電容為什么會(huì )爆炸？關(guān)于電容的這些事你都知道嗎？
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前言
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202305/447182.htm電容相信大家都不陌生，就算沒(méi)有見(jiàn)過(guò)也聽(tīng)過(guò)，在現在的生活中，電容是必不可少的元件之一，大到線(xiàn)路，小到一個(gè)小小的電子主板，特別是單相電機的啟動(dòng)，都無(wú)不需要電容。
所謂電容，就是容納和釋放電荷的電子元器件。電荷在電場(chǎng)中會(huì )受力而移動(dòng)，當導體之間有了介質(zhì)，則阻礙了電荷移動(dòng)而使得電荷累積在導體上；造成電荷的累積儲存，最常見(jiàn)的例子就是兩片平行金屬板。
在兩個(gè)正對的平行金屬板中間夾上一層絕緣物質(zhì)(電介質(zhì))，就構成了最簡(jiǎn)單的電容器，叫平行板電容器，兩個(gè)金屬板叫電容器的極板。任意兩個(gè)彼此絕緣又相隔很近的導體，都可以看成是一個(gè)電容器。
電容的工作原理
電容的工作原理很簡(jiǎn)單，比如家里的自來(lái)水管，供水端經(jīng)過(guò)長(cháng)途跋涉，水量免不了會(huì )時(shí)大時(shí)小。若是直接供給用戶(hù)使用，就會(huì )感覺(jué)到出水時(shí)大時(shí)小。而通常自來(lái)水公司每隔一段距離就會(huì )建一個(gè)水塔。這個(gè)水塔的作用就是儲水，能將不穩定的水源，穩定地送到每家每戶(hù)。
這個(gè)水塔就對應電子學(xué)里面的電容，電容的作用是儲能，可將不穩定的電能，變成穩定的電能后傳送給電路。理想的電容本身并不消耗電能量，它吸收多少能量就會(huì )放出多少電能量。當輸入的電壓波動(dòng)時(shí)，電容才會(huì )產(chǎn)生電流，因為會(huì )進(jìn)行充電或放電，當電壓穩定時(shí)，就不會(huì )產(chǎn)生電流，稱(chēng)之為“隔直流通交流”。
電容的充電
把電容器的兩個(gè)極板和電池的正負極相連，兩個(gè)極板就分別帶上了等量的異種電荷，這個(gè)過(guò)程叫充電，充電過(guò)程中電路中有短暫的充電電流。
充了電的電容,兩極板間就有電場(chǎng)，電勢差U，從電源獲得的電能儲存在電場(chǎng)中，這種能量叫電場(chǎng)能。電容器有儲存電荷和電場(chǎng)能的本領(lǐng)。
電容的放電
把充電后的電容器兩極板接通，兩極板上的電荷中和，電容器不再帶電，這個(gè)過(guò)程叫放電，并有短暫的放電電流。
放電后，兩極板就不再有電場(chǎng)和電勢差，電場(chǎng)能轉化為其它形式的能。
電容器主要參數的標注方法
直標法
電解電容器或體積較大的無(wú)極性電容器：標稱(chēng)容量、額定電壓及允許偏差。
體積較小的無(wú)極性電容器：標稱(chēng)容量、額定電壓及允許偏差。
容量單位：微法(μF)、納法(nF)、皮法(pF)
如：1p2表示1.2pF；1n表示1000pF；10n表示0.01μF；2μ2表示2.2μF。
數碼標注法
數碼標注法一般為三位數碼表示電容器的容量，單位pF 。其中前兩位數碼為電容量的有效數字，第三位為倍乘數，但第三位倍乘數是9時(shí)表示×10 -1。
如：
101表示：10 ×101 = 100pF
102表示：10 ×102 = 1000pF
103表示：10 ×103 = 0.01μF
104表示：10 ×104 = 0.1μF
223表示：10 ×103 = 0.022μF
474表示：10 ×104 = 0.47μF
