电容器的基础知识

1.电容器和电容

电容器是由两个金属电极，中间夹一层电介质构成的。当两个电极之间加上电压时，电极上就储存有电荷，所以电容器是一种储存电能的元件。因此在理论上，它对直流电流具有隔断的作用，而交流电流则可以通过，随着交流频率越高，它通过电流的能力也越强。

任何两个互相靠近而又彼此绝缘的导体都可构成电容器。组成电容器的两个导体叫做极板，极板中间的物质叫做电介质。常见电容器的电介质有空气、纸、油、云母、塑料、陶瓷等。

电容器具有隔直流、通交流的特性，因此常用于滤波旁路、交流耦合等电路中。电容器根据其用途不同可分为电子电容器和电力电容器。

电容器在电路中起着储存电荷的作用，电容器就是“储存电荷的容器”。对任何一个电容器而言，两极板的电压都随所带电荷量的增加而增加，并且电荷量与电压成正比，其比值q/U是一个恒量；但是对于不同的电容器，这一比值则不相同，可见q/U表现了电容器的固有特性。因此，把电容器所带电荷量与其端电压的比值叫做电容器的电容量，简称电容，用字母C表示。电容器电容量的基本单位是法，用字母F表示。因为实际中的电容器的容量往往比1F小得多，所以电路中常用的单位有微法（μF）、纳法（nF）和皮法（pF）等，其关系是：

1法=10⁶微法

1微法=10³纳法=10⁶皮法

1F=10³mF=10⁶μF=10⁹nF=10¹²pF

电容器的电容与两极板的正对面积、两极板的间距以及两极板间的介质有关。两极板的正对面积越大，极板间的距离越小，电介质的介电常数越大，电容器的电容就越大。通常的可变电容器就是通过改变两极板的正对面积来实现电容量的变化的。

2.电容器图形符号和电容器的作用

（1）电容器的图形符号

常见的电容器如图1-42所示，微调电容器如图1-43所示，电容器在电路中的图形符号如图1-44所示。

图1-42 常用电容器

图1-43 微调电容器

图1-44 电容器的电路中图形符号

（2）电容器的作用

在电子电路中，电容器的主要功能是通交流、隔直流、通高频、阻低频、耦合、旁路、滤波、谐振等。在如图1-45所示电路中，C₁、C₆、C₈为耦合电容，C₂、C₃为滤波电容，C₄、C₅、C₇为谐振电容。

图1-45 调频无线电话筒

3.电容器的分类

电容器按其极性可分为无极性电容器和有极性电容器。

按电介质可分为有机介质电容器、无机介质电容器、电解电容器、液体介质电容器和气体介质电容器等。

按照结构的不同，我们将容量固定的电容器称为固定电容器，而可以调节的称为可调或半可调电容器（微调电容器）。

按不同用途分：高频电容器、低频电容器、回路电容器、耦合电容器、旁路电容器、隔直流电容器、滤波电容器、储能电容器、脉冲电容器。

按封装外形分：圆柱形电容器、圆片形电容器、管形电容器、叠片形电容器、长方形电容器、方块形电容器和异形电容器等多种。

按引线不同分：轴向引线式电容器、径向引线式电容器、同向引线式电容器和无引线式（贴片式）电容器等多种。

电容器还可分为低压的和高压的、无功功率小的和无功功率大的。

4.电容器的主要参数

（1）标称容量及允许偏差

电容器是一种储能元件，它在介质两边储存一定量的电荷，其储存电荷的能力称为电容量。电容器的品种比电阻器多，不同类型的电容器有不同系列的标称值。某些电容器的体积过小，在标称数值时无法标上单位符号，这就需要根据电容器的材料、外形尺寸、耐压等数据加以判断。一般电容精度偏差较大，在5%以上，最大的可达-10%～100%。

在电容器上标注的电容量值，称为标称容量。国家规定只按一系列容量值生产，这一系列容量值叫做电容器的标称容量系列，其中常用的有E6和E12系列。

标准单位是法拉（F），常用的是微法（μF）、纳法（nF）、皮法（pF），它们之间的换算关系为：1F=10⁶μF=10⁹nF=10¹²pF。比如：2pF、68pF、100pF等电容量在10000pF以下的电容器通常用pF作单位。

