電容器的基本特征

電容器的基本特性電容器是電子設(shè)備中使用量最大的元件之一，普通均按系列制造。為方便電路設(shè)計(jì)人員選擇，電容器按工作電壓和容量排列成系列。因此，電容器又稱通用電子元件。電容器的基本概念1.電容元件把兩塊金屬極板用介質(zhì)隔開就可構(gòu)成一種簡(jiǎn)樸的電容器。由于抱負(fù)介質(zhì)是不導(dǎo)電的，在外電源作用下，兩塊極板上能分別存貯等量的異性電荷。外電源撤走后，這些電荷依靠電場(chǎng)力的作用，互相吸引，介質(zhì)所絕緣不能中和，因而極板上的電荷能長(zhǎng)久地存貯下去。因此，電容器是一種能存貯電荷的器件。在電荷建立的電場(chǎng)中貯藏著能量，因此，我們也能夠說(shuō)電容器是一種能夠存貯電場(chǎng)能量的器件。抱負(fù)的電容器應(yīng)當(dāng)只含有存貯電荷從而在電容器中建立起電場(chǎng)的作用，而沒有任何其它的作用，也就是說(shuō)，抱負(fù)電容器應(yīng)當(dāng)是一種電荷與電壓相約束的器件。由此，可定義出一種電容元件視為實(shí)際電容器的抱負(fù)化模型。電容元件的定義以下：一種二端元件，如果在任一時(shí)刻t，它的電荷q（t）同它的端電壓u（t）之間的關(guān)系能夠用u-q平面上的一條曲線來(lái)擬定，則此二端元件稱為電容元件。在某一時(shí)刻t，q（t）和u（t）所取的值分別稱為電荷和電壓在該時(shí)刻的瞬時(shí)值。因此，我們說(shuō)電容元件的電荷瞬時(shí)值和電壓瞬時(shí)值之間存在著一種代數(shù)關(guān)系。電容元件的符號(hào)如圖（6-1）所示：如果u-q平面上的特性曲線是一條通過(guò)原點(diǎn)的直線，且不隨時(shí)間而變，則此電容元件稱之為線性非時(shí)變電容元件，亦即q（t）＝Cu(t)式中C為正值常數(shù)，它是用來(lái)度量特性曲線斜率的，稱為電容（capacitance）。在國(guó)際單位制中，C的單位為法拉（中文代號(hào)為法，國(guó)際代號(hào)為F）。習(xí)慣上，我們也常把電容元件簡(jiǎn)稱為電容，并且，如不加聲明，電容都系指線性非時(shí)變電容。實(shí)際的電容器除了含有上述的存貯電荷的重要性質(zhì)外，尚有某些漏電現(xiàn)象，這是由于介質(zhì)不可能是抱負(fù)的，多少有點(diǎn)導(dǎo)電能力的緣故。在這種狀況下，電容器的模型中除了上述的電容元件外，還應(yīng)增添電阻元件。一種電容器，除了標(biāo)明它的電容量外，還需標(biāo)明它的額定工作電壓。從（6-1）式可知，一種電容器兩端的電壓越高，聚集的電荷也就越多。但是每一種電容器允許承受的電壓是有程度的，電壓過(guò)高，介質(zhì)就會(huì)被擊穿。普通電容器被擊穿后，它的介質(zhì)就從原來(lái)不導(dǎo)電變成導(dǎo)電，喪失了電容器的作用。因此，使用電容器時(shí)不應(yīng)超出它的額定工作電壓。2.電容的伏安關(guān)系設(shè)電容如圖6-1所示，且設(shè)電流i（t）的參考方向箭頭指向標(biāo)注q（t）的極板，這就意味著當(dāng)i（t）為正值時(shí)，正電荷向這一極板聚集，因而電荷q（t）的變化率為正。于是，我們有（6-2）又設(shè)電壓u（t）和q(t)參考方向一致，則對(duì)線性電容，得q（t）＝Cu(t)（6-3）以（6-3）式代入（6-2）式得（6-4）這就是電容的VAR，其中涉及對(duì)電壓的微分。（6-4）式表明：某一時(shí)刻電容的電流取決于該時(shí)刻電容電壓的變化率。如果電壓不變，那未為零，雖有電壓，但電流為零，因此，電容有隔直流的作用。