159表示：10 ×10–1 = 1.5pF
色標法
色標法：在電容器上標注色環(huán)或色點(diǎn)來(lái)表示電容量及允許偏差。
四環(huán)色標法：第一、二環(huán)表示有效數值，第三環(huán)表示倍乘數，第四環(huán)表示允許偏差(普通電容器)。
五環(huán)色標法：第一、二、三環(huán)表示有效數值，第四環(huán)表示倍乘數，第五環(huán)表示允許偏差(精密電容器)。
如：
棕、黑、橙、金 表示其電容量為0.01μF，允許偏差為±5%
棕、黑、黑、紅、棕 表示其電容量為0.01μF，允許偏差為±1%
電容的分類(lèi)
瓷介電容器(CC)
結構：用陶瓷材料作介質(zhì)，在陶瓷表面涂覆一層金屬(銀)薄膜，再經(jīng)高溫燒結后作為電極而成。瓷介電容器又分：1類(lèi)電介質(zhì)(NPO、CCG)；2類(lèi)電介質(zhì)(X7R、2X1)；3類(lèi)電介質(zhì)(Y5V、2F4)瓷介電容器。
滌綸電容器(CL)
結構：滌綸電容器，是用有極性聚脂薄膜為介質(zhì)制成的具有正溫度系數(即溫度升高時(shí)，電容量變大)的無(wú)極性電容。
聚苯乙烯電容器(CB)
結構：有箔式和金屬化式兩種類(lèi)型。常用的型號有CB10、CB11(非密封箔式)、CB14~16(精密型)、CB24、CB25(非密封型金屬化)、CB80(高壓型)、 CB40 (密封型金屬化)等系列。
聚丙烯電容器(CBB)
結構：用無(wú)極性聚丙烯薄膜為介質(zhì)制成的一種負溫度系數無(wú)極性電容。有非密封式(常用有色樹(shù)脂漆封裝)和密封式(用金屬或塑料外殼封裝)兩種類(lèi)型。常用的箔式聚丙烯電容：CBB10、CBB11、CBB60、CBB61等；金屬化式聚丙烯電容：CBB20、CBB21、CBB401等系列。
獨石電容器
結構：獨石電容器是用鈦酸鋇為主的陶瓷材料燒結制成的多層疊片狀超小型電容器。常用的有CT4 (低頻) 、CT42(低頻)、CC4(高頻)、CC42(高頻)等系列。
云母電容器(CY)
結構：云母電容器是采用云母作為介質(zhì)，在云母表面噴一層金屬膜(銀)作為電極，按需要的容量疊片后經(jīng)浸漬壓塑在膠木殼(或陶瓷、塑料外殼)內構成。常用的有CY、CYZ、CYRX等系列。
紙介電容器(CZ)
結構：紙介電容器是用較薄的電容器專(zhuān)用紙作為介質(zhì)，用鋁箔或鉛箔作為電極，經(jīng)卷饒成型、浸漬后封裝而成。常見(jiàn)有CZ11、CZ30、CZ31、CZ32、CZ40、CZ80等系列。
金屬化紙介電容器(CJ)
結構：金屬化紙介電容器采用真空蒸發(fā)技術(shù)，在涂有漆膜的紙上再蒸鍍一層金屬膜作為電極而成。常見(jiàn)有CJ10、CJ11等系列。
鋁電解電容器(CD)
結構：有極性鋁電解電容器是將附有氧化膜的鋁箔(正極)和浸有電解液的襯墊紙，與陰極(負極)箔疊片一起卷繞而成。外型封裝有管式、立式。并在鋁殼外有藍色或黑色塑料套。
鉭電解電容器(CA)
結構：有兩種形式：1. 箔式鉭電解電容器，內部采用卷繞芯子，負極為液體電解質(zhì)，介質(zhì)為氧化鉭。型號有CA30、CA31、CA35、CAk35等系列。2. 鉭粉燒結式，陽(yáng)極(正極)用顆粒很細的鉭粉壓塊后燒結而成。封裝形式有多種。
聚合物鉭電容器
與大多數電容技術(shù)不同，固體聚合物鉭電容器不使用陰陽(yáng)極片。陽(yáng)極由鉭粉燒結成的鉭顆粒制成。這種顆粒經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化處理，整個(gè)陽(yáng)極表面形成五氧化二鉭(Ta2O5)介質(zhì)層。然后，用高導電聚合物浸漬氧化顆粒用作陰極。
經(jīng)過(guò)處理，導電聚合物層涂覆石墨，然后涂覆一層金屬銀，在電容芯與外部電極(引線(xiàn)框或其他電極)之間形成導電面。