标称容量与实际电容量之间有一定的差别，电容器的标称容量与其实际容量之差，称为容量偏差，允许的偏差范围称为允许偏差。容量偏差再除以标称值所得的百分比，就是允许偏差，如表1-11所示。允许偏差与电容器材料及容量大小有关，电解电容器的容量较大，偏差范围可能大于±10%，而各种无极性电容器容量相对较小，偏差范围通常小于±20%。

表1-11 电容器的允许偏差等级

偏差的标志方法一般有三种：

1）将容量的允许偏差直接标志在电容器上。

2）用罗马数字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别表示±5%、±10%、±20%。

3）用英文字母J、K、M、N分别表示±5%、±10%、±20%、±30%；D、F、G分别表示±0.5%、±1%、±2%；P、S、Z分别表示+100～0%、+50～-20%、+80～-20%，如表1-12所示。

表1-12 固定电容器容量的标称值系列

（2）额定电压

电容器的额定电压是指在规定温度范围内，电容器在电路中长期可靠地工作所允许加的最大直流电压，有时又分为额定直流工作电压和额定交流工作电压。如果电容器工作在交流电路中，则交流电压的峰值不得超过额定电压，否则电容器中介质会被击穿造成电容器的损坏。额定电压的数值通常都在电容器上标出。

电容器的工作寿命与其工作电压有关，若要延长电容器的使用期限，则应降低其实际使用时的工作电压。

额定工作电压的大小与电容器所用介质和环境温度有关，环境温度不同，电容器能承受的最高工作电压也不同。选用电容器时，要根据其工作电压的大小，选择额定工作电压大于实际工作电压的电容器，以保证电容器不被击穿。

固定式电容器的耐压系列值有：1.6、6.3、10、16、25、32^*、40、50、63、100、125^*、160、250、300^*、400、450^*、500、1000、1600、2500V等（带^*号者只限于电解电容使用）。耐压值一般直接标在电容器上，但有些电解电容器在正极根部用色点来表示耐压等级，如6.3V用棕色，10V用红色，16V用灰色，各颜色所表示的意义如表1-13所示。电容器在使用时不允许超过这个耐压值，若超过此值，电容器就可能损坏或被击穿，甚至爆裂。

表1-13 电容器耐压色环标志

小云母电容：250V左右。

小瓷介电容：60V左右。

聚苯乙烯电容：63V、160V、400V、600V等。

电解电容：12V、25V、50V、160V、400V等。

没有标出的，耐压一般在100V以下。

可变电容耐压一般在100V以上。

对于某些在交流电路中使用的电容器，还规定了在一定频率下所能连续施加的最大交流电压，为额定交流电压，以区别于通常在电容器上所标志的额定电压。

（3）电容器的温度系数

温度的变化会引起电容器容量的微小变化，通常用温度系数来表示电容器的这种特性。温度系数是指在一定温度范围内，温度每变化1℃时电容器容量的相对变化值。

（4）绝缘电阻

绝缘电阻是指电容器两极之间的电阻，也称漏电阻。一般电容器绝缘电阻为10⁸～10¹⁰ Ω，电容量越大绝缘电阻越小，所以不能单凭所测绝缘电阻值的大小来衡量电容器的绝缘性能。绝缘性能的优劣通常用绝缘电阻与电容量的乘积来衡量，称之为电容器的时间常数。电解电容器的绝缘电阻较小，一般采用漏电流来表示其绝缘程度。

电容器的绝缘电阻与电容器的介质材料和面积、引线的材料和长短、制造工艺、温度和湿度等因素有关。对于同一种介质的电容器，电容量越大，绝缘电阻越小。

电容器绝缘电阻的大小和变化会影响电子设备的工作性能，对于一般的电子设备，选用绝缘电阻越大越好。

（5）电容器的漏电流

电容器的介质并不是绝对绝缘的，总会有些漏电，产生漏电流。当对电容器施加直流电压时，电容器就被充电，充电电流随时间逐渐下降，经长时间充电以后，其电流实际上并不降到零而保留一定的最终值，称为电容器的漏电流，包括通过电容器内部介质的漏电流以及通过电容器表面的漏电流。