電容電壓變化越快，即越大，則電流也就越大。就是由于電容聚集電荷，當(dāng)兩端電壓發(fā)生變化時(shí)，聚集的電荷也對(duì)應(yīng)地發(fā)生變化，這時(shí)才會(huì)有電荷在電路的導(dǎo)線中移動(dòng)，形成電流，當(dāng)兩端電壓不變時(shí)，電荷也不變化，這時(shí)雖有電壓，但電容中并沒有電流。這和電阻元件完全不同，電阻兩端只要有電壓（不管與否變化），電阻中就一定有電流。我們也能夠把電容的電壓u表達(dá)為電流i的函數(shù)。對(duì)（6-4）式積分可得（6-6）如果我們只需理解在某一任意選定的初始時(shí)刻t0后來(lái)電容電流的狀況，我們能夠把（6-6）式寫為t≥t0（6-7）（6-6）式告訴我們：在某一時(shí)刻t時(shí)電容電壓的數(shù)值并不取決于該時(shí)刻的電流值，而是取決于從-∞到t全部時(shí)刻的電流值，也就是說(shuō)與電流全部過(guò)去歷史有關(guān)。這是由于電容是聚集電荷的元件，電容電壓反映聚集電荷的多寡，而電荷的聚集是電流從-∞到t長(zhǎng)久作用的成果。我們研究問(wèn)題總有一種起點(diǎn)，即總有一種初始時(shí)刻t0，那未（6-7）式又告訴我們：沒有必要去理解t0以前電流的狀況，t0以前全部歷史狀況對(duì)將來(lái)（t＞t0時(shí)）產(chǎn)生的效果能夠由u（t0），即電容的初始電壓來(lái)反映。也就是說(shuō)，如果我們懂得了由初始時(shí)刻t0開始作用的電流i（t）以及電容的初始電壓u（t0），就能擬定t≥t0時(shí)的電容電壓u（t）。電容是聚集電荷的元件，（6-4）和（6-6）式事實(shí)上是分別從電荷變化的角度和電荷積累的角度來(lái)描述電容的伏安關(guān)系的。3.電容電壓的持續(xù)性質(zhì)和記憶性質(zhì)電容的VARt≥t0反映電容電壓的兩個(gè)重要性質(zhì)，即電容電壓的持續(xù)性質(zhì)和記憶性質(zhì)?！半娙蓦妷翰荒苘S變”，電容電壓取決于電流的全部歷史，因此，我們說(shuō)電容電壓有“記憶”電流的性質(zhì)，電容是一種記憶元件。4.電容的貯能電容是一種貯能元件，本節(jié)討論電容的貯能公式。電容的能量總是為正值，電容是一種貯能元件。電容屬無(wú)源元件。電容C在某一時(shí)刻t的貯能只與該時(shí)刻t的電壓有關(guān)，即此即電容貯能公式。電容電壓反映了電容的貯能狀態(tài)。由上述可知，正是電容的貯能本質(zhì)使電容電壓含有記憶性質(zhì)；正是電容電流在有界的條件下貯能不能躍變使電容電壓含有持續(xù)性質(zhì)。如果貯能躍變，能量變化的速率即功率將為無(wú)限大，這在電容電流為有界的條件下是不可能的。快充快放，為明顯的貯能躍變；測(cè)量，為定量的貯能躍變。5.電容器的容抗抱負(fù)電容器在純交流場(chǎng)合下，其容抗有：Xc＝1/（jωC）電容器的重要技術(shù)指標(biāo)1.電容量1.1靜電容量對(duì)于電抱負(fù)的電容器，其電容器與電極的面積和介電常數(shù)成正比，與電極間的距離成反比。因此，抱負(fù)電容器的電容量是幾何尺寸的函數(shù)，而不取決于所施加的電位差、以卷繞電容器為例，電容量的計(jì)算式為：（1-1）式中：C為微法，S為電極面積（厘米2），d為介質(zhì)厚度（厘米），ε為介電常數(shù)。多個(gè)電容器的靜電容量范疇見圖1-1。紙介電容器金屬化紙介電容器聚苯乙烯電容器聚乙烯電容器滌綸電容器云母電容器鋁電解電容器旦電解電容器高介陶瓷電容器溫度賠償瓷介電容器PF11010^210^310^4μF0.010.111010^210^310^410^5圖1-1：多個(gè)電容器的靜電容量范疇圖1-2是各類電容器容量隨溫度變化的范疇。