第3章　元器件及应用

3.1　电容器及应用

电容器简称电容，在电力系统中用于提高供电系统的功率因数，在电子电路中是具有滤波、耦合、旁路、调谐、选频等作用的主要元器件。

3.1.1　电容器简介

（1）电容器的外形

①电子设备中常用的电容器　电子设备中常用电容器的外形如图3-1所示。

②单相电动机常用的电容器　单相电动机常用电容器的外形如图3-2所示。

③电力系统常用的电容器　电力系统常用电容器的外形如图3-3所示。

（2）电容器的结构

电容器的基本结构十分简单，它是由两块平行金属极板以及极板之间的绝缘电介质组成。如图3-4（a）所示为在两块金属极板上引出电极，中间的绝缘介质为空气，所构成的平板电容器。如图3-4（b）所示是在两片金属箔并引出电极，中间是一层纸介质作为绝缘介质，所构成的纸介电容器。

电容器的绝缘介质不同，其电容量也不同。

（3）电容器的符号

在电路图中，电容器的文字符号为C。由于电容器的种类很多，因此其图形符号比较多，常用电容器的图形符号见表3-1。

3.1.2　电容器的电容量

（1）什么是电容量

电容器因其储存电能的特性而得名，为了表示电容器储存电能本领的大小，人们引入了电容量这个物理量。为了更好地理解电容量的物理意义，我们将如图3-5所示电容器与水容器进行对比，就容易理解了。

当在电容器两个极板上加上直流电压U后，极板上就有等量电荷储存Q，其储存电荷能力的大小称为电容量。电荷与电容量、电压的关系为

式中　Q——极板上所带电荷量，单位为C（库）；

U——极板间的电压，单位为V（伏）；

C——电容量，单位为F（法拉）。

电容器的单位有法拉（F）、毫法（mF）、微法（μF）、纳法（nF）和皮法（pF）（皮法又称微微法），其换算关系为

1F=103mF

1mF=103μF

1μF=103nF

1nF=103pF

（2）影响电容器电容量的因素

电容量的大小取决于电容器本身的形状、极板的正对面积、极板的距离和绝缘介质的种类。与两极板间的距离成反比。电容器的电容量与电容器极板的面积成正比，与两极板间的距离成反比，即

式中　C——电容量，单位为F（法拉）；

S——极板的有效面积，单位为m2（平方米）；

d——两极板的距离，单位为m（米）；

ε——绝缘介质的介电常数（不同种类的绝缘介质，其介电常数不同，计算时可查阅电工手册等资料）。

任何两个相邻导体间都存在电容，称为分布电容或寄生电容。它们对电路是有害的。

例如，现在非常流行的MP4、DVD、车用CD等数字产品中，其线路排列紧密，且多采用双面印制板布线，在设计和布线时就要考虑尽量减小分布电容的影响，以抑制电源和地线可能产生的噪声。通常是将模拟电路区和数字电路区合理地分开，电源和地线单独引出。

又如，在家庭综合布线时，要将220V供电线路与电话线、网络线及音频、视频线等分开布线，且要求尽量不要平行走线。如果不可避免走平行线，应留足够的距离，如图3-6所示。

3.1.3　电容器的种类及参数

（1）电容器按结构分类

电容器按其结构可分为固定电容器、可变电容器和微调电容器三类，见表3-2。

（2）电容器按极性分类

电容器按极性可分为有极性电容器和无极性电容器两类，见表3-3。

（3）电容器的主要参数

电容器最主要的参数有标称容量、允许偏差和额定工作电压，这些参数一般直接标注在电容器的外壳上，如图3-7所示。

①标称容量　成品电容器上所标注的电容量，称为电容器的标称容量。

②允许偏差　电容器的实际容量与标称容量存在一定的偏差，电容器的标称容量与实际容量的允许最大偏差范围，称作电容器的允许偏差。电容器的标称容量与实际容量的误差反映了电容器的精度。精度等级与允许偏差的对应关系见表3-4。实际电容量和标称电容量允许的最大偏差范围，一般分为3级：Ⅰ级±5％，Ⅱ级±10％，Ⅲ级±20％。