一般电解电容器的漏电流比较大，其他电容器的漏电流很小。当漏电流较大时，电容器会发热；发热严重时，电容器会因过热而损坏。

（6）电容器的频率特性

频率特性是指电容器对各种不同频率所表现出的性能，即电容量等电参数随着电路工作频率的变化而变化的特性。不同介质材料的电容器，其最高工作频率也不同，例如，容量较大的电容器（如电解电容器）只能在低频电路中正常工作，而高频电路中只能使用容量较小的高频瓷介电容器或云母电容器等。

（7）损耗角正切

电容器的损耗：任何实际电容在电场作用下均有能量损耗，消耗的能量转变成热能，其中一部分向周围环境散发，另一部分则使电容器发热，温度升高。电容器的损耗角正切：

式中，δ是电容器电流、电压间相位差φ的夹角，称为电容器的损耗角。tanδ为电容器损耗角的正切值，它真实地表征了电容器质量的优劣。

电容器介质的绝缘性能取决于材料及厚度，绝缘电阻越大漏电流越少。漏电流I_R的存在会消耗电能，这种损耗称为电容器的介质损耗，相当于在理想电容上并联一个等效电阻，此时电容上存储的无功功率为UIcosδ，损耗的有功功率为UIsinδ。为确切反映电容器的损耗特性，用损耗功率与存储功率之比来反映，即

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不同类型的电容器其tanδ的数值不同，一般在10^-2～10^-4，越小越接近理想电容。

（8）稳定性

电容器在外界因素影响下的稳定性是衡量电容器质量的一个极其重要的标准，重要用途的电容器必须具有高度的稳定性。

电容器的主要参数如容量、绝缘电阻、损耗角正切值等受温度、湿度、气压、振动等外界环境的影响而发生变化，变化的大小用稳定性来衡量。如云母瓷介电容温度系数可达10^-4/℃数量级，铝电解电容的湿度系数最大，可达10^-2/℃，除瓷介电容外，其他产品温度系数多为正值。湿度对纸介电容影响较大，对瓷介电容影响很小。

（9）介质吸收系数

在使用电容器时，总希望它一经充电就很快达到电源电压，放电时能立即将存储电荷释放完毕。实际上有些电容器除去所加电压后，将其短路放电片刻，随即将电路断开，再经一段时间后，电容器两端仍会有一定数值的剩余电压存在，这种现象称为电容器的介质吸收。

电容器的介质吸收系数是剩余电压与充电电压的比值百分数。吸收系数较大的电容器在充电时需要经过相对较长的时间，放电时电荷的释放也需要较长的时间，这会对某些要求反应迅速的脉冲控制电路造成不利的影响。

（10）可靠性

电容器的可靠性也可用失效率、使用寿命等可靠性指标来表示，这些指标的定义与电阻器相同。

可靠性是指电容器的有效工作寿命，即它能够正常完成某一特定电气功能的时间。

电容器的工作寿命结束，叫做失效，失效是随时间的推移、工作环境的变化，电容器的规格参数从量变到质变而产生的。

度量电容器可靠性的基本参数是时间，即用有效工作寿命的长短来评价它的可靠性。电容器的可靠性用失效率来表示，即一百万电容器运用一千小时，每发生一次失效，就叫做1“菲特”。失效率越低，说明元器件的可靠性越高。如表1-14所示。

表1-14 各种电容器的基本失效率

5.常用电容器

（1）电容器的型号命名方法

国家规定电容器的型号命名方法由四部分组成：第一部分表示电容器的主称，用C表示；第二部分表示电容器的介质材料；第三部分表示电容器的类别；第四部分表示电容器的序号，如表1-15所示。

表1-15 电容器型号命名法

电容器的型号命名示例：

材料代号及意义：C高频瓷，T低频瓷，I玻璃釉，O玻璃膜，Y云母，V云母纸，Z纸介，J金属化纸，B聚苯乙烯，F聚四氟乙烯，Q漆膜，H复合介质，D铝电解，A钽电解，N铌电解，G合金电解质，L聚酯薄膜，LS聚碳酸酯，E其他材料电解质。

