電容器應用
編輯電容器在電子和電氣系統中有很多用途。它們無處不在,以至于很少有電氣產品出于某種目的不包括至少一個。
儲能
編輯當電容器連接到其充電電路時,它可以存儲電能。當它與充電電路斷開連接時,它可以消耗儲存的能量,因此它可以像臨時電池一樣使用。電容器通常用于電子設備中,以在更換電池時保持供電。(這可以防止易失性存儲器中的信息丟失。)傳統的靜電電容器提供的能量密度低于360焦耳/千克,而使用開發技術的電容器可提供超過2.52焦耳/千克的能量密度。在汽車音響系統中,大型電容器存儲能量供放大器按需使用。不間斷電源(UPS)可配備免維護電容器以延長使用壽命。
脈沖電源和武器
編輯大型、特殊構造的低電感高壓電容器組(電容器組)用于為許多脈沖電源應用提供巨大的電流脈沖。這些包括電磁成形、Marx發生器、脈沖激光器(尤其是TEA激光器)、脈沖成形網絡、聚變研究和粒子加速器。大型電容器組(水庫)用作核武器和其他特種武器中的爆炸橋線雷管或拍板雷管的能源。使用電容器組作為電磁裝甲和電磁軌道炮或線圈炮的電源的實驗工作正在進行中。
電源調節
編輯儲能電容器用于電源中,用于平滑全波或半波整流器的輸出。它們還可以在電荷泵電路中用作能量存儲元件,以產生比輸入電壓更高的電壓。電容器與大多數電子設備的直流電源電路并聯,以平滑信號或控制電路的電流波動。例如,音頻設備以這種方式使用多個電容器,以在電源線嗡嗡聲進入信號電路之前將其分流。電容器充當直流電源的本地儲備,并繞過電源的交流電流。這在汽車音響應用中使用,當一個加強電容器補償鉛酸汽車電池引線的電感和電阻時。
功率因數校正
編輯在配電中,電容器用于功率因數校正。這種電容器通常以三個電容器的形式連接為三相電氣負載。通常,這些電容器的值不是以法拉為單位給出,而是以無功功率的形式給出,單位為無功伏安(VAr)。目的是抵消感應電機、電動機和傳輸線等設備的感應負載,使負載看起來主要是電阻性的。單個電機或燈負載可能具有用于功率因數校正的電容器,或者可以在建筑物內的負載中心或大型公用變電站中安裝更大的電容器組(通常帶有自動開關裝置)。在高壓直流輸電系統中,
抑制和耦合
編輯用于抑制不良頻率的電容器有時稱為濾波電容器。它們在電氣和電子設備中很常見,涵蓋了許多應用,例如:
- 直流(DC)電源軌上的毛刺消除
- 信號線或電源線進出設備的射頻干擾(RFI)消除
- 在穩壓器之后使用電容器,以進一步平滑直流電源
- 用于音頻、中頻(IF)或射頻(RF)濾波器(例如低通、高通、陷波等)的電容器
- 電弧抑制,例如通過觸點斷路器或火花點火發動機中的“點”
信號耦合
因為電容器通過交流但阻擋直流信號(當充電到施加的直流電壓時),它們通常用于分離信號的交流和直流分量。這種方法稱為交流耦合或電容耦合。這里,采用大電容值,其值無需精確控制,但在信號頻率下其電抗小。
解耦
去耦電容器是用于將電路的一部分與另一部分去耦的電容器。由其他電路元件引起的噪聲通過電容器分流,減少了它們對電路其余部分的影響。它最常用于電源和地之間。對于更高的頻率,另一個名稱是旁路電容器,因為它用于繞過電源或電路的其他高阻抗組件。
高通和低通濾波器
高通濾波器(HPF)是一種電子濾波器,它使頻率高于某個截止頻率的信號通過,并衰減頻率低于截止頻率的信號。每個頻率的衰減量取決于濾波器設計。高通濾波器通常被建模為線性時不變系統。它有時被稱為低切濾波器或低音切濾波器。[1]高通濾波器有許多用途,例如阻止對非零平均電壓或射頻設備敏感的電路中的直流電。它們也可以與低通濾波器一起使用以產生帶通濾波器。低通濾波器(LPF)是使頻率低于選定截止頻率的信號通過并衰減頻率高于截止頻率的信號的濾波器。濾波器的準確頻率響應取決于濾波器設計。該濾波器在音頻應用中有時被稱為高切濾波器或高音切濾波器。低通濾波器是高通濾波器的補充。
