电容器的参数、类型和应用

2.4.1　电容器识别与检测

1.电容器的结构及电路符号

电容器是物联网传感电路中应用最为广泛的电子元器件之一。在脉冲信号发生、信号转换、滤波、检波等许多电路中都少不了电容器。

电容器是由两个导体中间隔以绝缘介质构成。

电容器的种类主要有纸介电容器、云母电容器、陶瓷电容器、有机薄膜电容器、电解电容器、可变电容器、微电容器等。电容器符号和外观如图2-22和图2-23所示。

微课　电容器认知

图2-22　电容元件的图形符号

（a）固定电容；（b）可调电容；（c）微调电容；（d）电解电容

图2-23　常见电容器的实物

（a）铝电解电容；（b）陶瓷电容；（c）独石电容；（d）可调电容；（e）有机薄膜电容

2.电容器的型号

电容器的型号由四部分组成，含义如表2-8所示。

例如，CD1型为铝电解电容器，产品设计序号为1；CY为云母电容器。

表2-8　电容器型号

3.电容器的参数

（1）电容量。

电容量C的标准单位是“法拉”，符号为“F”。常用的还有“微法拉”（μF）、“皮法拉”（pF），其关系是为

电容器的标称容量系列：

偏差为±5%的有1.0、1.5、2.2；

偏差为±10%的有3.3、4.7和6.8；

偏差为±20%的有1、2、4、6、8、10、15、20、30、50、60、80、100等几种。

（2）允许偏差。

电容器的允许偏差主要有±5%、±10%、±20%等3种。

（3）额定工作电压。

电容器的额定工作电压也称为耐压。固定电容器的工作电压系列如表2-9所示。

表2-9　固定电容器的工作电压系列（单位：V）

4.电容器参数标识方法

（1）直标法。

直标法将电容量、允许误差及耐压值在产品表面上直接标出。适合体积稍大的电容器，如铝电解电容器。

（2）文字符号法。

①文字符号法是用文字符号组合标在电容表面上。

②表示单位的字母有“F”“m”“μ”“n”“p”，单位字母的位置为小数点位置；

③允许偏差分别用B（±0.1%）、C（±0.2%）、D为（0.5%）、F（±1%）、G（±2%）、J（±5%）、K（±10%）、M（±20%）。

例如，0.1 pF为p1，1 pF为1 p，5.9 pF为5p9，6p8K为6.8 pF，允许偏差为±10%等。

（3）色标法。

①色环电容器的色环颜色含义与色环电阻基本相同，单位为pF。

②色环电容器的类型主要有三色、四色、五色、六色等。

③三色环的识别方法是：第1、2环为有效值，第3环为倍率。

④识别第一环的方法如下。

·立式：色环从上而下沿引线方向排列分别为一、二、三环。

·轴向（卧式）：最靠近引线为第一环。

两种特殊的色环标识含义如下。

·若某一色环宽度是另一色环的2倍，表示同颜色的两个色环。

·若仅一种色，表示三环都是同颜色。

（4）数字索位法。

①用3位数字表示，其中第1、2位为有效数字，第3位为倍率。

②没有小数点的，单位为pF；有小数点的，单位为μF。

③有些贴片电容器，后面的字母代码表示额定电压，如表2-10所示。

例如，227 A，电容量为22×107pF，即220μF。

表2-10　电容器字母代码与额定电压对应表

5.电解电容器的极性识别方法

（1）观察法。

一看标签，负极标“-”；二看引脚，长正短负。

（2）测试法。

用万用表测正向和反向电阻。

①原理：电解电容的正极接电源正极（电阻挡的黑表笔），负极接电源负极（电阻挡的红表笔）时，电解电容的漏电流小（漏电阻大）；反之，则电解电容的漏电流大（漏电阻小）。

②方法：测量时，用R×1k或R×10k挡，先假定某电极为“+”极，让其与万用表的黑表笔相接，另一电极与万用表的红表笔相接，记下表针停止的刻度（表针靠左阻值大），然后将电容器放电（即两根引线用表笔或元件引线等金属划一下），两只表笔对调，重新进行测量。两次测量中，表针最后停留的位置靠左（阻值大）的那次，黑表笔接的就是电解电容的正极。