由于国标制定的时间较早，后来出现的独石电容沿用瓷介的CT表示，为CT4、CC4系列，聚丙烯电容沿用CB表示，为CBB系列，最后一个B为“丙”字拼音字头。

根据国家标准，电容器型号由四部分内容组成，其中第三部分作为补充特征，如无说明则只需由三部分表示即可。

（2）常用电容器

1）有机介质电容器。

除传统的纸介、金属化纸介电容器及涤纶、聚苯乙烯等电容器外，由于现代高分子合成化合物技术不断发展，新的薄膜介质电容器不断出现，如聚丙烯等产品。

①纸介电容器（型号CZ）是生产历史最悠久的电容器之一，用较薄的电容器专用纸为介质，用铝箔或铅箔做电极，经卷绕成形、浸渍后封装而成。它的特点是电容量和工作电压范围很宽（36V～30kV），工艺简单，成本低。但电容量精度不易控制，体积大，损耗较大，频率特性及其温度稳定性较差，只适用于直流或低频电路中。

②金属化纸介电容器（型号CJ）采用真空蒸发技术在涂有漆膜的纸上再蒸镀一层金属膜作为电极，金属化纸介电容器具有自愈能力，比同类纸介电容器容量大，即同等耐压容量条件下的金属化纸介电容器体积比纸介电容器小3～5倍，其余性能与纸介电容器相同。

③有机薄膜电容器的介质材料是有机薄膜，用铝箔或金属化薄膜作为电极按照一定工艺及方法卷绕制而成的。有机薄膜只是一个统称，具体有涤纶、聚丙烯等多种。这种电容器无论在体积上，还是在电参数上都要比纸介电容器优越得多，但一般不耐高温。有机薄膜电容器一般具有体积小，自愈性好等特点。所谓自愈性指的是由于某种原因介质被电压放电击穿，电容器短路发热会使薄膜重新融化，自动修复损伤。

涤纶电容器（型号CL）也叫聚酯电容器，是用极性聚酯薄膜作为介质制成的一种正温度系数无极性电容器。其电容量和电压范围很宽，既有小型低压电容器，又有高压大容量电容器。其容量大，耐热性好（可长期在120～130℃温度下工作）。但介质损耗较大，频率特性及其温度稳定性差。在极性有机介质电容器中，聚酯电容器应用最广。

聚丙烯电容器（型号CBB）是用无极聚丙烯薄膜作为介质制成的一种负温度系数的无极性电容器。在所有低价高分子介质材料中，电气性能最好的要数聚丙烯，因此聚丙烯电容器在薄膜类电容器中一般是最好的。由于聚丙烯电容的优良特性，尤其是没有吸附效应，因此在一些A-D转换电路中，特别指定要用聚丙烯产品。采用特殊的卷绕工艺可以生产无感（无电感效应）的聚丙烯电容器，广泛用于要求精密的场合。使用聚丙烯电容器的场合有：彩电中的信号处理通道，运算放大器中做积分、微分、滤波器电容以及有时在采样保持电路中做采样保持电容等。

聚四氟乙烯电容器（型号CF）是用无极聚四氟乙烯薄膜作为介质制成的一种负温度系数的无极性电容器。其性能最为优异，但由于聚四氟乙烯成膜工艺复杂，成本高，因此只适合在高温的场合下使用。

聚碳酸酯电容器（型号CS）多用于对电容器的充放电特性有要求的“采样—保持”电路中。

2）无机介质电容器。

①瓷介电容器（型号CC）以陶瓷作为介质，在陶瓷表面涂覆一层金属薄膜，再经高温烧结后作为电极。其结构简单，价格低廉，体积小，容量范围大（几皮法至几微法），广泛应用于各种电子设备中。陶瓷电容器按特性主要可分高频、低频及半导体瓷介电容器。高频陶瓷电容器介质损耗小，绝缘电阻高，主要用于谐振回路；低频陶瓷电容器损耗较大，电容量随温度呈非线性变化，主要用于对损耗和电容量稳定性要求不高的电路中；半导体瓷介电容器很少见。

②云母电容器（型号CY）是以云母作为介质，在云母表面上喷一层金属膜或用金属箔作为电极，按需要的容量叠片后经浸渍压塑在陶瓷外壳等材料内构成。其绝缘强度高，损耗小，温度、频率特性稳定，容量精度高，一般容量范围为4.7～4700pF，最高精度可达±0.01%～±0.03%。常用于高频电路，并可作为标准电容器。由于天然云母稀少，有些云母电容器用合成云母和云母纸作为介质，近年来云母电容器已逐渐被陶瓷和有机薄膜电容器所代替。