噪聲濾波器和緩沖器
當電感電路打開時,通過電感的電流會迅速崩潰,從而在開關或繼電器的開路兩端產生很大的電壓。如果電感足夠大,能量會產生電火花,導致觸點氧化、變質,有時甚至熔接在一起,或者破壞固態開關。新打開的電路上的緩沖電容器為該脈沖創造了繞過接觸點的路徑,從而保持其壽命;例如,這些常見于接觸斷路器點火系統中。同樣,在較小規模的電路中,火花可能不足以損壞開關,但仍會輻射出不需要的射頻干擾(RFI),濾波電容器會吸收該干擾。緩沖電容器通常與串聯的低值電阻器一起使用,以耗散能量并最小化RFI。這種電阻-電容組合可在單個封裝中獲得。電容器還與高壓斷路器的中斷單元并聯使用,以便在這些單元之間平均分配電壓。在這種情況下,它們被稱為分級電容器。在原理圖中,主要用于直流電荷存儲的電容器通常在電路圖中垂直繪制,較低、更負的極板繪制為弧線。直板表示設備的正極端子,如果它是極化的(見電解電容器)。
直流電機抑制
陶瓷圓盤電容器通常用于低壓電機的緩沖電路中,因為其電感低、成本低。
開關電源濾波
電源濾波
電源濾波電容器通常是封裝的纏繞塑料薄膜類型,因為它們以低成本提供高額定電壓,并且可以自愈和可熔。電源濾波電容器通常是陶瓷RFI/EMI抑制電容器。電源濾波的附加安全要求是:
- 線到中性線電容器是阻燃的,在歐洲需要使用X類電介質。
- 線或零線對地:必須是阻燃的;此外,電介質必須是自愈和可熔的。在歐洲,這些是Y類電容器。
電源軌濾波
由于容量大、成本低、尺寸小,通常使用電解電容器。較小的非電解液可以與這些并聯,以補償電解液在高頻下的不良性能。計算機使用大量濾波電容器,這使得尺寸成為一個重要因素。固體鉭和濕鉭電容器在一些體積效率最高的封裝中提供了一些最佳的CV(電容/電壓)性能。高電流和低電壓也使低等效串聯電阻(ESR)很重要。固態鉭電容器提供低ESR版本,通常可以滿足ESR要求,但它們并不是所有電容器中ESR最低的選項。固體鉭還有一個額外的問題,必須在設計階段加以解決。固體鉭電容器在所有應用中都必須降壓。建議使用50%的電壓降額,并被普遍接受為行業標準;例如,一個50V的固態鉭電容決不能暴露在25V以上的實際應用電壓下。如果采取適當的措施并仔細遵循所有設計指南,固態鉭電容器是非常可靠的組件。不幸的是,固態鉭電容器的故障機制是短路,這將導致PCB上的劇烈燃燒和冒煙,從而損壞附近的其他組件并完全破壞電容器。幸運的是,大多數固態鉭電容器的故障都會立即發生并且非常明顯。一旦投入應用,固態鉭電容器的性能將隨著時間的推移而提高,并且由于組件錯誤制造而導致故障的可能性會降低。濕鉭是一種電解電容器,使用密封在密封封裝中的電解材料中的鉭顆粒。這種類型的鉭電容器不需要與固體鉭相同的降額,并且其故障機制是開放的。在85C至125C工作時,建議濕鉭采用10%至20%的電壓降額曲線。濕鉭通常不僅僅被稱為“電解”,因為通常“電解”是指鋁電解。
電機啟動器
