关于电容器的实验和再认识

一.基础知识
1.电容种类
常用电容种类很多，如图1所示，瓷片电容、独石电容和电解电容等等。下面是常见的电容种类及其特点。

（1）铝电解电容器
用浸有糊状电解质的吸水纸夹在两条铝箔中间卷绕而成，薄的化氧化膜作介质的电容器.因为氧化膜有单向导电性质,所以电解电容器具有极性.容量大，能耐受大的脉动电流，容量误差大，泄漏电流大；普通的不适于在高频和低温下应用,不宜使用在25kHz以上频率低频旁路、信号耦合、电源滤波。
电容量：0.47～10000u
额定电压：6.3～450V
主要特点：体积小，容量大，损耗大，漏电大
应用：电源滤波，低频耦合，去耦，旁路等
（2）钽电解电容器（CA）铌电解电容（CN）
用烧结的钽块作正极,电解质使用固体二氧化锰温度特性、频率特性和可靠性均优于普通电解电容器，特别是漏电流极小，贮存性良好，寿命长，容量误差小，而且体积小，单位体积下能得到最大的电容电压乘积对脉动电流的耐受能力差，若损坏易呈短路状态超小型高可靠机件中。
电容量：0.1～1000u
额定电压：6.3～125V
主要特点：损耗、漏电小于铝电解电容
应用：在要求高的电路中代替铝电解电容
（3）薄膜电容器
结构与纸质电容器相似，但用聚脂、聚苯乙烯等低损耗塑材作介质频率特性好，介电损耗小不能做成大的容量，耐热能力差滤波器、积分、振荡、定时电路。
（a）聚酯（涤纶）电容（CL）
电容量：40p～4u
额定电压：63～630V
主要特点：小体积，大容量，耐热耐湿，稳定性差
应用：对稳定性和损耗要求不高的低频电路
（b）聚苯乙烯电容（CB）
电容量：10p～1u
额定电压：100V～30KV
主要特点：稳定，低损耗，体积较大
应用：对稳定性和损耗要求较高的电路
（c）聚丙烯电容（CBB）
电容量：1000p～10u
额定电压：63～2000V
主要特点：性能与聚苯相似但体积小，稳定性略差
应用：代替大部分聚苯或云母电容，用于要求较高的电路
（4）瓷介电容器
穿心式或支柱式结构瓷介电容器，它的一个电极就是安装螺丝。引线电感极小，频率特性好，介电损耗小，有温度补偿作用不能做成大的容量，受振动会引起容量变化特别适于高频旁路。
（a）高频瓷介电容（CC）
电容量：1～6800p
额定电压：63～500V
主要特点：高频损耗小，稳定性好
应用：高频电路
（b）低频瓷介电容（CT）
电容量：10p～4.7u
额定电压：50V～100V
主要特点：体积小，价廉，损耗大，稳定性差
应用：要求不高的低频电路
（5）独石电容器
独石电容器实际上是多层陶瓷电容器：在若干片陶瓷薄膜坯上被覆以电极桨材料，叠合后一次绕结成一块不可分割的整体，外面再用树脂包封而成小体积、大容量、高可靠和耐高温的新型电容器，高介电常数的低频独石电容器也具有稳定的性能，体积极小，Q值高容量误差较大噪声旁路、滤波器、积分、振荡电路。独石电容的特点是电容量大、体积小、可靠性高、电容量稳定，耐高温耐湿性好等。
容量范围：0.5PF～1UF
耐压：二倍额定电压。
应用范围：广泛应用于电子精密仪器。各种小型电子设备作谐振、耦合、滤波、旁路。
（6）纸质电容器
一般是用两条铝箔作为电极，中间以厚度为0.008～0.012mm的电容器纸隔开重叠卷绕而成。制造工艺简单，价格便宜，能得到较大的电容量。
一般用在低频电路内，通常不能在高于3～4MHz的频率上运用。油浸电容器的耐压比普通纸质电容器高，稳定性也好，适用于高压电路。
（7）微调电容器
电容量可在某一小范围内调整，并可在调整后固定于某个电容值。瓷介微调电容器的Q值高，体积也小，通常可分为圆管式及圆片式两种。 云母和聚苯乙烯介质的通常都采用弹簧式，结构简单，但稳定性较差。线绕瓷介微调电容器是拆铜丝〈外电极〉来变动电容量的，故容量只能变小，不适合在需反复调试的场合使用。
（a）空气介质可变电容器
可变电容量：100～1500p
主要特点：损耗小，效率高；可根据要求制成直线式、直线波长式、直线频率式及对数式等。
应用：电子仪器，广播电视设备等
（b）薄膜介质可变电容器
可变电容量：15～550p
主要特点：体积小，重量轻；损耗比空气介质的大
应用：通讯，广播接收机等
（c）薄膜介质微调电容器
可变电容量：1～29p
主要特点：损耗较大，体积小
应用：收录机，电子仪器等电路作电路补偿
（d）陶瓷介质微调电容器
可变电容量：0.3～22p
主要特点：损耗较小，体积较小
应用：精密调谐的高频振荡回路
（8）陶瓷电容器
用高介电常数的电容器陶瓷〈钛酸钡一氧化钛〉挤压成圆管、圆片或圆盘作为介质，并用烧渗法将银镀在陶瓷上作为电极制成。它又分高频瓷介和低频瓷介两种。具有小的正电容温度系数的电容器，用于高稳定振荡回路中，作为回路电容器及垫整电容器。低频瓷介电容器限于在工作频率较低的回路中作旁路或隔直流用，或对稳定性和损耗要求不高的场合〈包括高频在内〉。这种电容器不宜使用在脉冲电路中，因为它们易于被脉冲电压击穿。高频瓷介电容器适用于高频电路。
（9）玻璃釉电容器（CI）
由一种浓度适于喷涂的特殊混合物喷涂成薄膜而成，介质再以银层电极经烧结而成"独石"结构性能可与云母电容器媲美，能耐受各种气候环境，一般可在200℃或更高温度下工作，额定工作电压可达500V，损耗tgδ0.0005～0.008。
电容量：10p～0.1u
额定电压：63～400V
主要特点：稳定性较好，损耗小，耐高温（200度）
应用：脉冲、耦合、旁路等电路

