第4章 电容器

4.1 固定电容器

4.1.1 结构、外形与符号

电容器是一种可以存储电荷的元件。相距很近且中间隔有绝缘介质（如空气、纸和陶瓷等）的两块导电极板就构成了电容器，电容器也简称电容。固定电容器是指容量固定不变的电容器。固定电容器的结构、外形与电路符号如图4-1所示。

4.1.2 主要参数

电容器主要参数有标称容量、允许偏差、额定电压和绝缘电阻等。

1.容量与允许偏差

电容器能存储电荷，其存储电荷的多少称为容量。这一点与蓄电池类似，不过蓄电池存储电荷的能力比电容器大得多。电容器的容量越大，存储的电荷越多。电容器的容量大小与下面的因素有关：

1）两导电极板之间的相对面积。相对面积越大，容量越大。

2）两极板之间的距离。极板相距越近，容量越大。

3）两极板中间的绝缘介质。在极板相对面积和距离相同的情况下，绝缘介质不同的电容器，其容量不同。

电容器的容量单位有法拉（F）、毫法（mF）、微法（μF）、纳法（nF）和皮法（pF），它们的关系是

1F=10³mF=10⁶μF=10⁹nF=10¹²pF

标注在电容器上的容量称为标称容量。允许偏差是指电容器标称容量与实际容量之间允许的最大偏差范围。

2.额定电压

额定电压又称电容器的耐压值，是指在正常条件下电容器长时间使用两端允许承受的最高电压。一旦加到电容器两端的电压超过额定电压，两极板之间的绝缘介质容易被击穿而失去绝缘能力，造成两极板短路。

3.绝缘电阻

电容器两极板之间隔着绝缘介质，绝缘电阻用来表示绝缘介质的绝缘程度。绝缘电阻越大，表明绝缘介质绝缘性能越好，如果绝缘电阻比较小，绝缘介质绝缘性能下降，就会出现一个极板上的电流会通过绝缘介质流到另一个极板上，这种现象称为漏电。由于绝缘电阻小的电容器存在着漏电，故不能继续使用。

一般情况下，无极性电容器的绝缘电阻为无穷大，而有极性电容器（电解电容器）绝缘电阻很大，但一般达不到无穷大。

4.1.3 电容器的“充电”和“放电”特性

“充电”和“放电”是电容器非常重要的性质。电容器的“充电”和“放电”说明如图4-2所示。

电容器充电后两极板上存储了电荷，两极板之间也就有了电压，这就像杯子装水后有水位一样。电容器极板上的电荷数与两极板之间的电压有一定的关系，即在容量不变的情况下，电容器存储的电荷数与两端电压成正比，即

Q=C·U

式中，Q表示电荷数（C）；C表示容量（F）；U表示电容器两端的电压（V）。

这个公式可以从以下几个方面来理解：

1）在容量不变的情况下（C不变），电容器充得电荷越多（Q增大），两端电压越高（U增大）。这就像杯子大小不变时，杯子中装的水越多，杯子的水位越高一样。

2）若向容量一大一小的两只电容器充相同数量的电荷（Q不变），那么容量小的电容器两端的电压更高（C小U大）。

4.1.4 电容器的“隔直”和“通交”特性

电容器的“隔直”和“通交”是指直流不能通过电容器，而交流能通过电容器。电容器的“隔直”和“通交”说明如图4-3所示。

电容器虽然能通过交流，但对交流也有一定的阻碍，这种阻碍称为容抗，用X_C表示，容抗的单位是Ω。在图4-4中，两个电路中的交流电源电压相等，灯泡也一样，但由于电容器的容抗对交流阻碍作用，故图4-4b中的灯泡要暗一些。

电容器的容抗与交流信号频率、电容器的容量有关，交流信号频率越高，电容器对交流信号的容抗越小，电容器容量越大，它对交流信号的容抗越小。在图4-4b中，若交流电频率不变，当电容器容量越大，灯泡越亮；若电容器容量不变，交流电频率越高，灯泡越亮。这种关系可用下式表示：

