1.1.6 电容器

两个彼此靠近又相互绝缘的金属导体，就构成了电容器。两个金属导体称为电容器的极板，中间的物质叫作绝缘介质。按介质不同，有纸介、瓷介、玻璃釉、云母、涤纶、电解电容器等；按结构不同，可分为固定电容器、半可变电容器、可变电容器等；按有无极性分，分为有极性和无极性两种。电解电容器为有极性元件，短脚（或有“-”标记一侧）为负极、长脚为正极，接入电路时，正、负极不得接反。如图1-15所示为几种常见的电容器。

电容元件也称为电容，是这些实际电容器的理想化模型，用字母C表示，其电路符号如图1-16所示。

1.电容器的电容量

电容器的电容量简称电容，用字母C表示，其大小等于电容器所带的电荷量与其两极板间电压的比值，即

式中，C为电容，单位为F（法）；Q为电容器的电荷量，单位为C（库）；U为电容器的极板间电压，单位为V（伏）。

电容的单位为F，工程上常用的单位有μF（微法）、pF（皮法），它们之间的换算关系为

C既表示电容元件，又表示电容元件的电容量。

电容量的大小与电容器的形状、尺寸、电介质有关，如平行板电容器的电容跟它的介电常数和两极板正对面积成正比，跟极板的距离成反比，即

式中，ε为电介质的介电常数（F/m）；S为两极板正对的面积（m²）；d为两极板间的距离（m）；则电容C的单位为F。电介质的介电常数，由介质的性质决定。

注意：不只是电容器中才有电容，实际上任何两导体之间都存在电容，称为分布电容。如两根传输导线之间，每根传输线与大地之间，都被空气介质隔开，故都存在分布电容。一般情况下，分布电容值很小，其作用可忽略，但如果传输线很长或所传输的信号频率很高时，就必须考虑分布电容的作用；另外，在电子仪器中，导线和仪器的金属外壳之间也存在分布电容，虽然它的数值很小，但有时候却会给传输电路或仪器设备的正常工作带来干扰。

2.电容器的充放电特性

将电容器与电源连接，两个极板上就聚集起等量异号的电荷，两极板间就建立了电场并储存电场能量。因此，电容器是一种能够储存电场能量的器件。

使电容器带电的过程叫作充电。如图1-17所示的电路中，当开关S扳向1时，电源（其内阻忽略）向电容器充电，灯开始时较亮，然后逐渐变暗，最后不亮，说明充电电流在变化。这是由于开关S刚闭合的一瞬间，电容器的极板和电源之间存在着较大的电压，所以开始充电电流较大，随着电容器极板上电荷的积聚，两者之间的电压逐渐减小，电流也就越来越小，当两者之间不存在电压时，电流为零，即充电结束。此时电容器两端的电压U_C=U_S，电容器两个极板上储存的等量异种电荷Q=CU_S，充了电的电容器两极板之间有电场。电场具有能量，此能量是从电源吸取过来而储存在电容器中的。所以电容器是储能元件，整个充电过程储存的能量为

充电后的电容器失去电荷的过程叫作放电。如图1-17所示，在电容器充电结束后，把开关S扳向2，电容器便开始放电。开始灯较亮，然后逐渐变暗，最后不亮，说明电容器放电结束。这是由于刚开始电容器两极板间的电压较大，两极上的电荷互相中和而产生的电流较大，随着正、负电荷的不断中和，两极板间的电压越来越小，电流也就越来越小，正、负电荷全部中和时，电路中的电流为零，放电就结束了。放电后，两极板之间不再存在电场。

值得注意的是，电路中的电流是由于电容器的充放电所形成的，并非电荷直接通过电容器中的介质。

通过对电容器充放电过程的分析，可知：当电容器极板上所储存的电荷发生变化时，电路中就有电流流过；若电容器极板上所储存的电荷恒定不变，则电路中就没有电流流过，所以，电容器的充放电电流为，因为q=Cu_C，则dq=Cdu_C，所以有

