电容器电路应用
第节 概述
电容器靠性由固有靠性和使用靠性所构成引起电容器靠原因有设计、原材料、工艺制造及选择和使用等电子组件靠性高低取决于从研制、生产使用全过程努力和配合
当前电容器使用靠性高原因分析下：
（1）使用当：
例整机使用条件远比电容器额定条件高对电容器采用满额使用甚至超负荷使用上述情况产生有时由于电路设计人员或维护使用人员缺乏正确使用电容器知识或者缺少有关电容器使用技术数据有时使用组件实际环境条件符合设计要求等
（2）选择当：
军用电子设备采用了消费类电子设备设计和生产电子组件些组件所适应环境条件、性能参数指针大程度上远低于军用电子设备工作条件和要求
（3）采用了较多非标准组件：
由于军用电子设备需要设备采用了数少、特殊、应用稀少和非标准组件其供应和储备难保证有足够数量和达应用质量要求
（4）整机设计人员、维护人员、器材供应人员缺乏对电子组件应用知识了解
例对各类组件特性电路起作用其靠性水平及特写使用环境下组件特性会产生显著变化等
勿庸置疑设计军用电子设备时首先必须解决选择哪种组件对该设备具体应用恰当问题
选择电子组件时应当严格遵循设备和组件技术条件实施技术条件时还应当清楚地知道产品还缺少哪些必要特性
电路设计人员还应经常与组件制造厂技术人员保持密切联系了解组件生产方面经验并且能对组件实际知识了解和生产方面积累经验应用设计工作去
第二节 电容器电路应用
1、电容器类型
根据介质材料性质电容器分空气电容器、无机介质电容器、有机介质电容器、电解电容器等几大类无线电电子设备有低、、高各种频率电路同频率电路对电容器有同要求根据使用频率电容器分类表12-1所列各类电容器主要特点和应用范围见表12-2、12-3
2、电容器直流电路应用
电容器充放电过程仅贮存或释放能量也流过高频或低频衰减振荡电流或者非振荡衰减电流下面扼要介绍利用贮存电荷放电电容器工业有关应用
表12-1 电容器分类表
表12-2 各类电容器主要特点
表12-3 各类电容器应用范围
夏天打雷时冲击波传输给配电线及变压器和其电气设备时会引起绝缘击穿、烧毁设备危险防止发生事故必须使设备有经受瞬时高压冲击性能所对于与输电线连接使用设备应视其电路电压按下述标准值（图12-1）对设备进行三次电压冲击试验该装置所使用电容器多数高压纸介电容器
图12-1 冲击电压波形（标准波）
2.2 产生瞬间大电流：
用直流电压译电电容器储存能量： （焦耳）充电电容器短路放电、即产生瞬间大电流已广泛应用于：
（1）产生等离子并研究种现象电源（真空电能瞬时放电10000K0上温度下研究时产生等离子现象）
（2）研究热原子核熔融电源（通过重氢内部放电使之熔融各种原子核、并研究产生能量和产生子状态）
（3）研究电弧放电及其高温状态电源（研究空气切断电源时产生数千度高温下各种现象）
（4）冲击波、紫外线或者微波发生电源（云层高度测量仪利用电波从目标反射回来时时间进行距离测量）
（5）放电型加工设备（加工超硬度材料时其作侧面电极进行放电由此直接加工）
（6）放电电磁成型设备（利用通过冲击磁束和电流产生机械力成型）
（7）爆发成型设备（利用液体放电时周围产生机械力成型）
（8）储放式X射线装置医用X射线透视装置（利用电容器瞬间放电性质）
（9）储能焊接机（利用放电电流金属小片点焊熔接）
（10）闪光灯电源（汽车及照相机闪光灯）
用瞬间放电产生大电流电容器要既能承受大电流冲击而又受种冲击影响结构性能使用时应重视电容器大放电电流用决定固有频率电感值大小般采用纸介和有机薄膜电容器
2.3 利用剩余能量：
经常用较小功率电容器充电储能当需要时该电能举放出进行工作交流切断电容器主要功能般用金属化纸介电容器或无极性电解电容器
2.4 产生直流高压：
某些整流电路用电容器多级串接产生高直流电压作负荷电源比较小电子扫描微镜电源输出电压达100万伏常用电容器纸介电容器
3、电容器直流脉动电路应用：
电容器与含有交流万分直流电路并联连接交流成分流过电容器连接点电压近似干纯直流若电容器与种电路串联连接则直流电被切断交流成分例电信号顺利通过般对前者称滤波作用者称耦合作用各种电子设备所有电容器大部份都起两种作用