紙介電容器金屬化紙介電容器聚苯乙烯電容器聚乙烯電容器滌綸電容器云母電容器鋁電解電容器旦電解電容器高介陶瓷電容器溫度賠償瓷介電容器0.20.5125102050100200500％圖1-2：各類電容器在-10℃~+70℃時(shí)的靜電容量變化率％。靜電容量變化率λ（％）＝（C1—C0）/C01.2有效電容量在實(shí)際電路中的電容器，由于要消耗一定的能量，并含有一定的電感，因此在交流電路中，它并不是純?nèi)菘?，而體現(xiàn)為一種復(fù)雜的純阻抗。電容器等效電路的普通形式，如圖1-3所示。圖1-3電容器的簡(jiǎn)化等效電路由此可知，電容器既能夠用等效并聯(lián)電路表達(dá)，也可用等效串聯(lián)電路表達(dá)。普通而言，低頻時(shí)測(cè)得的是串聯(lián)形式的電容，用等效串聯(lián)電路表達(dá)，其阻抗和對(duì)應(yīng)的損耗角正切如式（1-2）（1-3）示：（1-2）（1-3）另外，當(dāng)電容器損耗以介質(zhì)損耗為主時(shí)，普通用等效并聯(lián)電路表達(dá)，對(duì)應(yīng)的阻抗Zp和tgδ見式（1-4），式（1-5）（1-4）（1-5）抱負(fù)的電容器是一種純?nèi)菘乖淙菘篂?，但在交流作用下的電容器，除了含有電容和損耗處還存在電感，這時(shí)電容器的有效容量為：（1-6）所謂有效電容量是考慮了介質(zhì)、構(gòu)造、工藝等影響因素的實(shí)際電容量。〔例〕在低頻下測(cè)得瓷介電容器的電容量為36PF，當(dāng)引長(zhǎng)為10毫米時(shí)（電感約為0.02微亨），在108Hz時(shí)的有效電容量為：由此可見，在頻率108Hz時(shí)，Ce/C＝1.4，即這時(shí)的有效電容量是原來(lái)電容量的1.4倍。因此，有效電容量Ce在高頻時(shí)隨頻率的增加而增大。對(duì)于電容器而言，我們但愿得到盡量高的固有諧振頻率，在容量一定的條件下，必須盡量減少電感。1.3儲(chǔ)存能量在電容器充電過(guò)程中，從電源得到的能量將以電位能的形式儲(chǔ)存在電容器中。抱負(fù)的電容器，該能量始終保持到電容器和電路相接能為止，這時(shí)在外電路上開始了電子運(yùn)動(dòng)。充電時(shí)傳導(dǎo)的能量為：（1-7）式中：W：焦耳或瓦特秒；Q：庫(kù)倫；U：伏特；C：法拉。抱負(fù)的電容器（無(wú)損耗的電容器）充電時(shí)，電流將通過(guò)充電電路的電阻，并從電阻上吸取消散成熱的能量。相反，如果從電容器往電阻器放電，則在快速放電狀況下，可獲得很大功率。對(duì)普通的薄膜電容器而言：測(cè)試時(shí)，施加的值越大，其有功消耗也越大，電容器愈易發(fā)熱，直至燒毀。2.電容器的損耗損耗是衡量電容器品質(zhì)優(yōu)劣的一種重要指標(biāo)。損耗愈大，發(fā)熱愈嚴(yán)重，表達(dá)電容器傳遞能量的效率愈差。在極限狀況下，有造成電容器擊穿的危險(xiǎn)。使用頻率愈高，這種危險(xiǎn)性愈大。電容器的損耗角正切可用有功功率與無(wú)功功率的比值表達(dá)：（1-8）或式中：P為電容器的損耗功率（有功功率）Pq為電容器的儲(chǔ)存功率（無(wú)功功率）在評(píng)價(jià)高頻電容器時(shí)，有時(shí)也采用品質(zhì)因素Q作為質(zhì)量指標(biāo)。其定義是電容器在電場(chǎng)中的無(wú)功功率與損失的有功功率之比，即：（1-9）在高頻下，電極和導(dǎo)線內(nèi)的損耗可能非常大。當(dāng)電容器處在交流電壓時(shí)，tgδ隨電容器的溫度升高而增加，有效容量將減少。