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—— 何為電容器?
2013/10/16    
中文名稱:電容器
定義:由兩片接近并相互絕緣的導體制成的電極組成的儲存電荷和電能的器件。
應用學科:電力(一級學科);變電(二級學科)

名片

電容器通常簡稱其為電容,用字母C表示。定義1:電容器,顧名思義,是‘裝電的容器’,是一種容納電荷的器件。英文名稱:capacitor。電容是電子設備中大量使用的電子元件之一,廣泛應用于電路中的隔直通交,耦合,旁路,濾波,調諧回路, 能量轉換,控制等方面。定義2:電容器,任何兩個彼此絕緣且相隔很近的導體(包括導線)間都構成一個電容器。

作用

直流電路中,電容器是相當于斷路的。電容器是一種能夠儲藏電荷的元件,也是最常用的電子元件之一。
這得從電容器的結構上說起。最簡單的電容器是由兩端的極板和中間的絕緣電介質(包括空氣)構成的。通電后,極板帶電,形成電壓(電勢差),但是由于中間的絕緣物質,所以整個電容器是不導電的。不過,這樣的情況是在沒有超過電容器的臨界電壓(擊穿電壓)的前提條件下的。我們知道,任何物質都是相對絕緣的,當物質兩端的電壓加大到一定程度后,物質是都可以導電的,我們稱這個電壓叫擊穿電壓。電容也不例外,電容被擊穿后,就不是絕緣體了。不過在中學階段,這樣的電壓在電路中是見不到的,所以都是在擊穿電壓以下工作的,可以被當做絕緣體看。
但是,在交流電路中,因為電流的方向是隨時間成一定的函數關系變化的。而電容器充放電的過程是有時間的,這個時候,在極板間形成變化的電場,而這個電場也是隨時間變化的函數。實際上,電流是通過電場的形式在電容器間通過的。
在中學階段,有句話,就叫通交流,阻直流,說的就是電容的這個性質。
電容的作用:
1)旁路
旁路電容是為本地器件提供能量的儲能器件,它能使穩壓器的輸出均勻化,降低負載需求。就像小型可充電電池一樣,旁路電容能夠被充電,并向器件進行放電。為盡量減少阻抗,旁路電容要盡量靠近負載器件的供電電源管腳和地管腳。這能夠很好地防止輸入值過大而導致的地電位抬高和噪聲。地電位是地連接處在通過大電流毛刺時的電壓降。
2)去耦
去耦,又稱解耦。從電路來說, 總是可以區分為驅動的源和被驅動的負載。如果負載電容比較大, 驅動電路要把電容充電、放電, 才能完成信號的跳變,在上升沿比較陡峭的時候, 電流比較大, 這樣驅動的電流就會吸收很大的電源電流,由于電路中的電感,電阻(特別是芯片管腳上的電感,會產生反彈),這種電流相對于正常情況來說實際上就是一種噪聲,會影響前級的正常工作,這就是所謂的“耦合”。
去耦電容就是起到一個“電池”的作用,滿足驅動電路電流的變化,避免相互間的耦合干擾,在電路中進一步減小電源與參考地之間的高頻干擾阻抗。
將旁路電容和去藕電容結合起來將更容易理解。旁路電容實際也是去耦合的,只是旁路電容一般是指高頻旁路,也就是給高頻的開關噪聲提高一條低阻抗泄防途徑。高頻旁路電容一般比較小,根據諧振頻率一般取0.1μF、0.01μF 等;而去耦合電容的容量一般較大,可能是10μF 或者更大,依據電路中分布參數、以及驅動電流的變化大小來確定。旁路是把輸入信號中的干擾作為濾除對象,而去耦是把輸出信號的干擾作為濾除對象,防止干擾信號返回電源。這應該是他們的本質區別。
3)濾波
從理論上(即假設電容為純電容)說,電容越大,阻抗越小,通過的頻率也越高。但實際上超過1μF 的電容大多為電解電容,有很大的電感成份,所以頻率高后反而阻抗會增大。有時會看到有一個電容量較大電解電容并聯了一個小電容,這時大電容通低頻,小電容通高頻。電容的作用就是通高阻低,通高頻阻低頻。電容越大低頻越不容易通過。具體用在濾波中,大電容(1000μF)濾低頻,小電容(20pF)濾高頻。曾有網友形象地將濾波電容比作“水塘”。由于電容的兩端電壓不會突變,由此可知,信號頻率越高則衰減越大,可很形象的說電容像個水塘,不會因幾滴水的加入或蒸發而引起水量的變化。它把電壓的變動轉化為電流的變化,頻率越高,峰值電流就越大,從而緩沖了電壓。濾波就是充電,放電的過程。
4)儲能
儲能型電容器通過整流器收集電荷,并將存儲的能量通過變換器引線傳送至電源的輸出端。電壓額定值為40~450VDC、電容值在220~150 000μF 之間的鋁電解電容器(如EPCOS 公司的 B43504 或B43505)是較為常用的。根據不同的電源要求,器件有時會采用串聯、并聯或其組合的形式, 對于功率級超過10KW 的電源,通常采用體積較大的罐形螺旋端子電容器。