4、电容器交流电路应用：
电容器交流用途除电子设备应用外还用于电力及电气设备前者主要用于高频场合者主要用于民用频率范围
电容器电子设备交流用途调谐占据绝大比例例空传播微弱信号电压采用LC串联或并联谐振放大电压此外要使发射机发射频率接收机频频率或调频功率设备使用频率产生振荡要用用交流高频电容器
交流电容器具体应用：
（1）三相电路组成星形和三角形连接当所用电容器容量相同时星形连接电路无功功率仅三角形连接电路三分之；
（2）利用电容器电流与电压间相位特性特其并联电感性电器输电线路上改善线路功率因素
（3）电容器串联应用补偿输电线路电抗电压降提高电厂交联运转稳定度增加线路载流能力减少由于大功率电器冲击电流对电压稳定度影响；
（4）移相用；
（5）滤波用（防止发生和混入干扰波）；
（6）用于频换流器：随着控硅技术发展半导体电源用频换流器用电容器用于电子计算机频电源逆变线路快速充电机斩波器、逆变器亦用于测量控硅组件电参数及变频变压电压上升率测试设备类电容器多采用聚丙烯电容器
5、高频参数电路设计应用
近代电路设计特点要求电容器具有低阻抗即要求电容器具有良好阻抗－频率特性由于线路设计之需要电容器使用频率范围亦逐渐扩大图12-2各类电容器使用频率范围图12-3极性电容量范围、工作频率和阻抗值之间关系图12-4非极性电容器容量范围工作频率和阻抗之间关系
电容器应低于串联谐振频率下使用若要接近或高于串联揩振频率或脉冲电路使用时应选择引线电感小电容器；外引线应尽量短；也选择两上电容器并联使用（例通常人们习惯电解电容器两端并联小电容器）
穿心式电容器包括穿心式LC复合滤波器种特殊结构电子组件常用作低通滤波器抑制高频干扰般而言电容器工作频率超过f0时旁路效会变差甚至会使电容器由容抗变感性而引起相位突变有时会引起放大器自激振荡或引起脉冲电路波形失真若与被旁路电阻R相比当满足ωL《R时则仍具有旁路效固有电感L越小由带宽越宽
设计60MHz晶体管放大器发射极旁路电容采用CT4C-0.047uF时电路易自激改用CC4C-1000PF较稳定又：DT-1向量电压脉冲取样探头电容器150PF采用CC41C电容器试验表明用尺寸较小（2*3）比用尺寸较大（4*6）频向好因前者固有电感小再：70MHz集参数环行器采用40～120PF电容结表明采用自谐振频率高于80MHz且串联谐振电阻较小电容器使环行器插入损耗减小且便于高度
近几年来发展较快分布参数电路（例微带电路）对电容器设计和使用了提出了新要求了避免固有电感对电容器高频性能良影响利用电容器引线或电极对地分布电容Cs与其电感L谐振所要求特征阻抗 使利因素变有利因素
对于无外引线多层陶瓷电容器CC41L和CT41L应注意缩短或避免有害连接线；并联安装时则采用图12-5所示结构电容器较适宜例C09-1-b和C09-2-b型边界层瓷介电容器们特别适用于微波电路作高频旁路用微带电容器适用于宽度相适应微带电路若用般集参数高频电路必须尽量引线缩短
高频用集参数电容器长度（1）应设计得短些W宽些（或直径大些）应按通常习惯总长度比宽度大
总之无论电容器设计师还电路设计师都必须熟悉电容器高频参数对于提高电容器结构设计水平和合理地使用电容器从而提高电子线路设计水平都簋有意义
6、降低电容器阻抗途径
6.1减小电容器固有电感
固有电感电容器结构参数与电容器内外引线尺寸、电极数目和汇流点位置有关因此固有电感鉴定电容器高频性能和向用户提供电容器能正常使用上限频率所必须根据阻抗－频率特性由下式求出电感；
6.1.1非极性介质电容器：
先测得f0由低频电容量C0按式（12-1）求电感：
（12-1）
6.1.2园形截面外引线电感计算：
（12-2）
常用资料见表12-4
6.1.3矩形截面薄带导体电感计算：
（12-3）
根据（12-2）式电极体电感：
内引线和外引线电感：
总电感：
计算结电极电感总电感15％下由此见所谓有机介质无感绕法并无感内外引线电感占了大部份比重改变电容器引出线长度会引起谐振频率变化图12-6谐振频率与引出线长度关系