電容器tgδ普通是隨頻率正向變化的，即頻率增加其損耗值也增加。電容器tgδ也是隨溫度變化的，聚酯、聚炳薄膜電容器的損耗值在常溫有下圖： 110 -4055110℃30℃ CLCBB對(duì)于某些有機(jī)介質(zhì)電容器，損耗溫度曲線有兩個(gè)峰值，一種出現(xiàn)在負(fù)值，由極化引發(fā)；另一種出現(xiàn)在正溫，由分子環(huán)鏈的松弛引發(fā)。3.絕緣電阻在電容器的質(zhì)量指標(biāo)中，絕緣性能是一項(xiàng)重要指標(biāo)。對(duì)于絕大多數(shù)在適宜溫度下用于線路上的電容器來(lái)說(shuō)，由于絕緣電阻很大，將不考慮電容器的漏電流和內(nèi)部發(fā)熱。在直流電壓下，電容器兩個(gè)引出端間的電阻取決于絕緣子的漏電阻和介質(zhì)的電阻，這兩個(gè)電阻是并聯(lián)。若不計(jì)絕緣子的漏電阻，電容器的絕緣電阻取決于介質(zhì)的種類、溫度、電壓以及充電時(shí)間。對(duì)薄膜電容器而言，其絕緣電阻阻值的測(cè)量是：在規(guī)定電壓下，加壓1分鐘后讀數(shù)。電容器的絕緣電阻隨溫度和電壓的升高及充電時(shí)間的縮短而減少。在高溫下，比電阻最大值可用來(lái)評(píng)定介質(zhì)質(zhì)量（它的純度）。在大多數(shù)狀況下，雜質(zhì)的存在將減少絕緣電阻。對(duì)薄膜電容器而言，受潮與膜層之間的雜質(zhì)是影響絕緣電阻的兩個(gè)重要因素。當(dāng)電容器容量較大且有防潮保護(hù)時(shí)，其絕緣電阻重要取決于介質(zhì)的體積電阻。因此，這時(shí)絕緣電阻與溫度的關(guān)系符合介質(zhì)的ρv與溫度的關(guān)系，即：（1-10）或式中R1；溫度為t1時(shí)的絕緣電阻；R2：溫度為t2時(shí)的絕緣電阻；β＝α1ge，決定于所用的介質(zhì)材料。但是，絕不能單憑絕緣電阻值大小來(lái)評(píng)定多個(gè)介質(zhì)的質(zhì)量，由于每種介質(zhì)都有一定的絕緣電阻范疇。只有在將電容器應(yīng)用到線路的某些部分時(shí)，才允許小的絕緣電阻。耦合和時(shí)間掃描電容器應(yīng)當(dāng)含有盡量高的絕緣電阻，而對(duì)于無(wú)損耗的旁路電容器，可允許較低的RC值。由于絕緣電阻不易控制，因此將電容器串聯(lián)到直流電路中不解決問(wèn)題，由于施加在電容器上的電壓是其絕緣電阻的函數(shù)；只有當(dāng)每個(gè)電容器在被對(duì)應(yīng)的匹配電阻分流的條件下，才干作這種串聯(lián)。4.時(shí)間常數(shù)當(dāng)電容器的容量較大時(shí)（C＞0.1μF），其絕緣電阻重要取決于介質(zhì)的性能。當(dāng)容量較小，或雖容量較大，但表面受潮或沾污，其絕緣電阻重要取決于電容器表面狀態(tài)（保護(hù)漆或壓塑材料的性能）。當(dāng)用ρv相似的材料制成不同容量的電容器時(shí)，其體積電阻Rv將不同。C愈大，其Rv愈低。若用測(cè)試的電阻來(lái)表征大容量電容器的絕緣性能，必然得出絕緣較低的成果，顯然這是不合理的。因此在評(píng)價(jià)大容量電容器的絕緣性能時(shí)需引入一種與電容器幾何尺寸無(wú)關(guān)的參數(shù)，即時(shí)間常數(shù)τ。在一定的電壓、溫度和時(shí)間（從接通電源算起）下，時(shí)間常數(shù)的大小不決定于電極的面積和介質(zhì)的厚度。在RC串聯(lián)回路中，電壓和電流隨時(shí)間下降或上升的速率取決于放電電路的C和R的乘積。電容器的放電電壓隨時(shí)間的變化關(guān)系為：（1-11）電容器的放電電壓與時(shí)間（RC）的關(guān)系見圖1-7。