利用电容器充电、放电和隔离直流、导通交流的特性，在电路中用于隔离直流、耦合交流、旁路交流、滤波、定时和组成振荡电路等。

3.电容器的连接

（1）电容器的串联

如图1-18所示，电容器的串联就是把几个电容器的极板首尾顺次连接在电源上。电容器的串联具有如下特点：

1）电容器串联时，各电容极板上所带电荷量相等，即

2）电容器串联时，总电容C的倒数等于各电容的倒数和，即

当有两个电容器串联时，总电容为

3）电容器串联时，电容器的电压之和等于总电压，即

各电容极板间电压与总电压的关系为

式（1-38）称为电容串联电路的分压公式。由公式可知，各电容器分得的电压与电容器的电容量成反比，即电容量越小，分得的电压越大；电容量越大，分得的电压越小。一般选电容量相等、耐压也相等的电容器串联，则每只电容器所承受的电压是外加电压的1/n，而每只电容器的电容应为所需的电容的n倍。

（2）电容器的并联

如图1-19所示，电容器的并联就是把每个电容器的两极板都分别接在电源的两端。电容器的并联具有如下特点：

1）电容器并联时，总电荷量等于各并联电容的电荷量之和，即

2）电容器并联时，总电容C等于各并联电容的电容量之和，即

3）电容器并联时，总电压等于每个电容器上的电压，即

电容器并联之后，相当于增大了两极板的面积，因此，总电容大于每个电容器的电容。当电路所需较大电容时，可以选用几个电容并联。根据实际需要，也可将电容进行串并混联。

4.电容器的主要参数

电容器的主要参数有电容值、允许误差、额定电压等。

（1）电容器的额定电压

通常指直流工作电压，使用时不能超过这个值，否则电容器容易被击穿，如果在交流电路中使用，应使交流电压的最大值不能超过电容器的额定电压。常用固定式电容的直流工作电压系列有：6.3V、10V、16V、25V、40V、63V、100V、160V、250V、400V。

（2）电容器的标称容量和允许误差

电容器上标明的电容值，国产电容器的标称电容量后面这些数值或这些数值再乘以10ⁿ（n为正整数或负整数）：10、11、12、13、15、16、18、20、22、24、27、30、33、36、39、43、47、51、56、62、68、75、82、90，单位为pF。

电容器的标称容量与实际容量的差值需要限定在允许的误差范围之内。无极性电容的允许误差按精度分为00级（±1%）、0级（±2%）、I级（±5%）、II级（±10%）和III级（±20%）等几个级别；极性电容的允许误差范围一般较大，如铝电解电容的允许误差范围是-20%~100%。

5.电容器的检测

测量电容器的电容量要用电容表，有的万用表也带电容档。在通常情况下，电容用作滤波或隔直，电路中对电容量的精确度要求不高，故无须测量实际电容量。电容的一般检测方法如下。

（1）测试漏电阻（适用于0.1μF以上容量的电容）

用万用表的电阻档（R×100或者R×1k），将表笔接触电容器的两引线。刚接触时，由于电容充电电流大，表头指针偏转角度最大，随着充电电流减小，指针逐渐向R=∞方向返回，最后稳定处即漏电电阻值。一般电容器的漏电电阻为几百至几千兆欧，漏电电阻相对小的电容质量不好。测量时，若表头指针指到或接近欧姆零点，表明电容器内部短路。若指针不动，始终指在R=∞处，则意味着电容器内部断路或已失效。对于电容量在0.1μF以下的小电容，由于漏电阻接近∞，难以分辨，故不能用此方法测量漏电阻或判断好坏。

（2）电解电容的极性检测

电解电容的正、负极性不允许接错，当极性接反时，可能因电解液的反向极化，引起电解电容器的爆裂。当极性标记无法辨认时，可根据正向连接时漏电电阻大、反向连接时漏电电阻相对小的特点判断极性。交换表笔前后两次测量漏电电阻，阻值大的一次，黑表笔接触的是正极。但用这种办法有时并不能明显地区分正、反向电阻，所以使用电解电容时，要注意保护极性标记。