第2章 电容器的应用与检测
2.1 电容器的特点与功能应用
电容器简称为电容，它是一种可储存电能的元件（储存电荷），根据材质的不同，大体可分为无极性电容器、电解电容器和可变电容器三大类。
2.1.1 电容器的种类特点
1.无极性电容器
无极性电容器是指电容器的两引脚没有正负极性之分，使用时两引脚可以交换连接。大多数情况下，无极性电容器在生产时，由于材料和制作工艺特点，电容量已经固定，因此也称为固定电容器。
常见的无极性电容器主要有色环电容器、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、聚苯乙烯电容器等。
（1）色环电容器
色环电容器是指在电容器的外壳上标识有多条不同颜色的色环，用以标识其电容量，与色环电阻器十分相似。图2-1所示为典型色环电容器的实物外形。
（2）纸介电容器
纸介电容器是以纸为介质的电容器。它是用两层带状的铝或锡箔中间垫上浸过石蜡的纸卷成筒状，再装入绝缘纸壳或陶瓷壳中，引出端用绝缘材料封装制成。图2-2所示为典型纸介电容器的实物外形。
图2-1 典型色环电容器的实物外形
图2-2 典型纸介电容器的实物外形
纸介电容器的价格低、体积大、损耗大且稳定性较差。由于存在较大的固有电感，不宜在频率较高的电路中使用，常用在电动机起动电路中。
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在实际应用中，有一种金属化纸介电容器，该类电容器是在涂有醋酸纤维漆的电容器纸上再蒸发一层厚度为0.1μm的金属膜作为电极，然后用这种金属化的纸卷绕成芯子，端面喷金，装上引线并放入外壳内封装而成。图2-3所示为典型金属化纸介电容器实物外形。
图2-3 典型金属化纸介电容器实物外形
金属化纸介电容器比普通纸介电容器体积小，但其容量较大，且受高压击穿后具有自恢复能力，广泛应用于自动化仪表、自动控制装置及各种家用电器中，但不适于高频电路。
（3）瓷介电容器
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2-4所示为典型瓷介电容器的实物外形。
图2-4 典型瓷介电容器的实物外形
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瓷介电容器按制作材料不同分为Ⅰ类和Ⅱ类。Ⅰ类瓷介电容器高频性能好，广泛用于高频耦合、旁路、隔直流、振荡等电路中；Ⅱ类瓷介电容器性能较差、受温度的影响较大，一般适用于低压、直流和低频电路。
（4）云母电容器
云母电容器是以云母作为介质的电容器，通常以金属箔为电极，图2-5所示为典型云母电容器的实物外形。
图2-5 云母电容器的实物外形
云母电容器的电容量较小，只有几皮法（pF）至几千皮法，具有可靠性高、频率特性好等特点，适用于高频电路。
（5）涤纶电容器
涤纶电容器是一种采用涤纶薄膜为介质的电容器，又可称为聚酯电容器。图2-6所示为典型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，如彩色电视机或收音机的耦合、隔直流等电路中。
（6）玻璃釉电容器
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玻璃釉电容器。图2-7所示为典型玻璃釉电容器的实物外形。
图2-6 典型涤纶电容器的实物外形
图2-7 典型玻璃釉电容器的实物外形
玻璃釉电容器的电容量一般为10～3300pF，耐压值有40V和100V两种，并具有介电系数大、耐高温、抗潮湿性强、损耗低等特点。
介电系数又称介质系数（常数），或称电容率，是表示绝缘能力的一个系数，以字母ε表示，单位为“F/m”。
（7）聚苯乙烯电容器
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，其内部通常采用两层或三层薄膜与金属电极交叠绕制。图2-8所示为典型聚苯乙烯电容器的实物外形。
图2-8 典型聚苯乙烯电容器的实物外形
聚苯乙烯电容器的成本低、损耗小、绝缘电阻高、电容量稳定，多应用于对电容量要求精确的电路中。
2.电解电容器
目前，常见的电解电容器按材料不同，可分为铝电解电容器和钽电解电容器两种。
（1）铝电解电容器
铝电解电容器是一种以铝作为介电材料的有极性电容器，根据介电材料状态不同，分为普通铝电解电容器（液态铝质电解电容器）和固态铝电解电容器（简称固态电容器）两种，是目前电子电路中应用最广泛的电容器。图2-9所示为典型铝电解电容器的实物外形。
图2-9 典型铝电解电容器的实物外形
