电工技术应用 项目4 电容器的认识与检测

宁乡市职业中专学校精品系列课程《电工技术应用》项目4：电容器的认识与检测主讲：肖义军电容器是电路的基本元件，在电子技术中，常用于滤波、移相、耦合和选频；在电力系统中，可用于电动机的起动与运行、电力系统功率因数的提高。本项目以电容器的认识与检测为目标，重点介绍电容器的基本结构和特性、连接方式和测量方法。4.1项目描述4.2知识准备4.2.1电容器与电容任务导引观察图4－1所示几种常用电容器实物。电容体上标注的文字符号含义是什么？电解电容器为什么是圆柱状？电容器的图形符号是怎样的呢？4.2知识准备4.2.1电容器与电容一、电容器基本概念任何两个彼此绝缘而又互相靠近的导体，都可以看作一个电容器，两个导体就是电容器的两个电极，中间的绝缘物质称为电介质。电容器最基本的特性是能够储存电荷。使电容器带电的过程叫充电，把电容器的两极分别与直流电源的正、负极相接后，与电源正极相接的极板上带正电荷，与电源负极相接的极板带等量的负电荷，此时，电容器储存了能量，极板间建立了电场，两极间存在电压。使充电后的电容器失去电荷的过程叫放电，用一根导线把电容器的两个电极接通，两极上的电荷就互相中和，电容器就不带电了，极板间电场消失，两极间无电压。4.2知识准备4.2.1电容器与电容一、电容器电容器符号电容器在电路图中一般用字母C表示，图形符号如图所示，其中(a）为有极性电容器符号，(b)为无极性电容器符号，(c)为可变电容器符号。4.2知识准备4.2.1电容器与电容二、电容电容器极板上所储存的电荷随着外接电源电压的增高而增加。对某一个电容器而言，其中任意一个极板所储存的电荷量，与两个极板间电压的比值是一个常数，但是对于不同的电容器，这一比值则不相同。因此，常用这一比值来表示电容器储存电荷的本领。如果电容器两极板间的电压是U时，电容器任一极板所带电荷量是Q，那么Q与U的比值叫电容器的电容量，简称电容，用字母C表示，即式中Q表示一个极板上的电荷量，单位是C（库仑）；U表示两极板间的电压，单位是V（伏特）；C表示电容，单位是F（法拉）。4.2知识准备4.2.1电容器与电容二、电容如果在电容器两极板间加1V电压，每个极板所储存的电荷量为1C，则其电容就为1F。在实际应用中，法拉的单位太大，常用较小的单位有微法(μF)和皮法(pF)，它们之间的换算关系是4.2知识准备4.2.1电容器与电容三、平行板电容器的电容做中学、做中教用数字万用表电容挡检测平行板电容器的电容，调节电容器调节旋钮，观察数字万用表显示的数值与平行板极板正对面积大小的关系。4.2知识准备4.2.1电容器与电容三、平行板电容器的电容做中学、做中教根据上述实践，发现平行板电容器正对面积变大，电容量变大；面积变小，电容量变小。理论和实验证明，平行板电容器的电容量与极板正对面积及电介质常数成正比，与两极板间的距离成反比，即式中，S表示两极板正对的面积，单位为m2；d表示两极板间的距离，单位为m；ε表示电介质的介电常数，单位为F/m；算出的电容单位为F。4.2知识准备4.2.1电容器与电容三、平行板电容器的电容不同电介质的介电常数是不同的，真空中的介电常数用ε0表示，ε0≈8.86×10－12F/m。某种介质的介电常数ε与ε0之比，称为该介质的相对介电常数，用εr表示，即εr＝ε/ε0。常用电介质的相对介电常数见表4.2知识准备4.2.1电容器与电容三、平行板电容器的电容电容是电容器的固有特性，只与两极板的正对面积、极板间距离和极板间的绝缘材料变化有关，与外界条件变化、电容器是否带电或带电多少无关。为了减小体积，铝电解电容器将电解质卷起来做成圆柱状，因此，我们平时看到的电解电容器外形为圆柱状。应当指出，并不是电容器才有电容，实际上任何两个导体之间都存在电容。例如，电力电缆，每根导线之间都被橡胶隔开，存在电容；安装中如果用摇表进行了检测，必须进行放电再操作，否则将导致触电。4.2知识准备4.2.1电容器与电容【例4－1】有一真空电容器，其电容是10μF，将其极板距离增大一倍，并在极板间充满云母，求云母电容器的容量为多少？解：查表4－1，云母的介电常数εr＝7真空电容器的电容云母电容器的电容4.2知识准备4.2.2电容器的连接任务导引在检修某洗衣机时，发现电动机起动电容器损坏，原电容器为10μF/450V,现手边有5μF/450V和20μF/450V电容器若干，如何利用现有电容器科学连接进行解决呢？4.2知识准备4.2.2电容器的连接一、电容器的串联做中学、做中教用数字万用表电容挡对10μF/450V、2.5μF/450V的电容器的容量分单独和串联三次进行测量，分析三次测量结果之间的关系？按图4－3所示连接电路，闭合开关，读出各电压表读数，分析三个电压读数之间的关系。4.2知识准备4.2.2电容器的连接一、电容器的串联将两个或两个以上的电容器，连接成一个无分支电路的连接方式叫电容器的串联。每个电容器的极板上充有等量异种电荷，所以，电容器串联后等效电容器上所带的电量与各电容所带电量相等，即：Q=Q1=Q2。特点总电压等于各电容器电压之和，即：U=U1=U2。4.2知识准备4.2.2电容器的连接一、电容器的串联电容器串联后，相当于增大了极板间的距离，因此，总电容小于每一个电容容量。但电容器串联后，总电容电压等于各电容电压之和，因此，电容器串联后耐压增大了。常用于提高电容器耐压的场合。结论电容器串联后的总电容的倒数等于各个分电容的倒数之和。4.2知识准备4.2.2电容器的连接【例4－2】如图4－4所示，U=60V,C1＝2μF，C2＝3μF,C3=6μF,求每只电容器的电压U分别是多少？解：由电容器串联的公式求出总电容。则