由于在任何時(shí)間的電壓變化率就是（1-11式）v對(duì)時(shí)間的微分，因此（1-12）也就是說(shuō)，經(jīng)RC秒后，放電電容器上的電壓為早期電壓的37％，或者說(shuō)，經(jīng)RC秒后，充電電容器上的電壓為外加電壓的63％。普通當(dāng)5·RC秒后，放電電壓衰減為零。因此，電容器的時(shí)間常數(shù)（τ）就是電容器的絕緣電阻與電容量的乘積。即(兆歐微法；或秒)（1-13）大容量的有機(jī)介質(zhì)電容器普通用時(shí)間常數(shù)τ表達(dá)其絕緣質(zhì)量；云母、瓷介電容器普通容量較小，慣用絕緣電阻表達(dá)（大容量仍以τ表達(dá)）；各類電解電容器用漏電流表達(dá)。5.漏電流對(duì)于電解電容器，其絕緣性能用漏電流表達(dá)。這是由于電解電容器的介質(zhì)是金屬氧化膜。事實(shí)上，在其表面或多或少地存在某些孔洞、疵點(diǎn)、裂縫，電解電容器的漏電流就是通過(guò)這些缺點(diǎn)的電子電流和離子電流。根據(jù)其數(shù)值大小就能夠直接評(píng)定電解電容器的絕緣性能。電解電容器的漏電流與容量大小和施加電壓有關(guān)，工程上表達(dá)為：I=KCU(微安)（1-14）電容器的漏電流取決于絕緣電阻的大小，并在直流和低頻時(shí)才故意義。根據(jù)介質(zhì)的比體積電阻的大小，可近似地?cái)M定電路中電容器的漏電流。6.電容器的介質(zhì)擊穿電容器的介電強(qiáng)度是指它能承受施加于兩引出端的電壓而不被擊穿的能力。電容器的介電強(qiáng)度是表征電容器性能的重要指標(biāo)之一，絕緣材料的介電強(qiáng)度取決于材料種類、質(zhì)量和厚度，同時(shí)與電極的面積、形狀、電壓作用時(shí)間用頻率、散熱狀況等因素有關(guān)。普通來(lái)說(shuō)，溫度、頻率愈高、電極面積愈大，抗電場(chǎng)強(qiáng)度愈低。6.1表征電容器介電強(qiáng)度的電壓參數(shù)6.1.1擊穿電壓：Ub當(dāng)電容器上施加的電壓達(dá)成Ub時(shí)，漏導(dǎo)的穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，引發(fā)電子電流的急劇增加，電容器失去作用。在瞬間內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)產(chǎn)生的擊穿往往是電擊穿。在長(zhǎng)時(shí)間工作后產(chǎn)生的擊穿為熱擊穿（高頻高壓下）和老化擊穿（電解性和電離性）。6.1.2實(shí)驗(yàn)電壓：Ut在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)批量生產(chǎn)的電容器，抽樣實(shí)驗(yàn)時(shí)的電壓。普通為直流、鑒定時(shí)：施加時(shí)間為1分鐘；抽樣時(shí)：施加時(shí)間為2S6.1.3額定（最高）電壓：UR是指電容器在一定時(shí)限內(nèi)能可靠工作的電壓。6.2擊穿電壓、實(shí)驗(yàn)電壓和額定電壓的關(guān)系：為確保電容器可靠地工作，既確保在瞬時(shí)過(guò)壓作用下不發(fā)生擊穿，同時(shí)又確保在長(zhǎng)久工作條件下不發(fā)生擊穿，應(yīng)對(duì)的選擇電容器的擊穿電壓、額定電壓和實(shí)驗(yàn)電壓，并擬定它們之間的關(guān)系：實(shí)驗(yàn)電壓和擊穿電壓之間的關(guān)系：Ut≤Ub/K1（1-15）K1為安全系數(shù)；對(duì)于介質(zhì)厚度較小和面積較小的電容器，K1應(yīng)不低于2。