电容器应用

电容器在电子和电气系统中有很多用途。它们无处不在，以至于很少有电气产品出于某种目的不包括至少一个。

当电容器连接到其充电电路时，它可以存储电能。当它与充电电路断开连接时，它可以消耗储存的能量，因此它可以像临时电池一样使用。电容器通常用于电子设备中，以在更换电池时保持供电。（这可以防止易失性存储器中的信息丢失。）传统的静电电容器提供的能量密度低于360焦耳/千克，而使用开发技术的电容器可提供超过2.52焦耳/千克的能量密度。在汽车音响系统中，大型电容器存储能量供放大器按需使用。不间断电源(UPS)可配备免维护电容器以延长使用寿命。

大型、特殊构造的低电感高压电容器组（电容器组）用于为许多脉冲电源应用提供巨大的电流脉冲。这些包括电磁成形、Marx发生器、脉冲激光器（尤其是TEA激光器）、脉冲成形网络、聚变研究和粒子加速器。大型电容器组（水库）用作核武器和其他特种武器中的爆炸桥线雷管或拍板雷管的能源。使用电容器组作为电磁装甲和电磁轨道炮或线圈炮的电源的实验工作正在进行中。

储能电容器用于电源中，用于平滑全波或半波整流器的输出。它们还可以在电荷泵电路中用作能量存储元件，以产生比输入电压更高的电压。电容器与大多数电子设备的直流电源电路并联，以平滑信号或控制电路的电流波动。例如，音频设备以这种方式使用多个电容器，以在电源线嗡嗡声进入信号电路之前将其分流。电容器充当直流电源的本地储备，并绕过电源的交流电流。这在汽车音响应用中使用，当一个加强电容器补偿铅酸汽车电池引线的电感和电阻时。

在配电中，电容器用于功率因数校正。这种电容器通常以三个电容器的形式连接为三相电气负载。通常，这些电容器的值不是以法拉为单位给出，而是以无功功率的形式给出，单位为无功伏安(VAr)。目的是抵消感应电机、电动机和传输线等设备的感应负载，使负载看起来主要是电阻性的。单个电机或灯负载可能具有用于功率因数校正的电容器，或者可以在建筑物内的负载中心或大型公用变电站中安装更大的电容器组（通常带有自动开关装置）。在高压直流输电系统中，

用于抑制不良频率的电容器有时称为滤波电容器。它们在电气和电子设备中很常见，涵盖了许多应用，例如：

• 直流(DC)电源轨上的毛刺消除
• 信号线或电源线进出设备的射频干扰(RFI)消除
• 在稳压器之后使用电容器，以进一步平滑直流电源
• 用于音频、中频(IF)或射频(RF)滤波器（例如低通、高通、陷波等）的电容器
• 电弧抑制，例如通过触点断路器或火花点火发动机中的“点”

因为电容器通过交流但阻挡直流信号（当充电到施加的直流电压时），它们通常用于分离信号的交流和直流分量。这种方法称为交流耦合或电容耦合。这里，采用大电容值，其值无需精确控制，但在信号频率下其电抗小。

去耦电容器是用于将电路的一部分与另一部分去耦的电容器。由其他电路元件引起的噪声通过电容器分流，减少了它们对电路其余部分的影响。它最常用于电源和地之间。对于更高的频率，另一个名称是旁路电容器，因为它用于绕过电源或电路的其他高阻抗组件。

高通滤波器（HPF）是一种电子滤波器，它使频率高于某个截止频率的信号通过，并衰减频率低于截止频率的信号。每个频率的衰减量取决于滤波器设计。高通滤波器通常被建模为线性时不变系统。它有时被称为低切滤波器或低音切滤波器。[1]高通滤波器有许多用途，例如阻止对非零平均电压或射频设备敏感的电路中的直流电。它们也可以与低通滤波器一起使用以产生带通滤波器。低通滤波器(LPF)是使频率低于选定截止频率的信号通过并衰减频率高于截止频率的信号的滤波器。滤波器的准确频率响应取决于滤波器设计。该滤波器在音频应用中有时被称为高切滤波器或高音切滤波器。低通滤波器是高通滤波器的补充。