模塑片式聚合物鉭電容器元件封裝在塑料樹(shù)脂中，如環(huán)氧樹(shù)脂材料。選擇的模塑化合物符合 UL 94 V-0 耐火等級和 ASTM E-595 脫氣要求。組裝后，對電容器進(jìn)行測試和檢查，確保長(cháng)期壽命和可靠性。
模塑聚合物剖面示意圖
云母微調電容器(CY)
結構：云母微調電容器由定片和動(dòng)片構成，定片為固定金屬片,其表面貼有一層云母薄片作為介質(zhì)，動(dòng)片為具有彈性的銅片或鋁片，通過(guò)調節動(dòng)片上的螺釘調節動(dòng)片與定片之間的距離，來(lái)改變電容量。云母微調電容器有單微調和雙微調之分。
瓷介微調電容器(CC)
結構：瓷介微調電容器是用陶瓷作為介質(zhì)。在動(dòng)片(瓷片)與定片(瓷片)上均鍍有半圓形的銀層，通過(guò)旋轉動(dòng)片改變兩銀片之間的相對位置，即可改變電容量的大小。
薄膜微調電容器
結構：薄膜微調電容器是用有機塑料薄膜作為介質(zhì)，即在動(dòng)片與定片(動(dòng)、定片均為半圓形金屬片)之間加上有機塑料薄膜，調節動(dòng)片上的螺釘，使動(dòng)片旋轉，即可改變容量。薄膜微調電容器一般分為雙微調和四微調。有的密封雙連或密封四連可變電容器上自帶薄膜微調電容器，將微調電容器安裝在外殼頂部，使用和調整就更方便了。
空氣可變電容器(CB)
結構：電極由兩組金屬片組成。一組為定片，一組為動(dòng)片，動(dòng)片與定片之間以空氣作為介質(zhì)。當轉動(dòng)動(dòng)片使之全部旋進(jìn)定片時(shí)，其電容量最大，反之，將動(dòng)片全部旋出定片時(shí)，電容量最小。空氣可變電容器有單連和雙連之分。
薄膜可變電容器
結構：薄膜可變電容器是在其動(dòng)片與定片之間加上塑料薄膜作為介質(zhì)，外殼為透明或半透明塑料封裝，因此也稱(chēng)密封單連或密封雙連和密封四連可變電容器。
電容的作用和用途
電容的作用和用途有很多種，如：在旁路、去耦、濾波、儲能方面的作用；在完成振蕩、同步以及時(shí)間常數的作用……下面來(lái)詳細分析一下：
隔直流：作用是阻止直流通過(guò)而讓交流通過(guò)。
旁路（去耦）：為交流電路中某些并聯(lián)的元件提供低阻抗通路。
旁路電容：旁路電容，又稱(chēng)為退耦電容，是為某個(gè)器件提供能量的儲能器件。
它利用了電容的頻率阻抗特性，理想電容的頻率特性隨頻率的升高，阻抗降低，就像一個(gè)水塘，它能使輸出電壓輸出均勻，降低負載電壓波動(dòng)。
旁路電容要盡量靠近負載器件的供電電源管腳和地管腳，這是阻抗要求。
在畫(huà)PCB時(shí)候特別要注意，只有靠近某個(gè)元器件時(shí)候才能抑制電壓或其他輸信號因過(guò)大而導致的地電位抬高和噪聲。
說(shuō)白了就是把直流電源中的交流分量，通過(guò)電容耦合到電源地中，起到了凈化直流電源的作用。如圖C1為旁路電容，畫(huà)圖時(shí)候要盡量靠近IC1。
圖C1
去耦電容：去耦電容，是把輸出信號的干擾作為濾除對象，去耦電容相當于電池，利用其充放電，使得放大后的信號不會(huì )因電流的突變而受干擾。
它的容量根據信號的頻率、抑制波紋程度而定，去耦電容就是起到一個(gè)“電池”的作用，滿(mǎn)足驅動(dòng)電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾。
旁路電容實(shí)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(kāi)關(guān)噪聲提高一條低阻抗泄放途徑。
高頻旁路電容一般比較小，根據諧振頻率一般取0.1F/0.01F等。