6.2降低电容器等效串联电阻
电容器低频等效电路图12-7所示
根据图12-7给出公式知频率较高时R2主要取决于r即主要与电极导体电阻内外引线电阻和接触电阻有关介质损耗影响通常较小对容量较大电容器若原损耗较小频率高时接触电阻r对tgδ2影响较大例C＝0.022uF电容器f＝1kHz时tgδ＝1×10-3若接触电阻增大0.2Ω则 忽略当C＝0.47uF时同样条件下 见0.47uF电容器由于接触电阻增大0.2Ω使损耗比原来增大59％
电容器等效串联电阻与结构工艺有关当结构定时等效串联电阻主要取决于工艺因素有机电容器端头用电喷锌工艺比汽喷铝工艺接触电阻小因而串联电阻也小云母电容器用铝锡箔代替铜箔作电极引出头时串联电阻较小；端头印银代替打卡子串联电阻也较小；外引线粗比细串联电阻小；某些包封材料高频损耗太大也会导致等效电阻增加；多层陶瓷电容器通常比单层陶瓷电容器有较小等效串联电阻因此等效串联电阻参数能反映出制造工艺质量而测低频下损耗则反映出接触电阻变化因此电容器等效串联电阻作高频参数对高频电路插入损耗谐振电路Q值或旁路电容大衰减有明显影响所整机系统设计高频电路时应尽量选择等效器联电阻小电容器
第三节 电容器失效对电路工作影响
任何电子设备电容器用量约占其组件用量四分之了使电容器电路能正常地工作仅有些电容量值和电压额定值数据远够还必须知道温度、电流、频率对电容器绝缘电阻、击穿电压和其主要性能影响
所有电子设备故障因电容器失效而引起约占七分之而所有电容器失效有半上失效由于适当选择和使用原因所造成所整机设计师对电容器设备工作保证能力因素、安全因素、电容器受线路工作和环境条件影响及其性能改变、要有明确概念
1、电容器失效主要原因
引起电容器失效原因多；电流过荷、电压过荷、频率影响、严重介质漏电、容量漂移、介质吸收、高温、压力、湿度、冲击与振动等其严重介质漏电、介质吸收、容量漂移特别介质吸收对电路影响大也使电路高度人员烦恼甚至使用电路分析引入歧途
1.1电流过荷：
过渡过程脉冲宽度和振幅大、或由于开头时或者组合电路或组件发生故障时电容器与其组件相连接地方会引起瞬间电流骤增而造成电绝缘强度破坏、电容量改变、密封性破坏
1.2电压过荷：
产生电压过荷原因能由于设备预热当、转换过程和突切断负荷而引起超过电容器额定值电压瞬变现象或由于电介质内部存着高电场梯度而产生内部电晕、电介质击穿和绝缘电阻降低
安全起见额定直流工作电压至少应大于所期望直流电压20％所施加交流电压应超过适用于该频率和大周围温度交流电压额定值
1.3频率影响：
超过设计频率下使用电容器时会发生工作良和过热现象设计专供高频下工作电容器施加超高频脉冲则电容器会被击穿
多种类电容器有大固有电感；实际应用们常被小电容量电容器分流能保证大分流效应好大容量电容器与小容量电容器并联使用并使用环状或交叉、尽能短引线
1.4高温：
高温降低电容器靠性主要因素之过高工作温度会导致绝缘电阻和抗电强度降低电晕电压下降容量漂移寿命减少失效率增高
般而言极性介质制造电容器具有较高功率系数因而易产生内部发热加速电容器损坏
1.5压力：
由于电容器电容量和电极间距离成反比若电容器处壳硬度够当受压力变化影响而发生变形时会造成容量改变和密封性破坏甚至使环境媒介直接作用电容器上使电性能进步恶化
1.6湿度：
高湿度除引起外部金属锈蚀和促使霉菌生长外还能电气强度和绝缘电阻降低及电容量改变原因所有些现象都造成工作温度升高和击穿电压降低当有靠性要求时应采用密封型电容器
2、电容器失效对电路工作影响
2.1介质漏电对电路影响
电路漏电失效占电容器失效90％铝电解电容器漏电比其类型电容器更普遍随着漏电流增加必给电路工作带来影响
多芯组电容器有时会极间产生高阻抗漏电通道当从电解电容器极耦合与另极有关联电路时由于漏电通道经常具有高电阻、而极间漏电只有额定电压时才会显现出来故低压测试时则发现出问题所
例：电视接收机同只电容同时用于电源和垂直扫描电路50Hz交流频率和垂直扫描频率通过共同通道、致使人们难故障类型区别开来图12-8由于顺漏电引起垂直性恶化电路图
