电容器的性能与设计

电容器的性能与设计

夏云发编

电子材料与器件教研室

目录

第一章电热器的电容量及其计算

1—1有关电容器的几个问题 (1)

1—2电容器电容量的计算 (6)

1—3电容器的容量频率特性和有效电容器 (17)

1—4电容器的容量与温度的关系 (23)

第二章电容器的电感

2—1 电容器中的电感 (31)

2—2电容器电感的近似计算 (33)

2—3降低电容器电感与改善其阻抗频率特性 (41)

2—4电容器电感的测量 (45)

第三章电容器的绝缘电阻和吸收系数

3—1电容器绝缘性能的量度 (48)

3—2影响电容器绝缘电阻的外界因素 (52)

3—3电容器的吸收系数K a (56)

第四章电容器的损耗及其有关计算

4—1表征电容器能量损耗的参数 (60)

4—2电容器介质部分的损耗 (66)

4—3电容器金属部门的损耗 (69)

4—4电容器的tg8 与外界因素的关系 (80)

第五章电容器的发热计算

5—1电容器反热计算的目的之一----温升 (84)

5—2几种典型结构电容器的热计算 (86)

5—3散热系数αt (94)

5—4电容器的热击穿 (101)

第六章电容器的介电强度及其有关计算

6—1电容器的介电强度 (107)

6—2电容器的电击穿与不均匀现象的关系 (111)

6—3电容器在长期电压作用下的电老化击穿 (120)

第七章电容器的比率特征（体积效率）

7—1低压电容器的比率特征 (127)

7—2高压电容器的比率特征 (131)

7—3大功率电容器的比率特征 (133)

第八章电容器和安装技术的新进展

8—1电子元件的片式化与表面组装技术（SMT） (136)

8—2发展中的片式电容器 (146)

8—3通用电容器的新结构与新工艺 (155)

第九章电容器的设计计算

9—1电容器设计计算的一般过程 (161)

9—2电容器设计计算实例 (170)

第一章 电容器的电容量及其计算

内容提要

本章分析了电容器的系列值。在复习平板形、管形电容器芯子电容器计算的基础上，又介绍了常见的罐形，卷绕形芯子以及电容器芯子容量的计算方法；电容器道理的稳定性也是本章讨论的重要问题。在分析了材料和结构工艺对容量的影响后，引进了有效电容量的概念，并提出了见效电容量温度系数的方法。

§1—1 有关电容器的几个问题

我们知道一个孤立带电q 的导体与其相应电势u 的比值，是一个与孤立导体的q 、u 无关，仅与其尺寸和形状有关的物理量，用符号C 表示，称为孤立导体的电容

（1—1）

在国际单位制中，电容的单位为法拉（F ），如果导体所带的电量为1库仑，相应的电势为1伏特时，这导体的电容即为1法拉，法拉这个单位太大，常用微法（μF ）或皮法（PF ）

较小的单位

1uF ＝10-6F

1PF ＝10-12F

在导体周围有其它导体存在时，则导体的电势不仅与它自身所带电量有关，还取决于其它导体的位量和形状，所谓的孤立导体，实际上是不存在的。要想消除其它导体的影响，我们可采用静电屏蔽原理，设计一种导体组合，电容器就是这样的导体组合。所谓电容器就是中间夹有电介质的两块导体数（通常为金属板）组成的元件。当两极板分别带有等值异号电荷q 时，若两板间的电位差为n ，则两者的比值就称为电容器的电容量，1—1式仍然适用。孤立导体仍可看成为是电容器，但另一导体在无限远处，且电位为零。

由上可知：电容C ，是一个表征带电导体的重要物理量。其数值不仅与两极板的尺寸形状有关，还与极板间的电介质性质有关；在过程技术中根据“方便使用，有利生产，简化品种规格“的原则，生产电容器厂家（国内、国际）产品的容量，必须遵守“固定式电容器标称容量系列”。实质上还是一科学合理的优选系列。

1-1-1 电容器额定标称电容器与允许偏差等级

每一个电容器上，都标有所设计的电容量，此容量称为标称电容量。它与实际电容量之间有一定的差别，称为容量偏差如在允许的范围内就称为允许偏差。电容量只能做到一定容量的允许偏差。其使用者对容量的要求，也常常是和一定的允许误差一起提出来。为了满足使用者对容量的要求电容量的标称容量，必须按照与实际容量具有某种偏差的一系列值，进行标志。这就是通常所说的“固定式电容器标称容量系列”。

我国采用的固定式电容器标称容量系列是按E24、E12、E6三个系列所计算出来的数值经过修正面得到的一系列优选数值所组成。它们分别对应的允许偏差+5%（Ⅰ级）、+10%（Ⅱ级）、+20%（Ⅲ级）的规格。

三个系列内的数值是按下式计算并经过必要的修正面得，即

E24系列: χ = 2410n = g -1

24

n 式中：n = 1 ， 2，…24。 E12系列: χ = 1210n = g -112

n 式中：n = 1 ， 2，…12。 E6系列: χ = 610n = g -16n 式中：n = 1 ， 2，…6。 上面三个系列的标称值和允许偏差还可按下面方式排列起来

u

q

=C

E6系列+20% E12

系列+10%

E24系列+5%

这三个系列值的特点是，系列中某一数值的正误差极限差不多恰好与下一个数值的负担误差极限衔接起来（实际上略有重迭或间隙）。这就是采用本系列值的根本原因。在表1-1中，我们列出了E6系列值，和其各值相对应的上、下极限值，可以看出它们是连续的，也就是从1.0～10之间的任一电容量值都可以找到某一对应的标称容量。

表1—1 E6系列值及其上、下极限值（+20%）

允许偏差＋10％的E12系列容量标称值由1.0，1.2，1.5，1.8……10组成。允许偏差＋5％的E24系列容量标称值由1.0，1.1，1.2，1.3，1.5……10构成。当标称容量<1或>10时，则系列值再乘10n ，n 为负或正整数，就得到容量范围更宽的标称容量数值。

根据各类电容器的性能和使用要求。I 型瓷介、高频有机薄膜、云母、玻璃 等电容器的标称容量系列最齐全，即采用E24、E12、E6三个系列。

纸介（含金属化低介）、低膜复合、极性有机薄膜电容器的标称容量当C<1uF 时采用E6系列值及相应的允许误差，入有需要，可补充一部分E12系列值。C>1 uF 时，另有规定。

但要注意，有几种类型产品的允许偏差，并不复合上面的要求。电解电容量的标称容量符合E6系列值。而正允许偏差在＋30～50％范围，而负允许偏差要求严格一些，一般允许在－10～20％以内。I 型瓷介电容器，由于使用铁电性能的介质，介电系数差别很大，标称容量的容许偏差，也另有规定。

精密电容器标称容量值在E24系列不能满足时，可以采用精密电容器标称容量系列及其允许偏差系列。

1-1-2 介质的介电常数与电容量的关系

如图1-1a 所示，在两极间为真空的平板电容器上施加一电压U ，此时极板上聚集电荷Q 0，电容器的电容量C 0= Q 0/U 。其数值可以通过极板面积大小和极间距离进行计算。

E6系列值

1.0 1.5

2.2

3.3

4.7 6.8 下限值 0.8 1.2 2.64 3.76

5.44 上限值 1.2 1.8 2.64 3.96 5.64 8.16