C=1μF根据总电容、总电压和总电荷量的关系，可求出总电荷量Q4.2知识准备4.2.2电容器的连接电容器串联电路中，各个电容器所带电荷量相等，即电容器C2所承受的电压U2为可以看出，电容大的电容器分配到的电压小；电容小的电容器分配到的电压大，即在电容器串联电路中，各个电容器两端的电压和其自身的电容成反比。电容器C3所承受的电压U3为电容器C1所承受的电压U1为4.2知识准备4.2.2电容器的连接【例4－3】有两个金属化纸介电容器串联后两端接360V电压，如图所示。其中C1=0.25μF，耐压200V；C2=0.5μF，耐压300V。问电路能否正常工作？

解：电路能否正常工作，要看串联电路中每只电容器上所加的电压是否超过了自身的耐压。若在耐压范围之内，工作是安全可靠的，否则会发生危险。总电容C为4.2知识准备4.2.2电容器的连接各个电容器所带电荷量电容器C1承受的电压电容器C2承受的电压由于电容器C1所承受的电压是240V，超过了它耐压能力（200V），所以C1会被击穿，C1击穿后致使360V电压全部加到C2上，也超过了C2的耐压能力（300V），所以C2也会被击穿，这样使用是不安全的。4.2知识准备4.2.2电容器的连接二、电容器的并联做中学、做中教用数字万用表电容挡对10μF/450V、5μF/450V的电容器的容量分单独和并联三次进行测量，分析三次测量结果之间的关系？4.2知识准备4.2.2电容器的连接二、电容器的并联将两个或两个以上电容器的一端接在一起，另一端也接在一起的连接方式叫做电容器的并联，如图4-6所示。电容器并联电路每个电容器两端的电压相同，并等于外加电源电压，即：U=U1=U2。特点由于并联电容器两端的电压相同，每个电容器所储存的电荷量为Q1=C1U，Q2=C2U4.2知识准备4.2.2电容器的连接二、电容器的并联设并联电容器的总电容为C,因