当电感电路打开时，通过电感的电流会迅速崩溃，从而在开关或继电器的开路两端产生很大的电压。如果电感足够大，能量会产生电火花，导致触点氧化、变质，有时甚至熔接在一起，或者破坏固态开关。新打开的电路上的缓冲电容器为该脉冲创造了绕过接触点的路径，从而保持其寿命；例如，这些常见于接触断路器点火系统中。同样，在较小规模的电路中，火花可能不足以损坏开关，但仍会辐射出不需要的射频干扰(RFI)，滤波电容器会吸收该干扰。缓冲电容器通常与串联的低值电阻器一起使用，以耗散能量并最小化RFI。这种电阻-电容组合可在单个封装中获得。电容器还与高压断路器的中断单元并联使用，以便在这些单元之间平均分配电压。在这种情况下，它们被称为分级电容器。在原理图中，主要用于直流电荷存储的电容器通常在电路图中垂直绘制，较低、更负的极板绘制为弧线。直板表示设备的正极端子，如果它是极化的（见电解电容器）。

陶瓷圆盘电容器通常用于低压电机的缓冲电路中，因为其电感低、成本低。

通常需要低ESR（等效串联电阻）电解液来处理高纹波电流。

电源滤波电容器通常是封装的缠绕塑料薄膜类型，因为它们以低成本提供高额定电压，并且可以自愈和可熔。电源滤波电容器通常是陶瓷RFI/EMI抑制电容器。电源滤波的附加安全要求是：

• 线到中性线电容器是阻燃的，在欧洲需要使用X类电介质。
• 线或零线对地：必须是阻燃的；此外，电介质必须是自愈和可熔的。在欧洲，这些是Y类电容器。

由于容量大、成本低、尺寸小，通常使用电解电容器。较小的非电解液可以与这些并联，以补偿电解液在高频下的不良性能。计算机使用大量滤波电容器，这使得尺寸成为一个重要因素。固体钽和湿钽电容器在一些体积效率最高的封装中提供了一些最佳的CV（电容/电压）性能。高电流和低电压也使低等效串联电阻(ESR)很重要。固态钽电容器提供低ESR版本，通常可以满足ESR要求，但它们并不是所有电容器中ESR最低的选项。固体钽还有一个额外的问题，必须在设计阶段加以解决。固体钽电容器在所有应用中都必须降压。建议使用50%的电压降额，并被普遍接受为行业标准；例如，一个50V的固态钽电容决不能暴露在25V以上的实际应用电压下。如果采取适当的措施并仔细遵循所有设计指南，固态钽电容器是非常可靠的组件。不幸的是，固态钽电容器的故障机制是短路，这将导致PCB上的剧烈燃烧和冒烟，从而损坏附近的其他组件并完全破坏电容器。幸运的是，大多数固态钽电容器的故障都会立即发生并且非常明显。一旦投入应用，固态钽电容器的性能将随着时间的推移而提高，并且由于组件错误制造而导致故障的可能性会降低。湿钽是一种电解电容器，使用密封在密封封装中的电解材料中的钽颗粒。这种类型的钽电容器不需要与固体钽相同的降额，并且其故障机制是开放的。在85C至125C工作时，建议湿钽采用10%至20%的电压降额曲线。湿钽通常不仅仅被称为“电解”，因为通常“电解”是指铝电解。

在单相鼠笼式电机中，电机外壳内的初级绕组不能在转子上启动旋转运动，但能够维持旋转运动。为了启动电机，次级绕组与非极化启动电容器串联使用，以在通过启动绕组的正弦电流中引入滞后。当次级绕组相对于初级绕组倾斜放置时，会产生旋转电场。旋转场的力不是恒定的，但足以启动转子旋转。当转子接近运行速度时，离心开关（或与主绕组串联的电流敏感继电器）断开电容器。启动电容器通常安装在电机外壳的侧面。这些被称为电容启动电机，还有电容器运行的感应电动机，它们具有与第二绕组串联的永​​久连接的移相电容器。电机很像两相感应电机。电机启动电容器通常是非极化电解类型，而运行电容器是传统的纸或塑料薄膜电介质类型。