2.电容的主要参数
（1）容量与误差：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%。在有些情况下，还有0级，误差为±20%。
精密电容器的允许误差较小，而电解电容器的误差较大，它们采用不同的误差等级。
常用的电容器其精度等级和电阻器的表示方法相同。用字母表示：D—005级—±0.5%；F—01级—±1%；G—02级—±2%；J—I级—±5%；K—II级—±10%；M—III级—±20%。
（2）额定工作电压：电容器在电路中能够长期稳定、可靠工作，所承受的最大直流电压，又称耐压。对于结构、介质、容量相同的器件，耐压越高，体积越大。
（3）温度系数：在一定温度范围内，温度每变化1℃，电容量的相对变化值。温度系数越小越好。
（4）绝缘电阻：用来表明漏电大小的。一般小容量的电容，绝缘电阻很大，在几百兆欧姆或几千兆欧姆。电解电容的绝缘电阻一般较小。相对而言，绝缘电阻越大越好，漏电也小。
（5）损耗：在电场的作用下，电容器在单位时间内发热而消耗的能量。这些损耗主要来自介质损耗和金属损耗。通常用损耗角正切值来表示。
（6）频率特性：电容器的电参数随电场频率而变化的性质。在高频条件下工作的电容器，由于介电常数在高频时比低频时小，电容量也相应减小。损耗也随频率的升高而增加。另外，在高频工作时，电容器的分布参数，如极片电阻、引线和极片间的电阻、极片的自身电感、引线电感等，都会影响电容器的性能。所有这些，使得电容器的使用频率受到限制。
不同品种的电容器，最高使用频率不同。小型云母电容器在250MHz以内；圆片型瓷介电容器为300MHz；圆管型瓷介电容器为200MHz；圆盘型瓷介可达3000MHz；小型纸介电容器为80MHz；中型纸介电容器只有8MHz。
（7）等效串联电阻ESR
容量越大，ESR越小
（8）等效串联电感ESL
尺寸越大，ESL越大
（9）纹波电流
电容所能承受的最大交流纹波电流
容量越大，纹波电流越大

二.容值测量的方法
（a）用具有电容测量功能的数字万用表测量容值
（b）将被测电容与一只电阻相串联，接到函数信号发生器的输出端，选择函数信号发生器的输出频率和幅值，然后分别测量电容和电阻上的电压，计算被测电容的容值并与与器件上的标称值对比。
(c）利用滤波器截止频率
如图2所示。

假定C1未知，信号发生器输出一正弦波，VP-P=1V，那么我们调节信号发生器的频率，使得输出波形的VP-P=0.707V，此时的频率为低通滤波器的-3db截止频率，再由f0=1/(2piR1*C1)可以求得C1。实验中当调节f=158Hz时，可得到C1=1uF，与理论值接近。

三.思考
1电容器容值的标注方法有哪些？
2电容的耐压有何意义？如何选择电容的耐压值？
3什么时候要选用精密电容？需要精确容量的电容时怎样办？
4使用电解电容时应该注意什么问题？
5电解电容有哪几种？有何异同？如何选用？
6如果一只电解电容在电容中发热？可能的原因是什么？电解电容使用不当会出现什么后果？
7还有哪些办法可以测量电容？可能的话请自己试一试。
8如何考虑电容的工作频率？所选的电容工作频率达不到电路的要求时会出现什么问题？
思路：实际电容的工作频率要低于电容的自谐振频率，否则电容将失去容性，起不到理想效果。可以通过并联电容，降低ESL,提高自谐振频率，扩宽应用范围。
电容的实际模型如图3

图中RP为绝缘电阻，一般在M欧数量级。图中ESL和ESR的值不代表真实情况。那么我们考虑RCL谐振，它的频响曲线如图4

实线是真实情况，虚线是理想情况，假定拐点频率为W0，当**WW0时，电容不再呈现容性，而是感性，**这一点实际电路中要注意。

9如何给放大器配置电容？
思路：
（1）去耦电容
作用是防止本电路的电压变化影响别的电路，一般放在电源进入电路板的入口处，且不能距离放大器太远，10cm。
（2）旁路电容
作用是让高频噪声短接到地，一般是1-0.1-0.01uF的电容组，放置在芯片电源管脚的根部。那么为什么是电容组呢？？原因还是在于8中提到的电容实际模型，在低频段，感抗和电阻都很小，随着频率提高，电容容抗减小，总阻抗也是减小的；随着频率再提高，感抗开始起作用，使得总阻抗呈现上升趋势。一般认为出现的谷点就是ESR。如图5所示，两个容值不同的电容并联，用一个较大的电容负责低频区域（蓝色），一个较小的电容负责高频区域（绿色），会提高低阻抗频率区域，使得旁路作用的频率区域更宽。