1.2 电容器的种类、功能特点、标注方法
电容器是一种可储存电能的元件(储能元件)。它的结构非常简单,主要是由两个互相靠近的导体中间夹一层不导电的绝缘介质构成的。
1.2.1 电容器的种类
电容器在电子产品中的应用十分广泛。它的图形符号是“”,用字母“C”表示。根据制作工艺和功能的不同,电容器主要可以分为普通电容器、电解电容器和可变电容器三类。
1. 普通电容器
普通电容器通常是指电容量不可改变的无极性电容器。无极性电容器是指电容器的两个金属电极没有正负极性之分,使用时两极可以交换连接。无极性电容器的图形符号为“”。
无极性电容器的种类很多。根据绝缘介质的不同,常见的无极性电容器主要有纸介电容器、瓷介电容器、云母电容器、涤纶电容器、玻璃釉电容器及聚苯乙烯电容器。
(1)纸介电容器(C)
纸介电容器的价格低、体积大、损耗大且稳定性差。图1-26 为纸介电容器的实物外形。纸介电容器存在较大的固有电感,不宜在频率较高的电路中使用。
图1-26 纸介电容器的实物外形
(2)瓷介电容器(C)
瓷介电容器是以陶瓷材料作为介质,在其外层常涂以各种颜色的保护漆,并在陶瓷片上覆银制成电极。图1-27 为瓷介电容器的实物外形。瓷介电容器的损耗小,稳定性好,且耐高温高压。
图1-27 瓷介电容器的实物外形
贴片陶瓷电容器是应用最多的一种电容器。它的图形符号为“”。在电路中,这种电容器的代号为“C”。图1-28为贴片陶瓷电容器的实物外形。
图1-28 贴片陶瓷电容器的实物外形
有些人在识别贴片陶瓷电容器时容易与普通贴片电阻器混淆。
在实际应用中,可以通过识读电路板上的元器件的标识进行区分,还可以通过颜色识别。贴片普通电阻器的颜色多为黑色,而贴片陶瓷电容器的颜色多为黄褐色。
(3)云母电容器(C)
云母电容器是以云母作为介质的电容器。图1-29 为云母电容器的实物外形。云母电容器的可靠性高,频率特性好,适用于高频电路。
图1-29 云母电容器的实物外形
(4)涤纶电容器(C)
涤纶电容器采用涤纶薄膜作为介质的电容器。图1-30 为涤纶电容器的实物外形。涤纶电容器的成本较低,耐热、耐压和耐潮湿的性能都很好,但稳定性较差,适用于稳定性要求不高的电路中。
图1-30 涤纶电容器的实物外形
(5)玻璃釉电容器(C)
玻璃釉电容器使用的介质一般是玻璃釉粉压制的薄片,通过调整釉粉的比例,可以得到不同性能的电容器。这种电容器介电系数大、耐高温、抗潮湿性强、损耗低。其实物外形如图1-31所示。
图1-31 玻璃釉电容器的实物外形
(6)聚苯乙烯电容器(C)
聚苯乙烯电容器是以非极性的聚苯乙烯薄膜为介质制成的电容器。图1-32为聚苯乙烯电容器的实物外形。聚苯乙烯电容器成本低、损耗小,充电后的电荷量能保持较长时间不变。
图1-32 聚苯乙烯电容器的实物外形
2. 电解电容器
电解电容器为有极性电容器。该电容器的两个金属电极有正、负极性之分。其图形符号为“”或“”。按电极材料的不同,常见的有铝电解电容器和钽电解电容器。
(1)铝电解电容器(C)
铝电解电容器是一种液体电解质电容器。它的负极为铝圆筒,整机为浸入液体电解质的弯曲铝带。图1-33为铝电解电容器的实物外形。
图1-33 铝电解电容器的实物外形
铝电解电容器体积小、容量大,与无极性电容器相比绝缘电阻低、漏电流大、频率特性差,容量和损耗会随周围环境和时间的变化而变化,特别是在温度过低或过高的情况下,长时间不用就会失效。因此,铝电解电容器仅限于低频、低压电路。
(2)钽电解电容器(C)
钽电解电容器是采用金属钽作为阳极材料制成的电容器。图1-34 为钽电解电容器的实物外形。
图1-34 钽电解电容器的实物外形
钽电解电容器的温度特性、频率特性和可靠性都较铝电解电容器好,特别是它的漏电流极小,电荷储存能力好,寿命长,误差小,但价格昂贵,通常用于高精密的电子电路中。
当电容器加上直流电压时,由于电容器介质不可能绝对不导电,因此电容器就会有漏电流产生。若漏电流过大,则电容器就会发热烧坏。通常,电解电容器的漏电流会比其他类型的电容器大,故常用漏电流表示电解电容器的绝缘性能。
3. 可变电容器
电容量可以调整的电容器被称为可变电容器。这种电容器主要用在接收电路中选择信号(调谐)。可变电容器按介质的不同可以分为空气介质电容器和有机薄膜介质电容器两种;按照结构的不同又可以分为单联可变电容器、双联可变电容器和四联可变电容器。
(1)微调电容器(C)
微调电容器又叫半可调电容器。它的图形符号为“”。这种电容器的容量较固定电容器小,常见的有瓷介微调电容器、管型微调电容器(拉线微调电容器)、云母微调电容器、薄膜微调电容器等。微调电容器主要用在调谐电路中。图1-35为典型微调电容器的实物外形。