擊穿電壓與額定電壓的關(guān)系：Ub/UR＝K2（1-16）K2為額定電壓對(duì)擊穿電壓的安全系數(shù)。不同介質(zhì)因老化程度不同，K值也不同（K值為實(shí)驗(yàn)電壓對(duì)額定電壓的安全系數(shù)）。有機(jī)介質(zhì)電容器，由于介質(zhì)的介電強(qiáng)度隨時(shí)間快速減少，普通取Ut＝3UR。氣體和固體無(wú)機(jī)介質(zhì)電容器，由于介質(zhì)老化緩慢，普通取Ut＝（1.5～2）UR。現(xiàn)在我國(guó)生產(chǎn)的電容器選用的K值列于表1-5。6.3電容器允許的無(wú)功功率與環(huán)境溫度的關(guān)系電容器在電路溫度高溫狀態(tài)下工作時(shí)，熱擊穿是電容器失效的重要形式。圖1-9為電容器內(nèi)部熱平衡破壞而引發(fā)擊穿的狀況。Q1與電容器溫度的關(guān)系：當(dāng)電壓U和頻率ω不變時(shí)，重要決定于電容器tgδ和溫度的關(guān)系。PA=PRtgδPR為無(wú)功功率，PA為有功功率。Q2與溫度的關(guān)系為：Q2＝amS（t-t0）（1-17）式中αm為散系數(shù)；S為冷卻表面積；Q為電容器一秒鐘內(nèi)散發(fā)的熱量。對(duì)照Q1與Q2兩曲線，能夠擬定在某一定工作電壓下電容器與否將發(fā)生熱平衡破壞。例如當(dāng)電壓為U，溫度為t1時(shí)，電容器有穩(wěn)定的熱平衡；電壓為U’，溫度t1’時(shí)，只能有不穩(wěn)定的熱平衡；而電壓為U”因此，U’可視為電容器熱擊穿時(shí)的最低擊穿電壓，其值決定于環(huán)境溫度；如果t0＝t0’，在電壓為V’且t＝t1’時(shí)，出現(xiàn)不穩(wěn)定的熱平衡，當(dāng)t0＝t0”，電容器的溫度t1對(duì)大多數(shù)有機(jī)介質(zhì)，在長(zhǎng)久電場(chǎng)作用下，將呈現(xiàn)老化現(xiàn)象。溫度增高，老化加速。當(dāng)環(huán)境溫度不超出額定的環(huán)境溫度（正極限環(huán)境溫度減去允許的溫升）時(shí)，電容器所能隨的無(wú)功功率等于額定無(wú)功功率：當(dāng)環(huán)境溫度超出額定環(huán)境溫度時(shí)，高功率的瓷介電容所能承受的無(wú)功功率按下式計(jì)算：（1-18）式中PN為額定無(wú)功功率（KVA），PR為任意環(huán)境下的無(wú)功功率，tm為正極限環(huán)境溫度。6.4高頻電流電容器在高頻狀態(tài)下工作時(shí)，應(yīng)規(guī)定允許的最大電流值。其數(shù)值大小取決于電容器能耗散出的對(duì)它本身無(wú)害的熱量。在低頻時(shí)，額定電壓值起著非常重要的作用。而在高頻時(shí)，額定電流值基本上是決定因素。例如，對(duì)于高功率的瓷介電容器（CCG）在原則中都規(guī)定了最大的允許電流Imax，它指工作頻率等于上限標(biāo)稱頻率時(shí)的最大電流。當(dāng)工作頻率高于上限標(biāo)稱頻率時(shí)，其允許的電流應(yīng)按下式計(jì)算：（1-19）式中：I為電流（A）；f(MHz)；C（PF）。6.5高頻工作電壓：額定的高頻工作電壓是指頻率不高于下限標(biāo)稱頻率時(shí)的高頻工作電壓。當(dāng)?shù)扔谙孪迾?biāo)稱頻率和低于上限標(biāo)稱頻率時(shí)，其高頻胡頻率的變化應(yīng)按下式減少：（1-20）下限標(biāo)稱頻率無(wú)功功率、高頻電壓、高頻電流和頻率的關(guān)系見圖1-11。