存储在电容器中的能量可用于表示信息，可以是二进制形式，如在DRAM中，也可以是模拟形式，如模拟采样滤波器和电荷耦合器件CCD。电容器可以在模拟电路中用作积分器或更复杂的滤波器的组件，也可以用于负反馈环路稳定。信号处理电路也使用电容器来整合电流信号。

电容器和电感器一起应用在调谐电路中以选择特定频带中的信息。例如，无线电接收器依靠可变电容器来调谐电台频率。扬声器使用无源模拟分频器，模拟均衡器使用电容器来选择不同的音频频段。

大多数电容器旨在保持固定的物理结构。但是，各种因素都会改变电容器的结构；由此产生的电容变化可用于感测这些因素。

改变电介质特性的影响也可用于传感和测量。具有暴露和多孔电介质的电容器可用于测量空气中的湿度。电容器用于准确测量飞机中的燃油液位；随着燃料覆盖更多的一对板，电路电容增加。

带有柔性板的电容器可用于测量应变或压力或重量。用于过程控制的工业压力变送器使用压力传感膜片，该膜片形成振荡器电路的电容器板。电容器用作电容式麦克风中的传感器，其中一个板通过气压相对于另一板的固定位置移动。一些加速度计使用蚀刻在芯片上的微机电系统(MEMS)电容器来测量加速度矢量的大小和方向。它们用于检测加速度的变化，例如作为倾斜传感器或检测自由落体，作为触发安全气囊展开的传感器，以及在许多其他应用中。一些指纹传感器使用电容器。

电容式触摸开关现在用于许多消费电子产品。

电容器可以在振荡器电路中具有类似弹簧的特性。在图像示例中，电容器的作用是影响npn晶体管基极的偏置电压。分压电阻的电阻值和电容器的电容值共同控制振荡频率。

在从电路中移除电源后，电容器可能会长时间保留电荷；这种充电可能会导致危险甚至可能致命的电击或损坏连接的设备。例如，即使是看似无害的设备（例如由1.5伏AA电池供电的一次性相机闪光灯装置）也包含一个可充电至300伏以上的电容器。这很容易产生冲击。电子设备的服务程序通常包括对大型或高压电容器放电的说明。电容器还可能具有内置放电电阻器，可在断电后几秒钟内将存储的能量消散到安全水平。高压电容器在端子短接的情况下存储，以防止由于介电吸收而产生的潜在危险电压。一些旧的大型充油电容器含有多氯联苯(PCB)。众所周知，废弃的多氯联苯会泄漏到垃圾填埋场下的地下水中。含有PCB的电容器被标记为含有Askarel和其他几个商品名称。在非常古老的（1975年之前）荧光灯镇流器和其他应用中可以找到填充PCB的电容器。当承受超出其额定值的电压或电流时，或者当它们达到正常使用寿命时，高压电容器可能会发生灾难性故障。电介质或金属互连故障可能会产生电弧，使电介质流体蒸发，从而导致外壳膨胀、破裂甚至爆炸。用于射频或持续大电流应用的电容器可能会过热，尤其是在电容器卷的中心。当一个电容器短路时，高能电容器组中使用的电容器可能会剧烈爆炸，导致存储在该组其余部分中的能量突然倾倒到故障单元中。即使在正常运行期间，高压真空电容器也会产生软X射线。适当的遏制、熔断和预防性维护有助于将这些危险降至最低。高压电容器可以受益于预充电，以限制高压直流(HVDC)电路上电时的浪涌电流。这将延长组件的使用寿命，并可能减轻高压危害。