式中，X_C表示容抗；f表示交流信号频率；π为常数3.14。

在图4-4b中，若交流电源的频率f=50Hz，电容器的容量C=100μF，那么该电容器对交流电的容抗为

4.1.5 电容器的“两端电压不能突变”特性

电容器两端的电压是由电容器充得的电荷建立起来的，电容器充得的电荷越多，两端电压越高，电容器上没有电荷，电容器两端就没有电压。由于电容器充电（电荷增多）和放电（电荷减少）都需要一定的时间，不能瞬间完成，所以电容器两端的电压不能突然增大很多，也不能突然减小到零，这就是电容器“两端电压不能突变”特性。下面用图4-5来说明电容器“两端电压不能突变”特性。

4.1.6 无极性电容器和有极性电容器

固定电容器可分为无极性电容器和有极性电容器。

1.无极性电容器

无极性电容器的引脚无正、负极之分。无极性电容器的电路符号如图4-6a所示，常见无极性电容器外形如图4-6b所示。无极性电容器的容量小，但耐压高。

2.有极性电容器

有极性电容器又称电解电容器，引脚有正、负极之分。有极性电容器的电路符号如图4-7a所示，常见有极性电容器外形如图4-7b所示。有极性电容器的容量大，但耐压较低。

有极性电容器引脚有正、负极之分，在电路中不能乱接，若正、负极位置接错，轻则电容器不能正常工作，重则电容器炸裂。有极性电容器正确的连接方法是，电容器正极接电路中的高电位，负极接电路中的低电位。有极性电容器正确和错误的接法分别如图4-8所示。

3.有极性电容器的引脚极性判别

由于有极性电容器有正、负极之分，在电路中不能乱接，所以在使用有极性电容器前需要判别出正、负极。有极性电容器的正、负极判别方法如下：

方法一：对于未使用过的新电容器，可以根据引脚长短来判别。引脚长的为正极，引脚短的为负极，如图4-9所示。

方法二：根据电容器上标注的极性判别。电容器上标“+”为正极，标“-”为负极，如图4-10所示。

方法三：用万用表判别。万用表拨至×10kΩ档，测量电容器两极之间阻值，正反各测一次，每次测量时表针都会先向右摆动，然后慢慢往左返回，待表针稳定不摆动后再观察阻值大小，两次测量会出现阻值一大一小，如图4-11所示，以阻值大的那次为准，如图4-11b所示，黑表笔接的为正极，红表笔接的为负极。

4.1.7 种类

电容器种类很多，不同材料的电容器有不同的结构与特点，表4-1列出了常见类型电容器的结构与特点。

4.1.8 电容器的串联与并联

在使用电容器时，如果无法找到合适容量或耐压的电容器，可将多个电容器进行并联或串联来得到需要的电容器。

1.电容器的并联

两个或两个以上电容器头头相连、尾尾相接称为电容器并联，如图4-12所示。

电容器并联后的总容量增大，总容量等于所有并联电容器的容量之和，以图4-12a为例，并联后总容量为

C=C₁+C₂+C₃=5μF+5μF+10μF=20μF

电容器并联后的总耐压以耐压最小的电容器的耐压为准，仍以图4-12a为例，C₁、C₂、C₃耐压不同，其中C₁的耐压最小，故并联后电容器的总耐压以C₁耐压6.3V为准，加在并联电容器两端的电压不能超过6.3V。

根据上述原则，图4-12a的电路可等效为图4-12b所示的电路。

2.电容器的串联

两个或两个以上电容器在电路中头尾相连就是电容器的串联，如图4-13所示。

电容器串联后总容量减小，总容量比容量最小电容器的容量还小。电容器串联后总容量的计算规律是，总容量的倒数等于各电容器容量倒数之和，这与电阻器的并联计算相同，以图4-13a为例，电容器串联后的总容量计算公式是

所以图4-13a的电路与图4-13b的电路是等效的。

在电路中，串联的各电容器两端的电压与容量成反比，即容量越大，电容器两端电压越低，这个关系可用公式表示：

以图4-13a所示电路为例，C₁的容量是C₂的容量的10倍，用上述公式计算可知，C₂两端的电压U₂应是C₁两端电压U₁的10倍，如果交流电压U为11V，则U₁=1V，U₂=10V，若C₁、C₂都是耐压为6.3V的电容器，就会出现C₂先被击穿短路（因为它两端有10V电压），11V电压马上全部加到C₁两端，接着C₁被击穿损坏。