6.电容器容量测量方法

用数字万用表的“F”挡，根据被测电容器标称容量选择适当量程，将单只电容器引脚插入“CX”插孔，待显示数值稳定后，读出容量值。

测量时需注意，对已充过电的电容器，特别是大容量电容器，需放电后再测量。

7.电容元件好坏的识别方法

（1）检查引线是否开路或短路。

（2）用R×1k或R×10k挡，若表笔在电容两极间测量时，表针很快摆到小电阻位置（右侧），然后又从小电阻位置逐渐摆到大电阻位置（左侧），并达到或接近无穷大位置时，表明漏电较小。若退不到无穷大位置，说明电容漏电。表针不动，说明开路。对1μF以下的电容，可用R×10挡，表针略动，说明有容量，正常；表针不动，说明开路或漏电。

2.4.2　电容的特性

1.电容的伏安特性

电容在接通电源后，电荷就从电源流向电容的极板，此过程称为对电容“充电”，此时电路中的电流，即为充电电流。在图2-24所示电路电压、电流方向（关联参考方向）下，电流与电压的关系为

图2-24　电容电路

2.电容的特点

（1）储存电场能量。

（2）通交流、阻直流。直流电路中相当于开路。

（3）通高频、阻低频。电流与电压变化率成正比。

（4）端电压不能突变。

3.电容的交流特性

（1）交流电的定义。

①交流电：大小和方向随时间做周期性变化的电压和电流，称为交流电。交流电分正弦交流电和非正弦交流电。(www.xing528.com)

②正弦交流电：大小和方向随时间按正弦规律变化的电压和电流，称为正弦交流电，如图2-25所示。

（2）正弦交流电的瞬时值、幅值、有效值。

①瞬时值：正弦交流电流和电压在任一时刻的值。表达式为

图2-25　正弦交流电波形

式中：Im（Um）、ω、ψ称为正弦交流电的三要素...。

Im（Um）为正弦交流电流（电压）的幅值，表示交流电的大小；ω为正弦交流电的角频率，ω=2πf，表示交流电变化的快慢；ψ为正弦交流电的初相位（角），表示交流电的起始位置。

②最大值：正弦交流电电压和电流的幅值，用Im和Um表示。

③有效值：与交流电量热效应相等的直流电量，用I或U表示。仪表测得的交流电流、电压均为有效值。

有效值与幅值（最大值）的关系为

（3）正弦交流电的相量表示。

用复数表示的正弦交流电称为相量。其中复数的模表示交流电的有效值或最大值；复数的辐角表示交流电的初相角。

如电流的瞬时值i=Imsin（ωt+ψ），则其有效值相量为；电压的瞬时值u=Umsin（ωt+ψ），其有效值相量为

在正弦交流电路中，若激励信号为一正弦交流电，则电路中所有的稳态响应都为同频率的正弦交流电。所以，确定正弦交流电的电流或电压，只需确定该电流或电压的有效值（或最大值）及初相位即可。

相量不仅是交流电的一种表示方法，也是交流电路分析的有效方法。

（4）电容的正弦交流电路特性。

在图2-24所示电路中，设电压，即电压有效值相量为根据经过微分计算可得

由正弦交流电瞬时值表达式各项的含义可知以下几点。

电流的最大值为

电流的有效值为

若设，则有

XC具有Ω量纲，称为容抗，反映电容对正弦电流的阻碍作用。

电流的相量为

由此可知，当电容施加正弦交流电信号时，电流的有效值等于电压的有效值除以容抗，初相位超前电压90°，即

2.4.3　电容的充电和放电过程

1.电容的充电过程

电容是一种能储存电场能量的元件。根据前述对电容的伏安关系分析得知，电容在直流稳态电路中相当于开路，但如图2-26所示，当电容刚接入直流电源，即开关S闭合后的短暂时间内，因正电荷在电源的作用下，逐渐向电容的一个极板上聚集，电容的另一极板则感应出等量的负电荷，随着电容极板电荷量的增加，其端电压也持续升高，这一过程即为电容的充电过程。

电容的充电过程是一短暂的“过渡过程”，即电路由一种稳定状态变为另一种稳定状态的中间暂态过程。当电容器极板的电荷量达到其容量后，电容的端电压将不再变化，电路中也不再有电荷流动，充电过程结束。