而去耦合電容的容量一般較大，可能是10F或者更大，依據電路中分布參數、以及驅動(dòng)電流的變化大小來(lái)確定。如圖C3為去耦電容
圖C3
它們的區別：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。
耦合：作為兩個(gè)電路之間的連接，允許交流信號通過(guò)并傳輸到下一級電路 。
用電容做耦合的元件，是為了將前級信號傳遞到后一級，并且隔斷前一級的直流對后一級的影響，使電路調試簡(jiǎn)單，性能穩定。
如果不加電容交流信號放大不會(huì )改變，只是各級工作點(diǎn)需重新設計，由于前后級影響，調試工作點(diǎn)非常困難，在多級時(shí)幾乎無(wú)法實(shí)現。
濾波：這個(gè)對電路而言很重要，CPU背后的電容基本都是這個(gè)作用。
即頻率f越大，電容的阻抗Z越小。當低頻時(shí)，電容C由于阻抗Z比較大，有用信號可以順利通過(guò)；當高頻時(shí)，電容C由于阻抗Z已經(jīng)很小了，相當于把高頻噪聲短路到GND上去了。
濾波作用：理想電容，電容越大，阻抗越小，通過(guò)的頻率也越高。
電解電容一般都是超過(guò)1uF ，其中的電感成分很大，因此頻率高后反而阻抗會(huì )大。
我們經(jīng)?？匆?jiàn)有時(shí)會(huì )看到有一個(gè)電容量較大電解電容并聯(lián)了一個(gè)小電容，其實(shí)大的電容通低頻，小電容通高頻，這樣才能充分濾除高低頻。
電容頻率越高時(shí)候則衰減越大，電容像一個(gè)水塘，幾滴水不足以引起它的很大變化，也就是說(shuō)電壓波動(dòng)不是你很大時(shí)候電壓可以緩沖，如圖C2：
圖C2
溫度補償：針對其它元件對溫度的適應性不夠帶來(lái)的影響，而進(jìn)行補償，改善電路的穩定性。
分析：由于定時(shí)電容的容量決定了行振蕩器的振蕩頻率，所以要求定時(shí)電容的容量非常穩定，不隨環(huán)境濕度變化而變化，這樣才能使行振蕩器的振蕩頻率穩定。因此采用正、負溫度系數的電容并聯(lián)，進(jìn)行溫度互補。
當工作溫度升高時(shí)，Cl的容量在增大，而C2的容量在減小，兩只電容并聯(lián)后的總容量為兩只電容容量之和，由于一個(gè)容量在增大而另一個(gè)在減小，所以總容量基本不變。
同理，在溫度降低時(shí)，一個(gè)電容的容量在減小而另一個(gè)在增大，總的容量基本不變，穩定了振蕩頻率，實(shí)現溫度補償目的。
計時(shí)：電容器與電阻器配合使用，確定電路的時(shí)間常數。
輸入信號由低向高跳變時(shí)，經(jīng)過(guò)緩沖1后輸入RC電路。
電容充電的特性使B點(diǎn)的信號并不會(huì )跟隨輸入信號立即跳變，而是有一個(gè)逐漸變大的過(guò)程。
當變大到一定程度時(shí)，緩沖2翻轉，在輸出端得到了一個(gè)延遲的由低向高的跳變。
時(shí)間常數：以常見(jiàn)的RC串聯(lián)構成積分電路為例，當輸入信號電壓加在輸入端時(shí)，電容上的電壓逐漸上升。
調諧：對與頻率相關(guān)的電路進(jìn)行系統調諧，比如手機、收音機、電視機。
變容二極管的調諧電路
因為lc調諧的振蕩電路的諧振頻率是lc的函數，我們發(fā)現振蕩電路的最大與最小諧振頻率之比隨著(zhù)電容比的平方根變化。
此處電容比是指反偏電壓最小時(shí)的電容與反偏電壓最大時(shí)的電容之比。
因而，電路的調諧特征曲線(xiàn)（偏壓一諧振頻率）基本上是一條拋物線(xiàn)。
整流：在預定的時(shí)間開(kāi)或者關(guān)半閉導體開(kāi)關(guān)元件。
儲能：儲存電能，用于必要的時(shí)候釋放。
例如相機閃光燈，加熱設備等等。
一般地，電解電容都會(huì )有儲能的作用，對于專(zhuān)門(mén)的儲能作用的電容，電容儲能的機理為雙電層電容以及法拉第電容。