图1-35 微调电容器的实物外形
(2)单联可变电容器(C)
单联可变电容器的图形符号为“”。这种电容器的内部只有一个可调电容器。图1-36为单联可变电容器的实物外形。
图1-36 单联可变电容器的实物外形
(3)双联可变电容器(C)
双联可变电容器是由两个可变电容器组合而成的。它的图形符号为“”。图1-37为双联可变电容器的实物外形。
图1-37 双联可变电容器的实物外形
(4)四联可变电容器(C)
四联可变电容器的内部包含有 4 个可变电容器。它的图形符号为“”(或用“”表示)。图1-38为四联可变电容器的实物外形。
图1-38 四联可变电容器的实物外形
1.2.2 电容器的功能特点
两块金属板相对平行地放置而不相接触就构成一个最简单的电容器。
图1-39为在直流电路中电容器的充电原理。把金属板的两端分别接到电源的正、负极,那么接正极的金属板上的电子就会被电源的正极吸引过去,接负极的金属板就会从电源负极得到电子。这种现象就叫做电容器的“充电”。充电时,电路中就有电流流动。两块金属板有电荷后就产生电压,当电容器所充的电压与电源的电压相等时,充电就停止。电路中就不再有电流流动,相当于开路。这就是电容器能隔断直流电的原理。
图1-39 在直流电路中电容器的充电原理
图1-40为在直流电路中电容器的放电原理。如果将接在电路中的电源拿开,而用导线把电容器的两个金属板接通(即视为将开关S断开),则在电源断开的一瞬间,电路中便有电流流通,电流的方向与原充电时的电流方向相反。随着电流的流动,两金属板之间的电压也逐渐降低。直到两金属板上的正、负电荷完全消失。这种现象叫做“放电”。
图1-40 在直流电路中电容器的放电原理
如果电容器的两块金属板接上交流电,因为交流电的大小和方向在不断地变化着,电容器两端也必然交替地进行充电和放电,因此电路中就不停地有电流流动。这就是电容器能通过交流电的道理。
电容器的两个重要特性:
① 阻止直流电流通过,允许交流电流通过;
② 在充电或放电过程中,电容器两极板上的电荷有积累过程,或者说极板上的电压有建立过程,因此电容器上的电压不能突变。
根据电容器充、放电原理,电容器在电路中的主要功能如下。
1. 由电容器构成的滤波电路
电容器(平滑滤波电容器)应用在直流电源电路中可构成平滑滤波电路。图1-41为没有平滑滤波电容器的电源电路。交流电压变成直流后电压很不稳定,波动很大。
图1-41 没有平滑滤波电容器的电源电路
图1-42为加入平滑滤波电容器后的电源电路。由于平滑滤波电容器的加入,电路中原本不稳定、波动比较大的直流电压变得比较稳定、平滑。
图1-42 加入平滑滤波电容器后的电源电路
2. 由电容器构成的耦合电路
电容器对交流信号阻抗较小,可视为通路,而对直流信号阻抗很大,可视为断路。在放大器中,电容器常作为交流信号的输入和输出耦合电路器件。图1-43为由电容器构成的耦合电路。交流信号经耦合电容C1加到晶体管的基极,经晶体管放大后,由集电极输出的信号经输出耦合电容C2加到负载电阻RL上。
图1-43 由电容器构成的耦合电路
该电路中的电源电压VCC经过RC为集电极提供直流偏压,再经R1、R2为基极提供偏压。直流偏压的功能是给晶体管提供工作条件和能量,使晶体管工作在线性放大状态。
此外,从该电路中可以看到,由于电容器具有隔直流的作用,因此放大器的交流输出信号可以经耦合电容器C2送到负载RL上,而电源的直流电压不会加到负载RL上。也就是说,从负载上得到的只是交流信号。
1.2.3 电容器的识别标注方法
电容器通常采用直标法进行简略标注,只标识出重要的信息,有些参数则被省略。
图1-44为典型电容器标识。其中,“2200μF”表示电容量大小;“25 V”为额定工作电压;“+85℃”为电容器正常工作的温度范围;“M”表示允许偏差为± 20 %。因此该电容器的电容量大小为2200 μF,正常工作温度不超过+85℃。
图1-44 有极性电容器的标注实例
确保安装正确,有极性电容器除了标注出该电容器的相关参数外,对电容器引脚的极性也进行了标注。电容器外壳上标注有“-”的引脚为负极性引脚,用于连接电路的低电位,如图1-45所示。
图1-45 直接标注法识别电容器极性
有些电解电容器从引脚的长短也可以进行判别。引脚较长的为正极性引脚,如图1-46所示。
图1-46 引脚长短法识别电容器极性
许多贴片式有极性电容器在顶端和底部也都通过不同的方式进行标注。从顶端标记进行识别时,带有颜色标记的一侧引脚为负极性引脚。如果从底部进行识别,则有缺口的一侧为正极性引脚,没有缺口的一侧为负极性引脚,如图1-47所示。
图1-47 顶端和底端标识法识别电容器极性