电容在充电过程中，端电压和电流的瞬时值可以用微分方程求解，也可以用电路分析理论中过渡过程的“三要素”法分析，在此仅简单介绍“三要素”法。

图2-26　电容充电电路

过渡过程的“三要素”是指：换路瞬间的初始值f（0+）、换路后的稳态值、换路时间常数τ。任一过渡过程，都可用下述“三要素”公式求解其端电压和电流的瞬时值。

在图2-26所示电路中，电容器事先没有充电，当电容器刚接通电源时，因其端电压不能突变，故uC（0+）=uC（0-）=0，电容充电结束后又τ=RC，代入上式可得

电容器在充电过程中端电压的变化规律如图2-27所示。

2.电容的放电过程

如图2-28所示，当电容充电结束后，使S1断开，S2闭合，这时电容储存的电荷将通过电阻R2释放掉，直到uC=0，这一过程即为电容的放电过程。

图2-27　电容充电过程的电压变化曲线

图2-28　电容放电电路

放电过程中，因，依据过渡过程的三要素法，有

电容放电过程中uC的变化曲线如图2-29所示。

图2-29　电容放电过程电压变化曲线

2.4.4　电容器的功能及应用

1.滤波

根据电容“通交流、阻直流；通高频、阻低频”的特性，可以构成滤波电路，在图1-20所示的小功率直流稳压电源中，正弦交流电经整流桥整流后的脉动直流电，通过电容器滤除高频分量后，得到了近似平稳的信号波形，如图1-21所示。

滤波是信号处理的重要环节，应用于许多信号处理电路。

2.振荡电路

根据电容的充、放电特性，可用其与电阻一起构成振荡电路，作为脉冲信号发生电路或信号处理、转换电路。在后续的555定时器构成的多谐振荡电路、单稳态触发电路及由逻辑门构成的多谐振荡电路中，都应用到电容器。

图2-30所示电路是一个由分立元件构成的多谐振荡电路，电路中当接通电源后，两个发光二极管就会交替闪烁，A、B两点会输出互反的脉冲信号。

图2-30　基于分立元件的多谐振荡电路

其工作原理：电路结构虽然完全对称，但实际工作中两个晶体管一定有一个导电能力略强而先导通。不管哪个晶体管先导通，电路都可以起振。

若晶体管VT1先导通，其集电极为低电位，通过电容器C1的耦合作用，晶体管VT2的基极也为低电位，VT2截止，VL1导通发光。此时，+6 V电源通过电阻器R2和晶体管VT1给电容器C1充电，VT2的基极电位逐渐升高，当其达到阈值电压（硅管0.5 V、锗管0.3 V）时，VT2导通，其集电极为低电位，并通过电容器C2耦合，使VT1的基极也为低电位，VT1截止，VL2导通发光。

若晶体管VT2先导通，其集电极为低电位，通过电容器C2的耦合作用，晶体管VT1的基极也为低电位，VT1截止，VL2导通发光。此时，+6 V电源通过R3和VT2给电容器C2充电，VT1的基极电位逐渐升高，当其达到阈值电压（硅管0.5 V、锗管0.3 V）时，VT1导通，其集电极为低电位，通过电容器C1耦合，使VT2的基极也为低电位，VT2截止，VL1导通发光。

3.信号转换电路

图2-31所示电路为用于信号波形转换的RC积分电路。如输入矩形脉冲信号ui，其输出uo的波形则为三角波或锯齿波，如图2-32所示。

图2-32　积分电路波形

图2-31　RC积分电路

其工作原理是：当ui=5 V时，电容C通过R充电，充电时间常数为τ=RC，输出uo按指数规律上升。因τ远大于脉宽，故当uo未达到最大值5 V时，ui变为0，电容C通过R放电，放电时间常数仍为τ=RC，同样因放电时间常数远大于脉宽，输出uo未达到0 V时，因ui变为5 V电容又开始充电。故uo波形近似三角波。

4.耦合

依据电容器两端的电压不能发生突变的原理，可用电容实现耦合功能。在图2-30所示电路中，当VT1的集电极为低电位时，电容器C1将其耦合到VT2的基极；当VT2的集电极是低电位时，C2将其耦合到VT1的基极。

在晶体管多级放大电路中，也应用到电容的耦合作用。

5.延时保持

同样依据电容的端电压不能发生突变的原理，可用电容器进行延时和电平保持。图2-33所示电路为单片机的上电复位电路。

单片机的可靠复位条件是在RST端加两个机器周期（一般取不小于10 ms）以上的高电平。刚上电时，因电容器的端电压不能发生突变，电阻R所分得的电压为电源电压，故RST端为高电平，之后电容器开始充电，充电时间常数τ=RC，只要电容器C的容量选择合适，能够满足τ≥10ms，就可保证单片机可靠复位。

6.相位调整

依据电容器在正弦交流信号作用下，电流相位超前电压相位90°的特性，可用电容进行相位调整，如后续LM216型集成运算放大器的引脚5专用于连接相位补偿电容器。

图2-33　单片机上电复位电路