根據(jù)的關(guān)系，對(duì)于在高壓和高頻特別是在大功率的電發(fā)送設(shè)備和金屬加熱用的高頻工業(yè)設(shè)備中用的電容器，若C很大，即使在電壓和f較小時(shí)，也有相稱大的能量損失，必須使tgδ盡量減小。7.電容器的比率特性在近代電子工程中，應(yīng)用某種電容器的可能性，首先取決于該電容器的性能和可靠性，另外亦取決于它的價(jià)格、體積和重量。因此，電路設(shè)計(jì)人員選擇電容器時(shí)，總是力求以最小的體積、重量和成本，得到所規(guī)定的電性能。電容器的比率行性，即以電容器的某一基本參數(shù)對(duì)其體積之比。慣用的有比率電容量（單位體積的容量），比率無(wú)功功率，比率能量。各類電容器的比率表達(dá)辦法有：7.1低壓電容器用比率容量Cr（或比率體積Vr）表達(dá)。當(dāng)U≤UR時(shí)，（1-21）（1-22）當(dāng)U＞UR時(shí)，（1-23）（1-24）圖1-13為比率容量與電容器工作電壓的關(guān)系。當(dāng)U＞UR時(shí)，若E為常數(shù)，則電容器的比率電容量與電壓的平方成反比。在低壓范疇內(nèi)，Cr與電壓無(wú)關(guān)。而在高壓范疇內(nèi)，Cr隨電壓的增高而減少。因此Cr和Vr是比較低壓范疇內(nèi)電容器性能一種適宜的參量。7.2高壓電容器用比率能量Wr表達(dá)：（1-25）式中Wr（焦耳/㎝2）；d（cm）；U（V）。當(dāng)U≤UR時(shí)，d為常數(shù)，這時(shí)Wr與U2成正比。當(dāng)U＞UR時(shí)，為確保介質(zhì)不超出最高工作場(chǎng)強(qiáng)，介質(zhì)厚度對(duì)應(yīng)增加，這時(shí)E為常數(shù)，Wr與電壓U無(wú)關(guān)，如圖1-13所示。很顯然，當(dāng)加在電容器上的電壓U不大于該介質(zhì)厚度dmin對(duì)應(yīng)的電壓UR時(shí)，若進(jìn)一步減少電壓，介質(zhì)厚度已不能減少，E則下降，使Wr上降。因此，在高壓下Wr與E無(wú)關(guān)時(shí)，比率能量Wr是評(píng)價(jià)高壓電容質(zhì)量的一種很方便的量。7.3大功率電容器用比率無(wú)功功率Pr表達(dá)：為評(píng)價(jià)交流電容器，特別是工作在高頻高壓下的電容器的質(zhì)量，采用單位體積含有的無(wú)功功率Pr表達(dá)。(乏/cm3)（1-26）7.3.1低頻范疇（f＞f1時(shí)）：此時(shí)電容器發(fā)熱不嚴(yán)重，ε、E與f無(wú)關(guān)。P1與f成線性關(guān)系（見圖1-14）。PrtgδPrtgδ f1f 圖14：電容器Pr、tgδ與f的關(guān)系7.3.2中頻范疇（f2＞f＞f1）：當(dāng)f＞f1時(shí)，電容器發(fā)熱明顯，必須減少E，使溫升△t不超出某允許值。在f2下列，tgδ與f無(wú)關(guān)。7.3.3高頻范疇（f＞f2）：這時(shí)極板和引線的tgδ急增，必須減少E，Pr隨f增加而減少。表1-6及表1-7為各類電容器的體積比。8.電容器的阻抗頻率特性在評(píng)價(jià)電容器的性能時(shí)，除有損耗、絕緣電阻等質(zhì)量指標(biāo)，還應(yīng)考慮在電路中的阻抗、等效串聯(lián)電阻的大小。阻抗頻率特性既可表征電容器在電路中的作用，也能反映電容器的工藝和構(gòu)造的合理程度。電容器的阻抗除與容量大小有關(guān)外，也與等效串聯(lián)電阻及固有電感有關(guān)。電子計(jì)算機(jī)中使用的低壓、大容量電解電容器，在功率分派器中使用的電容器，應(yīng)有較低的阻抗和較小的固有電感。要使通過(guò)紋波電流而不引發(fā)極度的功率損耗，電容器的等效串聯(lián)電阻也必須足夠小。