2.2电容量变化对电路工作影响
电容器容量变化对振荡器回路影响大室温下电路频率范围正常当电路置于箱内于同频率下测试频率漂移测毕从箱内取出发现电路能正常工作电路变得稳定产生强烈间歇振荡检验证明晶体管集电极和发射极之间电容器容量超差引起若更换同规格电容器则电路又恢复正常电容器容量变化正变化也负变化出现正变化原因薄膜电容器例介质薄膜和极板之间存丰残留空气隙及介质吸潮所致
有些电容器聚苯乙烯电容器能出现容量负超差现象由于引线和铝箔极板点焊牢或点焊接触电阻过大而引起
2.3介质吸收引起电路失效
电容器充放电过程存着时间滞现象某些要求反应迅速脉冲控制电路种滞能导致整电路功能失效或得错误结
例；RC微分电路（图12-9）当输入－矩形波时若RC《Tk（脉冲宽度）对于只没有介质吸收（或介质吸收弱）电容器得理想尖脉冲信号见图12-9（b）转接只介质吸收明显电容器时得输出波形却图12-9（c）所示显时RC电路再微分电路而变成耦合电路了
例线性电路电容器作隔直流或发射极偏流旁路电容时由于电容器介质吸收产生剩余电压改变该级偏流能把A类放大器变成B类放大器从而引起畸变和信号失真
电源电路严重介质吸收也会影响电源滤波效对于有较长时间没有通电设备尤其此电容器存介质吸收使其能彻底充放电事实意味着电容器有效容量减小致使纹波分量过大
直流电路由于存着高介质吸收使电容器直流电压作用能充分放电使有效容量减小
2.4电容器低电平失效及其检测
随着电子设备小型化组件工作电压越来越低有工作毫伏级甚至微伏级因此电容器低电平失效问题已引起人们重视
2.4.1电容器低电平失效对电路工作影响：
（1）使通信信号突断又会自行恢复因而电容器低失效随机种故障特别容易出现间隙使用或长期用电子设备
（2）电容器处于低电平状态下工作时由于电容器内部串联等效阻抗变化当工频和声频讯号通过电容器时输出波形会出现规则毛刺使输出信号产生噪声和严重失真
2.4.2电容器低电平失效机理：
（1）电容器引出线与电极箔间会形成层氧化层使引线或旗形引线与电极形成小电容并与原电容串联（见图12-10）由于阻抗坛高而引起失效或称之阻抗失效
（2）电容器引出线部份与电极间渗入层绝缘物或其有机污染物云母电容器浸渍腊涤沦电容器环氧树脂油浸电容器油等其等效电路见图12-10（b）
（3）电容器绝缘电阻明显降低甚至接近短路状态独石电容器使用低电平下极短时间内会产生绝缘退化故障绝缘性能大幅度降低种阻抗降低而引起电容器失效称之低阻抗失效
低电平失效用电容电桥测试也用奈培（Np）或分贝（db）单位仪器组合测试表12-5、12-6分别实测数据及测试电平和频率表
2.5电容器失效对扫描电路影响
电容器除整机般作滤波耦合阻尼分压调制隔直流和反馈用外现越来越广泛被应用于振荡电路而且应用形式也越来越多下面介绍电视机电路逆程电容器Cr和S形校正电容Cs作用和对电路影响
2.5.1逆程电容：
典型行扫描电路开关状态输出电路图12-11、12-12所示
图BG行输出晶体管Lr偏转线圈电感、Rr偏转线圈电阻EC电源电压当BG基极输入脉冲信号至饱和导通时偏转线圈内电流ir按指数规律变化
（1）逆程电容Cr作用：当行扫描正程结束逆程开始时BG截止偏转线圈内电流仍能保持原来方向并对Cr充电直偏转线圈内能量释放完毕储存于Cr内使电子束快地由右边回左边形成逆程回扫止当适当控制Cr电容量及电感量Lr组成LC振荡器还进步控制行扫描进程规律
逆程电容器容量严格地与扫描逆程时间TR偏圈电感量Lr有关下式：
（12-4）
（2）逆程电容器选择要求及其对电路影响：
① 高耐压亦即当BG截止时高反方向脉冲电压应电源电压8～10倍对广泛采用自举升压电路其行输出电压24伏～27伏Cr应选择耐压240～270伏
② 逆程电容器极易迂脉冲高压避免突失效应选择有自愈作用金属化电容器
③ 逆程电容器对控制逆程扫描时间概念极强须准确地与偏转线圈搭配保证逆程回扫描时间误差小于10％其电容量误差应控制5％内