当电容器串联时，容量小的电容器应尽量选用耐压大的，以接近或等于电源电压为佳，因为当电容器串联时，容量小的电容器两端电压较容量大的电容器两端电压大，容量越小，两端承受的电压越高。

4.1.9 容量与允许偏差的标注方法

1.容量的标注方法

电容器容量标注方法很多，表4-2列出了电容器常见的容量标注方法。

2.允许偏差表示法

电容器允许偏差表示方法主要有罗马数字表示法、字母表示法和直接表示法。

（1）罗马数字表示法

罗马数字表示法是在电容器标注罗马数字来表示允许偏差大小。这种方法用0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别表示允许偏差±2%、±5%、±10%和±20%。

（2）字母表示法

字母表示法是在电容器上标注字母来表示允许偏差的大小。字母及其代表的允许偏差见表4-3。例如，某电容器上标注“K”，表示允许偏差为±10%。

（3）直接表示法

直接表示法是指在电容器上直接标出允许偏差数值。如标注“68pF±5pF”表示允许偏差为±5pF，标注“±20%”表示允许偏差为±20%，标注“0.033/5”表示允许偏差为±5%（%号被省掉）。

4.1.10 用指针万用表检测电容器

电容器常见的故障有开路、短路和漏电。

1.无极性电容器的检测

无极性电容器的检测如图4-14所示。对于容量小于0.01μF的正常电容器，在测量时表针可能不会摆动，故无法用万用表判断是否开路，但可以判别是否短路和漏电。如果怀疑容量小的电容器开路，万用表又无法检测时，可找相同容量的电容器代换，如果故障消失，就说明原电容器开路。

2.有极性电容器的检测

在检测有极性电容器时，万用表拨至×1kΩ或×10kΩ档（对于容量很大的电容器，可选择×100Ω档），测量电容器正、反向电阻。

如果电容器正常，在测量正向电阻（黑表笔接电容器正极引脚，红表笔接负极引脚）时，表针先向右做大幅度摆动，然后慢慢返回到无穷大处（用×10kΩ档测量可能到不了无穷大处，但非常接近也是正常的），如图4-15a所示；在测量反向电阻时，表针也是先向右摆动，也能返回，但一般回不到无穷大处，如图4-15b所示。也就是说，正常电解电容器的正向电阻大，反向电阻略小，它的检测过程与判别正、负极是一样的。

若正、反向电阻均为无穷大，表明电容器开路；若正、反向电阻都很小，说明电容器漏电；若正、反向电阻均为0，说明电容器短路。

4.1.11 用数字万用表检测电容器

1.无极性电容器的检测

用数字万用表检测无极性电容器如图4-16所示。

2.有极性电容器的检测

用数字万用表检测有极性电容器如图4-17所示。

4.1.12 选用

电容器是一种较常用的电子元件，在选用时可遵循以下原则：

1）标称容量要符合电路的需要。对于一些对容量大小有严格要求的电路（如定时电路、延时电路和振荡电路等），选用的电容器容量应与要求相同，对于一些对容量要求不高的电路（如耦合电路、旁路电路、电源滤波和电源退耦等），其容量与要求相近即可。

2）工作电压要符合电路的需要。为了保证电容器能在电路中长时间正常工作，选用的电容器其额定电压应略大于电路可能出现的最高电压，一般应大10%～30%。

3）电容器特性尽量符合电路的需要。不同种类的电容器有不同的特性，为了让电路工作状态尽量最佳，可针对不同电路的特点来选择适合种类的电容器。下面是一些电路选择电容器的规律：

① 对于电源滤波、退耦电路和低频耦合、旁路电路，一般选择电解电容器。

② 对于中频电路，一般可选择薄膜电容器和金属化纸介电容器。

③ 对于高频电路，应选用高频特性良好的电容器，如瓷介电容器和云母电容器。

④ 对于高压电路，应选用工作电压高的电容器，如高压瓷介电容器。

⑤ 对于频率稳定性要求高的电路（如振荡电路、选频电路和移相电路），应选用温度系数小的电容器。

4.1.13 电容器的型号命名方法

国产电容器型号命名由四部分组成：第一部分用字母“C”表示主称为电容器；第二部分用字母表示电容器的介质材料；第三部分用数字或字母表示电容器的类别；第四部分用数字表示序号，见表4-4。