铝电解电容器的电容量较大，与无极性电容器相比其绝缘电阻较低，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，特别是当温度过低或过高的情况下。另外其长时间不用还会失效。因此，铝电解电容器仅限于低频、低压电路。
另外，固态铝电解电容器采用有机半导体或导电性高分子电解质来取代传统的普通铝电解电容器中的电解液，并用环氧树脂或橡胶垫封口。因此，固态电容器的导电性比普通铝电解电容器要高，导电性受温度的影响小。
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铝电解电容器的规格多种多样，外形也根据制作工艺有所不同，图2-10所示为几种具有不同外形特点的铝电解电容器。
图2-10 几种具有不同外形特点的铝电解电容器
要点说明
需要注意的是，并不是所有的铝电解电容器都是有极性的，还有一种很特殊的无极性电解电容器，这种电容器的材料、外形与普通铝电解电容器形似，只是其引脚不区分极性，如图2-11所示。这种电容器实际上就是将两个同样的电解电容器背靠背封装在一起。这种电容器损耗大、可靠性低、耐压低，只能用于少数要求不高的场合。
图2-11 无极性铝电解电容器
（2）钽电解电容器
钽电解电容器是采用金属钽作为正极材料制成的电容器，主要有固体钽电解电容器和液体钽电解电容器两种。其中，固体钽电解电容器根据安装形式不同，又分为分立式钽电解电容器和贴片式钽电解电容器。图2-12所示为典型钽电解电容器的实物外形。
图2-12 典型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比铝电解电容器好，特别是它的漏电流极小、电荷储存能力好、寿命长、误差小，但价格较高，通常用于高精密的电子电路中。
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（1）关于电容器的漏电流
当电容器加上直流电压时，由于电容器介质不是完全的绝缘体，因此电容器就会有漏电流产生，若漏电流过大，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，因此常用漏电流表示电解电容器的绝缘性能。
（2）关于电容器的漏电阻
由于电容器两极之间的介质不是绝对的绝缘体，它的电阻不是无限大，而是一个有限的数值，一般很精确（如534kΩ，652kΩ），电容器两极之间的电阻叫作绝缘电阻，也叫作漏电阻，其大小是额定工作电压下的直流电压与通过电容器的漏电流的比值。漏电阻越小，漏电越严重。电容器漏电会引起能量损耗，这种损耗不仅会影响电容器的寿命，而且会影响电路的工作。因此，电容器的漏电阻越大越好。
3.可变电容器
可变电容器是指电容量在一定范围内可调节的电容器。一般由相互绝缘的两组极片组成。其中，固定不动的一组极片称为定片，可动的一组极片称为动片，通过改变极片间相对的有效面积或片间距离，可使其电容量相应地变化。这种电容器主要用在无线电接收电路中选择信号（调谐）。
根据可变电容器按介质的不同可以分为空气介质和薄膜介质两种。按照结构的不同又可分为微调可变电容器、单联可变电容器、双联可变电容器和多联可变电容器。
（1）空气可变电容器
空气可变电容器的电极由两组金属片组成，其中固定不变的一组为定片，能转动的一组为动片，动片与定片之间以空气作为介质。多应用于收音机、电子仪器、高频信号发生器、通信设备及有关电子设备中。
常见的空气可变电容器主要有空气单联可变电容器（空气单联）和空气双联可变电容器（空气双联）两种，如图2-13所示。
图2-13 典型空气可变电容器的实物外形
空气单联可变电容器由一组动片、定片组成，动片与定片之间以空气为介质；空气双联可变电容器由两组动片、定片组成，两组动片合装在同一转轴上，可以同轴同步旋转。
要点说明
当转动空气可变电容器的动片使之全部旋进定片间时，其电容量为最大；反之，将动片全部旋出定片间时，电容量最小。
（2）薄膜可变电容器
薄膜可变电容器是指一种将动片与定片（动、定片均为不规则的半圆形金属片）之间加上云母片或塑料（聚苯乙烯等材料）薄膜作为介质的可变电容器，外壳为透明塑料，具有体积小、重量轻、电容量较小、易磨损的特点。
常见的薄膜可变电容器主要有薄膜单联可变电容器、薄膜双联可变电容器和薄膜四联可变电容器几种，如图2-14所示。
图2-14 几种典型的薄膜可变电容器
薄膜单联可变电容器是指仅具有一组动片、定片及介质的薄膜可变电容器，即内部只有一个可调电容器，多用于简易收音机或电子仪器中。