故障處理

1、電容器的常見故障。當發現電容器的下列情況之一時應立即切斷電源。[2]
(1)電容器外殼膨脹或漏油。
(2)套管破裂,發生閃絡有為花。
(3)電容器內部聲音異常。
(4)外殼溫升高于55℃以上示溫片脫落。
2、電容器的故障處理
(1)當電容器爆炸著火時,就立即斷開電源,并用砂子和干式滅火器滅火。
(2)當電容器的保險熔斷時,應向調度匯報,待取得同意后再拉開電容器的斷路器。切斷電源對其進行放電,先進行外部檢查 ,如套管的外部有無閃絡痕跡,外殼是否變形,漏油及接地裝置有無短路現象等,并搖測極間及極對地的絕緣電阻值,檢查電容器組接線是否完整、牢固,是否有缺相現象,如未發現故障現象,可換好保險后投入。如送電后保險仍熔斷,則應退出故障電容器,而恢復對其余部分送電。如果在保險熔斷的同時,斷路器也跳閘,此時不可強送。須待上述檢查完畢換好保險后再投入。
(3)電容器的斷路器跳閘,而分路保險未斷,應先對電容器放電三分鐘后,再檢查斷路器電流互感器電力電纜及電容器外部等。若未發現異常,則可能是由于外部故障母線電壓波動所致。經檢查后,可以試投;否則,應進一步對保護全面的通電試驗。通過以上的檢查、試驗,若仍找不出原因,則需按制度辦事,對電容器逐漸進行試驗。未查明原因之前,不得試投。
3、處理故障電容器時的安全事項。處理故障電容器應在斷開電容器的斷路器后,拉開斷路器兩側的隔離開關,并對電容器組放電后進行。電容器組經放電電阻、放電變壓器或放電電壓互感器放電之后,由于部分殘余電荷一時放不盡,應將接地的接地端固定好,再用接地棒多次對電容器放電直至無火花及放電聲為止,然后將接地卡子固定好。由于故障電容器可能發生引線接觸不良,內部斷線或保險熔斷等現象,因此仍可能有部分電荷未放出來,所以檢修人員在接觸故障電容器以前,還應戴上絕緣手套,用短路線將故障電容器的兩極短接,還應單獨進行放電。

新成果

法國研究人員日前報告說,用來制造超級電容器電極的碳材料結構越不規則,超級電容器的電容就越大,對高壓的承受能力也越強。超級電容器是一種新型儲能裝置,具有充電時間短、輸出功率高、壽命長等優點,可用于車輛制動能量回收系統等。其工作原理基于電極和電解液中的正負離子間的相互作用,電極表面積越大、和正負離子間的相互作用越強,電容就越大。
法國國家科研中心和奧爾良大學研究人員借助核磁共振光譜技術量化分析了電極和正負離子間的靜電作用強弱,結果發現,碳電極材料結構越不規則,超級電容器的電容就越大,對高壓的承受能力也越強。相關論文發表在《自然·材料》雜志網絡版上。研究人員認為,這一發現有助于人們改進超級電容器性能。
 
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