④ 逆程电容器除要求性能稳定外还必须有极小漏电流否则容易引起图像表面产生振钤干扰条纹此外使用必须注意其端必须与行输出管发射极阻尼管正端同接于地线否则会产生幅射干扰见图12-13、12-14
2.5.2 S形校正电容：
由于显像管屏幕曲率心与电子枪射出电子束偏转心同位置所即便行输出端电流线性好呈现屏幕上图像也会失真造成荧光屏左右端束扫描速度快行程长央部位扫描速度慢行程延伸性畸变图12-15所示
克服延伸畸变应控制偏转线圈内锯齿波电流坛长即di/dt变化规律使其随着自身绝对值坛长而略微减小图12-16所示
因条用校正延伸性畸变曲线呈S形通常便称之S形校正曲线
实现S形校正初曾假设与偏转线圈串联容量大电容器Cs图2-17所示LrCs串联谐振回路当正程扫描时Cs上电压变BG导通时加偏转线圈两端电压恒定值偏转线圈内电流ir呈线性坛长实际Cs能大ir也能直线性变化而近似于按正弦波曲线变化Cs上电压波形与此产生定相位差图2-18所示当选择LrCs振荡周期长t0时ir＝0电流变化呈直线性当t＝T/2时ir便偏离直线下降类似S形曲线适当选择Cs容量便达S校正作用
对Cs选择和失效对电路影响：
（1）尽管行输出脉冲电压部份降偏转线圈上大部份降Cs上所Cs耐压必须大于100V上若Cs旦击穿失效使偏转电路无法工作屏幕上便产生垂直亮线（图2-19）短路击穿也意味着S形校正作用消失
（2）S形校正电容器漏电会致使负载加重电源电压下降整机工作失常般电容量变化（特别容量变小时）会引起输出管损耗坛大线性恶化
2.6电容器非线性失效及其对电路工作影响
2.6.1电容器非线性产生机理：
无源电子组件非线性许多情况下由于组件内部存接触电阻而引起接触电阻通常包括集电阻和间隙电阻两部份通常具有大量接触点导电系统当外加电压较高时其阻值与电压关系写：
（12-5）
图12-30表示了间隙电阻与外加电压关系当电压较低时阻值变；当电压较高时阻值对数lgR与电压√U呈下降直线关系种非线性电压直接作用下产生
接触点局部过热也引起种非线性效应因间隙电阻与温度有关其规律类似于半导体另外也应指出当间隙上突加上较大电压时间隙发生热击穿并使吸收气体挥发致使间隙电阻暂时短路当取消外电压间隙又恢复较大阻值种现象给电子组件带来时隐时现失效造成设备工作靠性大大下降电容器小讯号开路例
理想线性电容器所充电荷与两端电压成正比而电容量与电压无关固定极板真空电容器或充气式标准电容器认理想线性电容器对于电子设备广泛应用电容器通常都具有定非线性也说当电容器上加上纯正弦交流电压时其内部产生三次谐波电流对于无极性组件来说出现偶次谐波即：
（12-6）
由于第五次上谐波幅度小予考虑通常第三次谐波电压与基波电压之比取对数并电平来表示称三次谐波失真或三次谐滤衰减
电容器非线性还有由于介质极化和损耗引起非线性介质材料和封装材料绝缘电阻也引起非线性对于介质夹杂半导体微粒引起漏电导对非线性影响也大对于电解电容器其介质氧化膜与阴极极板之间含有离子性导电电解液或含有固体二氧化锰等半导体材料也具有较大非线性
电容器非线性产生另主要来源极板和引出线用块状金属制成金属箔做极板较好金属化极板其导体内部能存连续性有能产生非线性例电容器纸或有机薄膜上蒸地金属膜及云母和陶次片上烧渗银层都能产生非线性极板与引出线之间接触良电容器产生较大非线性重要原因
3.6.2电容器非线性对电路工作状态状态影响：
无源组件非线性作本身种特性对电子设备造成严重影响特别当些组件应用于高质量滤波器频谱分析仪和多路载波通讯系统时组件非线性所造成三次和高次谐波会严重干扰系统正常工作
（1）电子设备噪音来源于电子元器件电子组件噪音与其本身非线性（谐波）密切相关
（2）载波通讯能多路同时对线路上通讯而互相干扰主要采用了各种同频率滤波器（LC）收、发及各路信号分开十二路载波电机例：西端发（发端收）线路传输频率36～84kHz（每4kHz路）西端发第二路（42kHz）产生了三次谐波则126kHz该谐波频率正好东端第9路通带频率则西端第二路信号窜入了东端第9号当窜来信号足够大时造成了忽略干扰通讯称串音防止种相互干扰要求滤波器（或电容器）应有小非线性