因此，減少電容器的阻抗往往和減少等效串聯(lián)電阻和固有電感聯(lián)系在一起。在應(yīng)用狀態(tài)下，應(yīng)盡量電容器在電路中呈現(xiàn)容性阻抗。換言之，工作頻率應(yīng)低于電容器的固有諧振頻率。電容器的集中參數(shù)的阻抗頻率特性見圖1-15。圖中：f0為電容器的固有諧振頻率（）Z為高頻阻抗〔〕我們將阻抗Z，固有電感L和等效串聯(lián)電阻r、固有諧振頻率f0統(tǒng)稱為集中參數(shù)電容器的高頻參數(shù)。電容器諧振頻率的大小，決定于它的尺寸和在額定電壓下積累的能量。同時(shí)還決定于介質(zhì)的種類、電容器的幾何形狀、電容量和導(dǎo)電零件的構(gòu)造。因此，擬定電容器的固有諧振頻率，要考慮引出線的電感和其它的固有電感。在高頻回路中使用的電容器應(yīng)當(dāng)有最大的電容量和最小的電感。圖1-16為瓷介電容器和鉭電解電容器的阻抗頻率特性。顯然，從低阻抗的規(guī)定考慮，瓷介電容器是比較抱負(fù)的，其阻抗和等效串聯(lián)電阻都較小。9.電容器的介質(zhì)吸取人們普通但愿電容器一經(jīng)充電，則很快達(dá)成電源電壓，經(jīng)外電路放電時(shí)所貯存的電荷也能快速釋放完畢。而在實(shí)際使用過(guò)程中，電容器充電時(shí)，電荷的聚集則需要一定的時(shí)間；放電時(shí)電荷的釋放也需要一定的過(guò)程。這就產(chǎn)生了充放電過(guò)程的時(shí)間滯后現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是由介質(zhì)吸取效應(yīng)造成的。在某些規(guī)定反映快速的脈沖控制電路中（例如微分電路、積分電路），這種滯后可能造成整個(gè)電路的功效失效或得到錯(cuò)誤的成果。例如，作為電子模擬計(jì)算機(jī)心臟的積分器中所采用的積分保持電容器，除規(guī)定絕緣電阻高和體積小外，還規(guī)定吸取系數(shù)?。环駝t積分器的頻率特性會(huì)發(fā)生畸變，變化環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)移函數(shù)，特別是對(duì)積分器的高速運(yùn)轉(zhuǎn)影響甚大。當(dāng)時(shí)間為t時(shí)，電容器上的充電電壓為：（1-27）當(dāng)時(shí)間t＝0，電容器本身電壓為：（1-28）抱負(fù)狀況下，U0隨Ui變化而變化。事實(shí)上，當(dāng)t＝0，外電壓降為0時(shí)，U0≠（t）0，如果電容器的吸取效應(yīng)很強(qiáng)，積分器就會(huì)產(chǎn)生不可允許的誤差。實(shí)驗(yàn)證明：紙電容器用作積分保持電容器時(shí)，造成線路的電壓偏差比聚酯電容器大10倍。比聚苯乙烯電容器大50倍。因些，電容器作積分保持電容器時(shí)，它不僅要含有高的絕緣電表，并且要含有小的介質(zhì)吸取系數(shù)。含有介質(zhì)吸取的電容器，其充放電過(guò)程都很緩慢，而沒有介質(zhì)吸取的電容器，其充放電過(guò)程都是快速的。在之后，電容器的端電壓分別靠近電源電壓或趨于0。在普通狀況下，電容器達(dá)成最大恢復(fù)電壓的時(shí)間相稱長(zhǎng)，從幾小時(shí)到十幾天。但是，吸取系數(shù)只是在特定條件下測(cè)得的值。因此普通將Ka稱為條件吸取系數(shù)。根據(jù)Ka值的大小，能夠擬定介質(zhì)的極化類型以及介質(zhì)的吸取程度，從而判斷電容器與否能快速完畢充放電過(guò)程。因而Ka值就成了電容器的一項(xiàng)重要的質(zhì)量指標(biāo)。聚四氟