其主要形式為超級電容儲能，其中超級電容器是利用雙電層原理的電容器。
當外加電壓加到超級電容器的兩個(gè)極板上時(shí)，與普通電容器一樣，極板的正電極存儲正電荷，負極板存儲負電荷。
在超級電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內電場(chǎng)。
這種正電荷與負電荷在兩個(gè)不同相之間的接觸面上，以正負電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個(gè)電荷分布層叫做雙電層，因此電容量非常大。
電容爆炸
當電容施加的電壓超過(guò)其耐壓時(shí)，或者對于有極性電解電容電壓極性加反時(shí)，都會(huì )引起電容漏電流急劇上升，造成電容內部熱量增加，電解液會(huì )產(chǎn)生大量的氣體。
為了防止電容爆炸，在電容外殼的頂部壓制有三條凹槽，這樣便于電容頂部在高壓下率先破裂，釋放內部的壓力。
電解電容頂部的爆破槽
但是，有的電容在制作過(guò)程中，頂部的凹槽壓制不合格，電容內部的壓力會(huì )使得電容底部的密封橡膠被彈出，此時(shí)電容內部的壓力突然釋放，就會(huì )形成爆炸。
無(wú)極性電解電容爆炸
下圖顯示了手邊一顆無(wú)極性電解電容，它的容量為1000uF，耐壓16V。在施加電壓超過(guò)18V之后，漏電流突然增加，電容內部的溫度和壓力增加。最終，電容底部的橡膠密封圈炸開(kāi)，內部電極像爆米花一下被砸松散。
無(wú)極性電解電容過(guò)壓爆破
通過(guò)在電容上捆綁一個(gè)熱電偶，可以測量電容的溫度隨著(zhù)施加的電壓增加變化的過(guò)程。下圖顯示了無(wú)極性電容在電壓增加過(guò)程中，當施加的電壓超過(guò)耐壓值，內部溫度繼續增高的過(guò)程。
電壓與溫度之間的關(guān)系
下圖顯示了在同樣的過(guò)程中，流過(guò)電容的電流變化?？梢钥吹?，電流的增加是造成內部溫度上升的主要原因。在這個(gè)過(guò)程中，電壓是成線(xiàn)性增加，隨著(zhù)電流急劇升高，供電電源內組使得電壓下降。最終，當電流超過(guò)6A之后，隨著(zhù)一聲巨響，電容炸開(kāi)。
電壓與電流之間的關(guān)系
由于無(wú)極性的電解電容內部體積大，電解液多，所以在過(guò)流之后所產(chǎn)生的壓力巨大，導致了外殼頂部的泄壓槽沒(méi)有破裂，而電容底部的密封橡膠被炸開(kāi)了。
極性電解電容爆炸
對于有極性的電解電容，施加電壓。當電壓超過(guò)電容的耐壓時(shí)，漏電電流也會(huì )急劇上升，造成電容過(guò)熱爆炸。
下圖顯示了有極限的電解電容，它的容量為1000uF，耐壓16V。在過(guò)壓之后，通過(guò)頂部泄壓槽釋放內部氣壓過(guò)程，因此就避免了電容爆炸過(guò)程。
極性電解電容過(guò)壓爆破
下圖顯示了電容的溫度隨著(zhù)施加電壓的增加變化的情況，當電壓逐步接近電容的耐壓后，電容的留點(diǎn)電流增加，內部的溫度繼續上升。
電壓與溫度之間的關(guān)系
下圖是電容的漏電電流變化情況，標稱(chēng)為16V耐壓的電解電容，在測試過(guò)程中，當電壓超過(guò)15V之后，電容的漏電便開(kāi)始急劇上升了。
電壓與電流之間的關(guān)系
通過(guò)前面兩個(gè)電解電容的實(shí)驗過(guò)程遭遇，也可以看到對于此類(lèi)1000uF普通電解電容耐壓限制情況。為了避免電容被高壓擊穿，因此在使用電解電容的時(shí)候，需要根據實(shí)際電壓波動(dòng)情況，留下足夠的余量。
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