，所以结论因电容器组储存的总电荷等于各电容器储存电荷之和，即Q=Q1+Q2电容器并联后的等效电容量等于各个电容器的电容量之和。当n个等值电容并联时，其等效电容为C=nC0。电容器并联后，相当于增大了极板的面积，电容量增大，因此，常用于增大电容器容量的场合。电容器并联电路中，每只电容器均承受外加电压，因此，每只电容器的耐压均应大于外加电压。4.2知识准备4.2.2电容器的连接【例4－4】电容器甲容量为10μF，充电后两端电压为30V；电容器乙容量为20μF，充电后两端电压为15V；若把它们并联在一起，其两端电压变为多少？解：连接前，电容器甲所带电荷为连接前，电容器乙所带电荷为并联后的总电荷为4.2知识准备4.2.2电容器的连接并联后的总电容为因总电荷不会随连接而改变，因此，连接后的共同电压为4.2知识准备4.2.3电容器的充电与放电任务导引按图4－7连接电路，把开关打到1位置，仔细观察电压表和电流表指针变化情况。把开关打到2位置，仔细观察电压表和电流表指针变化情况。4.2知识准备4.2.3电容器的充电与放电一、电容器的充电在任务导引电路实验中，我们把开关打到1位置时，发现电流表指针首先往正方向偏转很大，然后慢慢回到零位置；电压表指针由零逐渐变大。原因分析：这是由于S闭合的瞬间，电容器的极板和电源之间存在着较大的电压，所以，开始充电电流较大。随着电容器极板上电荷的积聚，电容器两端电压的上升，二者之间的电压逐渐减小，电流也就越来越小。当二者之间不存在电压时，电流为零，即充电结束。此时电容器两端的电压UC=E，电容器中储存的电荷Q=CE。4.2知识准备4.2.3电容器的充电与放电二、电容器的放电在任务导引电路实验中，电容充电结束后我们把开关打到2位置时，发现电流表指针首先往负方向偏转很大，然后慢慢回到零位置；电压表指针则由大逐渐变小，最后回到零。原因分析：这是由于S闭合后，电容器极板上的正、负电荷通过R2不断中和，两极板间电压越来越小，电流也就越来越小。放电结束，电容器两极板上的正、负电荷全部中和，两极板间就不存在电压了，因此，电路中的电流为零。4.2知识准备4.2.3电容器的充电与放电三、电容器中的电场能电容器在充电过程中，两个极板上电荷进行积累，两极板间就形成了电场。电场具有能量，此能量是从电源吸取过来储存在电容器中。式中,电容C用F作单位,电压UC用V作单位,电荷Q用C作单位,计算出的能量用J作单位。储存在电容器中的电场能量可用下式计算结论：电容器中储存的电场能量与电容器的电容成正比,与电容器两极板之间的电压的平方成正比。4.2知识准备4.2.3电容器的充电与放电电容器和电阻器都是电路中的基本元件,但它们在电路中所起的作用却不相同。充电时,电容器便从电源吸收能量进行储存,而当电容器放电时,便把储存的电场能量释放出去,也就是说电容器本身只与电源进行能量的交换,并不消耗能量，所以说电容器是一种储能元件。电阻器则与此不同,它在电路中的作用是把电能转换为热能，然后将热能辐射至空间或传递给别的物体，即在电阻器上所进行的电能与热能之间的能量转换是不可逆的，也就是说电阻器是耗能元件。特别说明，实际的电容器由于介质漏电及其他原因，也要消耗一些能量，使电容器发热，这种消耗的能量称为电容器的损耗。4.3任务实现4.3.1电容器的认识1.电解电容器电解电容器图形符号如图4－8（a）所示。图4－8（b）为铝电解电容器实物，外面包有一层塑料薄膜，里面为铝壳，其极性标识非常清楚，标有“－”号一侧为负极，另一侧为正极；图4－8（c）为贴片铝电解电容器实物，有标记的一端为负极；图4－8（d）为贴片钽电解电容器实物，有标记的一端为正极，与贴片铝电解电容正好相反。4.3任务实现4.3.1电容器的认识2.瓷介电容器图4－9（a）为无极性电容器图形符号。图4－9（b）为瓷片电容器实物，一般为片状，其标称值直接标注在外壳上；图4－9（c）为独石电容器实物，独石电容器又称为多层陶瓷电容器；图4－9（d）为贴片陶瓷电容器实物。4.3任务实现4.3.1电容器的认识3.薄膜电容器薄膜电容器实物如图4－10所示，图4－10（a）为涤纶电容器实物，外形扁平；图4－10（b）为CBB电容器实物，CBB电容器为聚丙烯电容器。4.3任务实现4.3.2电容器的质量检测一、指针式万用表测量1.用指针式万用表测量电解电容（1）选择万用表挡位针对电容的不同容量选用合适的量程。一般情况下，1～47μF间的电容，可用R×1K挡测量，大于47μF的电容可用R×100挡测量。（2）测量将万用表红表笔接电解电容的负（或正）极，黑表笔接正（或负）极，在刚接触的瞬间，万用表指针即向右偏转较大角度（对于同一电阻挡，容量越大，摆幅越大），接着逐渐向左回转，直到停在某一位置。此时的阻值便是电解电容的正向（或反向）漏电阻，正向漏电阻略大于反向漏电阻。电解电容的漏电阻一般应在几百千欧以上，否则，将不能正常使用。在测试中，若正向、反向均无充电的现象，即表针不动，则说明电解电容的容量消失或内部断路；如果所测阻值很小或为零，说明电容漏电大或已击穿损坏，不能再使用。4.3任务实现4.3.2电容器的质量检测（3）判别极性

对于正、负极标志不明的电解电容器，可利用上述测量漏电阻的方法加以判别，即先任意测一下漏电阻，记住其大小，然后交换表笔再测出一个阻值。两次测量中阻值大的那一次便是正向接法，即黑表笔接的是正极，红表笔接的是负极。