有接线以及元件的电感量。

若电容器的二个导体之间不是理想的介电质,而是导电性较低的材料,会产生微小的漏电流。因此电容器会有一个有限的并联电阻,会慢慢的放电(放电时间依电容器材料及品质而定)。

电容器的品质因子(或Q因子)是特定频率下其容抗和电阻的比例,用来量测其效率。Q值越大的电容器,其特性越接近理想电容器。

电容器的Q因子可以用下式计算:

其中 ω {\displaystyle \omega } !)的数据可以到 5 kF),在一些应用中可以代替蓄电池使用。交流电电容是设计在市电交流电压下工作的电容,多半用在电动机相关电路,也有较大的电流量,因此体积也比较大。交流电容多半都有坚固的金属外壳,方便接地。一般这种电容的直流击穿电压至少会设计在最大交流电压的五倍以上。

依照电容额定不同,电极板及介电质的配置也有许多不同的型式。若电容器容值较小(μF或更小),陶瓷碟型电容会有金属的镀层,导线的引线会焊接在镀层上。较大容值的电容会用多层电极板或碟型的层叠方式,较大容值的电容一般会用金属箔或是镀在介质箔表面的金属薄膜层来做为电极板,以及用浸渍过介电材料的电绝缘纸(英语:Electrical insulation paper)或塑胶形的的绝缘层。一般这些箔或薄膜会层叠卷起来以节省空间。为了减少长电极板的串联电阻及电感,电极板及介电质的配置会让引线接在圆筒状卷曲箔某一侧的圆,而不是接在卷曲箔的末端。

电容在组装时会将内部包裹起来,避免湿气进入介电质。早期的无线电设备是用用蜡密封的纸板管。现代的纸质或是薄膜电容会浸入硬质热塑性塑料中。高压的大电容会将卷曲箔压缩,使其可以装入长方体的外壳中,有螺栓连接的端子和衬套进行连接。较大容量的电容一般其内部会浸入液体以提升其性能。

电容器的引脚也有许多不同的组态,例如轴向(axially)或径向(radially)的。轴向引线表示二个引线在同一直线上,一般也就是圆柱型电容器的轴,二个引线分别在圆柱型两侧圆形的圆心位置。径向(radially)引线不是延著圆柱形的半径往外延伸,只是二个引线会放在圆柱型某一侧的圆上,离圆心有一段距离的位置,两引线也会互相平行。

小型、价格便宜的碟型陶瓷电容(英语:ceramic capacitor)自1930年代起就开始使用,现今仍广泛使用。1980年代起,许多小容量的电容已普遍使用表面安装技术(SMD)的封装。此封装方式的体积非常小,而且没有引线,可以直接焊接在印刷电路板上。SMD的电容元件避免了因为引线而产生的高频效应,也简化自动化的生产,不过也因为尺寸小,人工焊接会比较困难。

机械性可控变容器的电极板位置可以调整,例如是用移转或是滑动的方式,使活动电极板对正(或不对正)固定的电极板。低成本的变容器会让铝板及塑胶板交错排列,再配合电子微调器(英语:trimmer (electronics))。变容二极管(varactor、varicaps)可以用电气方式控制电容量,是耗散区(depletion region)随电压改变的反向偏置二极管,常用在锁相环及其他应用中。

电容器在电子电机系统中有许多种用途。

当电容器和其充电线路分离后,电容器会储存能量,因此可作为电池,提供短时间的电力。电容器常用在配合电池使用的电子设备中,在更换电池时提供电力,避免储存的资料因没有电力而消失。

电容器也常用在电源供应器中,可缓和全桥或半桥整流器的输出。电容器也可用在电容泵浦(charge pump)电路中,储存能量,以产生比输入电压更高的电压。

在许多的电子设备及较大的电力系统〔如工厂〕中,为了提供信号电路或控制电路一个“干净的”的电源,常将电容器和电源电路并联。如音响系统会用数个电容去除由电源线上传来60Hz的信号。电容可储存直流的电源,同时让电源的交流电流有旁路的路径。在车用音响(英语:Vehicle audio)系统中,就常使用电容器来补偿蓄电池瞬时输出功率的不足。

电容器可使用在需要功率因数更正的场合中,在这种情形时,常常是三个电容器配合三相的负载使用。此时电容器的单位不用法拉计算,而是使用无功功率(Reactive Power),单位为乏(英语:Volt-ampere reactive)(VAR)。加入电容器的目的是因抵消马达或日光灯等电感性负载的影响,使负载尽量接近电阻性负载。

VAR = V2 × 2 π C
上述公式中V:电压(V),:频率(Hz),C:电容量(F)

如改使用千乏(kVAR)与微法拉(μF)为单位,则公式变成:
kVAR = V2 × 2 π C × 10-6 ÷ 1000 = V2 × 2 π C × 10-9

由于电容器阻隔直流信号通过的特性,电容器常用来过滤信号直流的部分,只留下交流的信号,称为交流耦合(有时也会用变压器来达到类似目的)。用在交流耦合用途的电容器会有较大的电容量,其电容值不需很精确,但在信号交流成分流过时,电容需有低的感抗值。为这种用途被设计成适合穿过一个金属控制板的电容,被称为穿心电容,在电路图上穿心电容与其他电容器的符号有细微的差别。