③额定工作电压　额定工作电压（又称为耐压）是指电容器在规定的温度范围内，能够连续可靠工作的最高直流电压。电容器承受的电压超过它的允许值可能造成电容器击穿损坏而不能使用（金属膜电容和空气介质电容例外）。额定工作电压的大小与电容器所用介质和环境温度有关。常用的固定电容工作电压有6.3V、10V、16V、25V、50V、63V、100V、400V、500V、630V、1000V、2500V。耐压值一般直接标称在电容器上，但有些电解电容的耐压采用色标法的，位置靠近正极引出线的根部，所表示的意义见表3-5。

工作在交流电路中电容器，所加交流电压的最大值不能超过其额定工作电压。

（4）电容器参数的标注方法

①直标法　将电容器的主要参数（标称容量、额定电压及允许偏差）直接标注在电容器上，如图3-8所示。

②数字标注法　一般是用3位数字表示电容器的容量。其中前两位为有效值数字，第三位为倍乘数（即表示有效值后有多少个0），如图3-9所示。对电解电容器的单位采用μF，对非电解电容器，单位采用pF。如在非电解电容器标注数字100，表示为10×100=10pF；标注223表示0.022μF。在电解电容器上标注010，表示为01×100=1μF。

也有四位数表示电容器的容量。当用整数时，单位为pF，用小数时，单位为μF。如2200表示2200pF，0.047表示0.047μF。

③字母与数字混合标注法　用2～4位数字表示有效值，用p、n、M、μ、G、m等字母表示有效数后面的量级。进口电容器在标注数值时不用小数点，而是将整数部分写在字母之前，将小数部分写在字母后面。如4p7表示4.7pF；3m3表示3300μF；104K表示容量0.1μF，容量允许偏差为±10％；331J字表示330pF，误差±5％；6p8表示6.8pF；p3表示0.3pF；5μ9表示5.9μF；5m9表示5900μF；3F3表示3.3F。

国外部分厂家的电容器耐压值通常用字母来表示基数，常见的代码和基数对应关系见表3-6。字母前面的数表示10的幂，比如2A，即为1.0×102=100V，2C为1.6×102=160V等；耐压值后方的字母表示电容容量，单位为pF。

如图3-10所示，电容器标注为“224J/160V”，表示电容量为22×104pF=0.22μF，允许误差为J级（±5％），额定工作耐压为160V。电容器标注为“2A104J”，表示电容量为100000pF，额定工作耐压为100V，允许偏差为±5％。

④色标法　色标法有多种不同形式，除五色标法外，如仅标出三色条，前二色条表示有效值，第三色条表示倍乘数，这种表示方法不标出容量偏差。若有一某色条宽度为其他色条的2倍，则表示重复数。色标法单位采用pF，读码顺序为由左到右、或由上到下，如图3-11所示。

3.1.4　电容器充放电及应用

（1）电容器的充电规律

①电容器充电开始的一瞬间，电容器的两端电压为零，充电电流最大。

②电容器充电过程中，电容器两端的电压慢慢地上升，充电电流逐渐减小。

③充电结束时，电容器的两端电压近似等于电源电压，充电电流为零。

（2）电容器的放电规律

①电容器放电开始的一瞬间，电容器的两端电压最高，放电电流最大。

②电容器放电过程中，电容器两端的电压慢慢地降低，放电电流逐渐减小。

③放电结束时，电容器的两端电压为零，放电电流为零。

从电容器充放电的规律可看出：电容器端电压不能突变，电容器能储存电荷。

（3）容抗

交流电是能够通过电容的，但是将电容器接入交流电路中时，由于电容器的不断充放电，所以电容器极板上所带电荷对定向移动的电荷具有阻碍作用，我们把电容对交流电的阻碍作用称为容抗，用字母XC表示，单位为Ω。