③玻璃膜电容器（型号CO）以玻璃作为介质构成电容器，电极为金属膜。它具有良好的防潮性和抗振性，能在200℃高温下长期稳定工作，其稳定性介于云母与瓷介电容器之间，体积只有云母电容器的几十分之一，且成本低。

3）电解电容器。

电解电容器以金属氧化膜为介质，以金属和电解质作为电容器的两极。金属为正极，电解质为负极。电解电容器体积小、电容量大，但耐压较低、频率特性差、介质损耗较大、温度特性也较差。常见的电解电容器主要有铝电解电容器和钽电解电容器两种。

①铝电解电容器（型号CD）是以铝为正极的电解电容器。容量一般为0.33～10000μF，所以应用普遍。通常铝电解电容器是有极性的，不能用于交流回路。但在结构和工艺上采取特殊措施之后可以做成无极性铝电解电容器以适应交流电路的需要。近年来电解电容器的新产品层出不穷，如开关电源滤波用的高额电解电容；音响系统的无极性电解电容；闪光灯的耐快速充、快放电的储能电解电容等。

②钽电解电容器（型号CA）是以钽金属作正极的电解电容器。由于钽和氧化钽化学稳定性很高，所以漏电流很小、贮存性好、可靠性高，它的温度特性、频率特性、介质损耗都优于普通铝电解电容器，体积也远小于铝电解电容器。这种电容器主要用于一些电性能要求较高的电路中，如积分电路、计时电路、延时开关电路等。钽电容也分有极性和无极性两种，除液体钽电容外，近年来又发展出了超小型固体钽电容。

6.电容器标识方法

电容器的标识方法与电阻器的标识方法类似，电容器的容量和偏差的标识方法有如下四种。

（1）直标法

直标法是将电容器的标称容量及允许偏差直接标在电容器上，如图1-46所示。此方法所标识的容量单位有pF和μF。

例如在电容器上标志：470μF/25V。

（2）文字符号法

文字符号法通常用数字表示有效值，常为2～4位有效数字；用字母表示数值的量级，有p、n、M、μ、G、m几种。标称容量的整数部分通常写在容量单位标识符号的前面，小数部分写在容量单位标识符号的后面。

如：3.3pF标识为3p3，1000pF标识为1n，6800标识为6n8，2.2μF标识为2μ2。

（3）数字表示法

图1-46 电容直标法

数字表示法一般用三位数表示容量的大小，前面两位数为电容器标称容量的有效数字，第三位数字表示有效数字后面零的个数，它们的单位是皮法（pF），如图1-47所示。

电容器使用数字表示法，当第三位数为9时表示10^-1，单位为皮法。

如：“243”表示容量为24000pF，而“339”表示容量为33×10^-1pF（3.3pF）。

图1-47 数字表示法

（4）色标法

电容器容量的色标法原则上与电阻器类似，其单位为皮法（pF），如图1-48所示。电容器有立式和轴式两种，在电容器上标有3～5个色环作参数表示。色环顺序从上到下，沿引线方向排列，轴式电容器的色环都偏向一头，其顺序从最靠近引线的一端开始为第一环。

图1-48 电容色标法

注：若某个色环的宽度等于标准宽度的2和3倍，则表示相同颜色的2个或3个色环。

（5）片状电容器，其标识方法有两种：

1）片状陶瓷电容元件标识法，如图1-49所示。

2）片状电解电容元件标识法，如图1-50所示。

图1-49 片状陶瓷电容器标识法

图1-50 片状电解电容器标识法

（6）偏差标注方法

1）将容量的允许偏差直接标在电容器上，如10±0.5p表示容量为10pF，偏差为±0.5pF。

2）用罗马数字“Ⅰ”、“Ⅱ”、“Ⅲ”分别标注在电容器上表示允许偏差为±5%、±10%、±20%。

3）用英文字母D、F、G、J、K、M、N、P、S、Z分别表示允许偏差等级为±0.5%、±1%、±2%、±5%、±10%、±20%、±30%、+100%～0%、+50%～-20%、+80%～-20%。