当电感有电流流过,而瞬间开关开路时,因开关无法流过电流,电感电流瞬间降到零,会在开关或继电器两端产生高电压。若电感较大时,其能量会产生火花,使得接点氧化或熔化接合,或造成固态开关的损坏。若在开关旁并联缓冲电容(Snubber capacitor),可以在开关开路时,提供电感电流路径通过,可以延长开关的寿命。例如在汽车点火系统的断路器就会并联一缓冲电容。

在功率较小的系统中,产生的火花不会造成开关损坏,但产生的高电压会产生射频干扰(Radio Frequency Interference, RFI),若加装缓冲电容即可减少因开关开路带来的干扰。缓冲电容一般会串联低阻值的电阻,可以消耗能量及降低射频干扰。

感应马达需要一个随着时间变化其角度的旋转磁场,才能正常工作。三相感应马达可以直接由三相电源产生旋转磁场,若是单相感应马达,则需在启动时加装一电容器,利用电容器和马达电感的相位差产生旋转磁场,使马达启动,此电容称为启动电容。

储存于电容器中的能量可用来表达信息,如电脑中的二进制形式,或开关电容电路与“水桶队列延迟线”(bucket-brigade delay lines)中的模拟形式。电容器可被应用在模拟电路中做为积分器(integrators)或更复杂滤波器的组件,也用在负反馈环路稳定性中。信号处理电路也用电容器对电路信号求积分(integral)

电容器及电感器在调谐电路中用来选择固定频率范围内的信号。例如,收音机的接收器就利用可变电容器来调整接收的频率。

收音机接收器接收的频率是电感(L)和电容(C)的函数,其式如下:

此频率是RLC串联电路的共振频率。

电容器的应用多半不会改变其物理结构,而是利用电容器的特性来改变电压或电流。不过在固定电压下,若改变介电质的物理特性或电子特性,电容器也可用在感测应用上。若使空气可以渗透到电容器的介电质中,可用电容器测量空气的湿度。用可挠性的平板制作的电容器则可测量应力或压力。在电容式麦克风中,电容一端可随空气压力而位移,另一端固定,则可用电容作为声音的感测器。

有些加速计使用芯片上刻蚀的微机电电容来测量加速度的方向及大小。如此用在倾斜仪或汽车安全气囊的感测器中,测量加速度的变化。

电感值低、耐高电压的大电容组(capacitor banks)常用来提供脉冲功率(英语:Pulsed power)应用需要的大电流。这类的应用包括了电磁成形(英语:Electromagnetic forming)(electromagnetic forming)、Marx脉冲发生器(英语:Marx generator)、脉冲激光(尤其是TEA激光(英语:TEA laser))、脉冲形成网络、雷达、核聚变研究及粒子加速器。

大型电容组被用做桥梁爆破炸药、核武器里面的起爆装置和其他特殊武器里面。利用电容组作为电磁式装甲(electromagnetic armor)、动能混合型弹药(railguns)和轨道一线圈混合发射器的电源的试验性工作正在进行。

在电容充电后关闭电源,电容内的电荷仍可能储存很长的一段时间。此电荷足以产生电击,或是破坏相连结的仪器。一个抛弃式相机闪光模组由1.5V AA 干电池充电,看似安全,但其中的电容可能会充电到300V,300V的电压产生的电击会使人非常疼痛,甚至可能致命。

许多电容的等效串联电阻(ESR)低,因此在短路时会产生大电流。在维修具有大电容的设备之前,需确认电容已经放电完毕。为了安全上的考量,所有大电容在组装前需要放电。若是放在衬底上的电容器,可以在电容器旁并联一泄放电阻(英语:Bleeder resistor)。在正常使用时,泄放电阻的漏电流小,不会影响其他电路。而在断电时,泄放电阻可提供电容放电的路径。高压的大电容在储存时需将其端子短路,以确保其储存电荷均已放电,因为若电容在安装时突然放电,产生的电压可能会造成危险。

大型老式的油浸电容器中含有多氯联苯(poly-chlorinated biphenyl),因此丢弃时需妥善处理,若未妥善处理,多氯联苯会进入地下水中,进而污染饮用水。多氯联苯是致癌物质,微量就会对人体造成影响。若电容器的体积大,其危险性更大,需要格外小心。新的电子零件中已不含多氯联苯。

高电压的电容器若在启动时加入缓启动的机制,限制其突入电流,可以延长其设备寿命,提升元件可靠度,也可以避免高电压下造成的危害。

在高电压和强电流下工作的电容有着超出一般的危险。

高电压电容在超出其标称电压下工作时有可能发生灾难性的损坏。绝缘材料的故障可能会导致在充满油(通常这些油起隔绝空气的作用)的小单元产生电弧致使绝缘液体蒸发,引起电容凸出、破裂甚至爆炸,而爆炸会将易燃的油弄的到处都是、起火、损坏附近的设备。硬包装的圆柱状玻璃或塑料电容比起通常长方体包装的电容更容易炸裂,而后者不容易在高压下裂开。

被用在射频电路中和长期在强电流环境工作的电容会过热,特别是电容中心的卷筒。即使外部环境温度较低,但这些热量不能及时散发出去,集聚在内部可能会迅速导致内部高热从而导致电容损坏。

在高能环境下工作的电容组,如果其中一个出现故障,使电流突然切断,其他电容中储存的能量会涌向出故障的电容,这就即有可能出现猛烈的爆炸。

高电压真空电容即使在正确使用时,也会发出一定的X射线。适当的密封方式、熔断机制(fusing)和预防性维护会帮助减少这些潜在的危险。

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