薄膜双联可变电容器可以简单理解为由两个单联可变电容器组合而成，两个可变电容器都各自附带有一个用以微调的补偿电容器。一般从可变电容器的背部看到。薄膜双联可变电容器是具有两组动片、定片及介质，且两组动片可同轴同步旋转来改变电容量的一类薄膜可变电容器，多用于晶体管收音机和有关电子仪器、电子设备中。
薄膜四联可变电容器是指具有四组动片、定片及介质，且四组动片可同轴同步旋转来改变电容量的一类薄膜可变电容器。内部有四个可变电容器，都各自附带有一个用以微调的补偿电容器。一般从可变电容器的背部看到，多用于AM/FM多波段收音机中。
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通常，对于薄膜单联可变电容器、薄膜双联可变电容器和薄膜四联可变电容器的识别可以通过引脚和背部补偿电容器的数量来判别。以薄膜双联电容器为例，图2-15所示为薄膜双联可变电容器的内部电路结构示意图。
图2-15 薄膜双联可变电容器的内部电路结构示意图
从图中可以看出，薄膜双联可变电容器中的两个可变电容器都各自附带有一个补偿电容器，该补偿电容器可以单独微调。一般从可变电容器的背部都可以看到补偿电容器。因此，如果是薄膜双联可变电容器则可以看到两个补偿电容，如果是薄膜四联可变电容器则可以看到四个补偿电容器，而薄膜单联可变电容器则只有一个补偿电容。另外，值得注意的是，由于生产工艺的不同，可变电容器的引脚数也并不完全统一。通常，薄膜单联可变电容器的引脚数一般为2～3个（两个引脚加一个接地端），薄膜双联可变电容器的引脚数不超过7个，薄膜四联可变电容器的引脚数为7～9个。这些引脚除了可变电容器的引脚外，其余的引脚都为接地引脚以方便与电路进行连接。
2.1.2 电容器的功能应用
电容器的结构非常简单，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。在现实中，将两块金属板相对平行地放置，而不相接触即可构成一个最简单的电容器。如果把金属板的两端分别与电源的正、负极相连，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；而接负极的金属板，就会从电源负极得到电子。这种现象就叫作电容器的“充电”，如图2-16所示。充电时，电路中有电流流动，电容器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。
图2-16 电容器的充电过程
如果将电路中的电源断开（开关S断开），则在电源断开的一瞬间，电容器会通过电阻器R放电，电路中有电流产生，电流的方向与原充电时的电流方向相反。随着电流的流动，两极之间的电压也逐渐降低，直到两极上的正、负电荷完全消失，如图2-17所示。
图2-17 电容器的放电过程
要点说明
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。交流电可以通过电容器，但由于构成电容器的两块不相接触的平行金属板之间的介质是绝缘的，直流电流不能通过电容器。
图2-18所示为电容器的阻抗随信号频率变化的基本工作特性示意图。从图中可知电容器的基本特性：
电容器对信号的阻碍作用被称为容抗，电容器的容抗与所通过的信号频率有关，信号频率越高，容抗越小，因此高频信号易于通过电容器，信号频率越低，电容器的容抗越高，对于直流信号，电容器的容抗为无穷大，直流不能通过电容器。
图2-18 电容器的基本工作特性示意图
1.电容器的平滑滤波功能
电容器的平滑滤波功能主要表现在电容器的充放电过程中，使电流波动变缓，这是电容器最基本、最突出的功能。图2-19所示为电容器的滤波功能示意图。
图2-19 电容器的滤波功能示意图
从图中可以发现，交流电压经二极管整流后变成的直流电压为半个正弦波，波动很大。而在输出电路中加入电容器后，电压高时电容器充电，电压低时电容器放电，于是电路中原本不稳定、波动比较大的直流电压变得比较稳定、平滑。
2.电容器的耦合功能
电容器对交流信号阻抗较小，易于通过，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元件使用，如图2-20所示。该电路中的电源电压经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。
图2-20 电容器的滤波功能示意图
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。电容器这种能够将交流信号传递过去的能力称为耦合功能。