上式表明，电容量大，电容的阻碍作用小；交流电的频率高，电容的阻碍作用也小。

3.1.5　电容器质量好坏的判断

用指针式万用表测量电容器的质量好坏，就是电容器充放电规律的应用，具体方法见表3-7和表3-8。

3.1.6　常用电力电容器

常用的电力电容器按用途可分为8种，见表3-9。

3.1.7　电容器的连接及应用

在实际应用中，往往会遇到电容器的电容量或耐压不满足要求的情况，可先通过计算，然后对电容器进行串联或并联，以满足实际电路的要求。

（1）电容器的串联及应用

①电容器串联的方法　将两只或两只以上的电容器依次首尾相连，中间无分支的连接方式叫电容器的串联，如图3-12所示。对于电解电容器，串联时应注意极性不能接错。

②电容器串联电路的特性

a.每只电容器所带电量相等。即

Q=Q1=Q2=Q3

b.串联电容器的总电压等于各分电压之和。即

c.各个电容器两端的电压分配与其电容成反比，即

提示：容量大的电容器分配到的电压小，容量小的电容器分配到的电压大。

特例，当两个电容串联时分压公式为

d.总电容量的倒数等于各个电容器的电容的倒数之和。即

如果有n个电容器串联，可推广为

特例，当两个电容器串联时，则

当n个电容器的电容量均为C0时，总电容C为

③电容器串联的应用　电容器串联，相当于拉大了两个极板间的距离，所以，其总容量会减小。

a.电容器串联可以提高耐压。当一只电容器的额定工作电压值太小不能满足需要时，除选用额定工作电压值高的电容器外，还可采用电容器串联的方式来获得较高的电压。

b.电容值不等的电容器串联使用时，每个电容器上所分配到的电压是不相等的。各电容器上的电压分配和它的电容成反比，即电容小的电容器比电容大的电容器所分配的电压要高。所以，电容值不等的电容器串联时，应先通过计算，在安全可靠的情况下再串联使用。

（2）电容器的并联及应用

①电容器并联的方法　将两个或两个以上的电容器的一个极板连接在一起，另一个极板也连在一起的连接方式，称为电容器的并联，如图3-13所示。对于电解电容器，并联时应注意极性不能接错。

②电容器并联电路的特性

a.每个电容器上电压相等，且为所连接电路的电源电压。即

U=U1=U2=U3

b.总电量等于每个电容器所带电量之和。即

Q=Q1+Q2+Q3

电荷量的分配与电容器的容量成正比。即

Q1:Q2:Q3=C1:C2:C3

电量分配公式为

c.总电容等于每个电容器的电容之和。即

C=C1+C2+C3

如果有n个电容器并联，则有

C=C1+C2+…+Cn

当n个容量均为C0的电容器并联时，则总电容C=nC0。

③电容器并联的应用　电容器并联，相当于扩大了两个极板的正对面积（有效面积），所以，总容量将增大。当需要增大电容量时，可采用几个适当的电容器并联来解决。

a.电容器并联时，每只电容器的耐压均应大于外加电压。换言之，并联电容器组的耐压值等于其中耐压值最小的哪一个电容器。若该电容器被击穿而短路，会使整个电容器组的端电压为零。

b.交流电路中，在负载两端并联电容器，可提高电路的功率因数，以减小在线路中产生的热损失和电压损失，提高电路的总体效率。

3.1.8　电容器的储能作用

电容器的储能作用是通过充放电来实现的。电容器在外加电压作用下，极板上可存储一定的电荷，即存储了一定的能量。

电容器存储的能量大小与电容器两端的电压和电容量的大小有关。电容器能量是以电场能的方式存储的，其电场能为

式中　WC——电容器能量，电位为J（焦耳）；

C——电容量，单位为F（法拉）；

U——加在电容器两端的电压，单位为V（伏）。