編輯在單相鼠籠式電機中,電機外殼內的初級繞組不能在轉子上啟動旋轉運動,但能夠維持旋轉運動。為了啟動電機,次級繞組與非極化啟動電容器串聯使用,以在通過啟動繞組的正弦電流中引入滯后。當次級繞組相對于初級繞組傾斜放置時,會產生旋轉電場。旋轉場的力不是恒定的,但足以啟動轉子旋轉。當轉子接近運行速度時,離心開關(或與主繞組串聯的電流敏感繼電器)斷開電容器。啟動電容器通常安裝在電機外殼的側面。這些被稱為電容啟動電機,還有電容器運行的感應電動機,它們具有與第二繞組串聯的永??久連接的移相電容器。電機很像兩相感應電機。電機啟動電容器通常是非極化電解類型,而運行電容器是傳統的紙或塑料薄膜電介質類型。
信號處理
存儲在電容器中的能量可用于表示信息,可以是二進制形式,如在DRAM中,也可以是模擬形式,如模擬采樣濾波器和電荷耦合器件CCD。電容器可以在模擬電路中用作積分器或更復雜的濾波器的組件,也可以用于負反饋環路穩定。信號處理電路也使用電容器來整合電流信號。
調諧電路
電容器和電感器一起應用在調諧電路中以選擇特定頻帶中的信息。例如,無線電接收器依靠可變電容器來調諧電臺頻率。揚聲器使用無源模擬分頻器,模擬均衡器使用電容器來選擇不同的音頻頻段。
傳感
編輯大多數電容器旨在保持固定的物理結構。但是,各種因素都會改變電容器的結構;由此產生的電容變化可用于感測這些因素。
改變電介質
改變電介質特性的影響也可用于傳感和測量。具有暴露和多孔電介質的電容器可用于測量空氣中的濕度。電容器用于準確測量飛機中的燃油液位;隨著燃料覆蓋更多的一對板,電路電容增加。
改變板之間的距離
帶有柔性板的電容器可用于測量應變或壓力或重量。用于過程控制的工業壓力變送器使用壓力傳感膜片,該膜片形成振蕩器電路的電容器板。電容器用作電容式麥克風中的傳感器,其中一個板通過氣壓相對于另一板的固定位置移動。一些加速度計使用蝕刻在芯片上的微機電系統(MEMS)電容器來測量加速度矢量的大小和方向。它們用于檢測加速度的變化,例如作為傾斜傳感器或檢測自由落體,作為觸發安全氣囊展開的傳感器,以及在許多其他應用中。一些指紋傳感器使用電容器。
改變板的有效面積
振蕩器
編輯電容器可以在振蕩器電路中具有類似彈簧的特性。在圖像示例中,電容器的作用是影響npn晶體管基極的偏置電壓。分壓電阻的電阻值和電容器的電容值共同控制振蕩頻率。
危害和安全
編輯在從電路中移除電源后,電容器可能會長時間保留電荷;這種充電可能會導致危險甚至可能致命的電擊或損壞連接的設備。例如,即使是看似無害的設備(例如由1.5伏AA電池供電的一次性相機閃光燈裝置)也包含一個可充電至300伏以上的電容器。這很容易產生沖擊。電子設備的服務程序通常包括對大型或高壓電容器放電的說明。電容器還可能具有內置放電電阻器,可在斷電后幾秒鐘內將存儲的能量消散到安全水平。高壓電容器在端子短接的情況下存儲,以防止由于介電吸收而產生的潛在危險電壓。一些舊的大型充油電容器含有多氯聯苯(PCB)。眾所周知,廢棄的多氯聯苯會泄漏到垃圾填埋場下的地下水中。含有PCB的電容器被標記為含有Askarel和其他幾個商品名稱。在非常古老的(1975年之前)熒光燈鎮流器和其他應用中可以找到填充PCB的電容器。當承受超出其額定值的電壓或電流時,或者當它們達到正常使用壽命時,高壓電容器可能會發生災難性故障。電介質或金屬互連故障可能會產生電弧,使電介質流體蒸發,從而導致外殼膨脹、破裂甚至爆炸。用于射頻或持續大電流應用的電容器可能會過熱,尤其是在電容器卷的中心。當一個電容器短路時,高能電容器組中使用的電容器可能會劇烈爆炸,導致存儲在該組其余部分中的能量突然傾倒到故障單元中。即使在正常運行期間,高壓真空電容器也會產生軟X射線。適當的遏制、熔斷和預防性維護有助于將這些危險降至最低。高壓電容器可以受益于預充電,以限制高壓直流(HVDC)電路上電時的浪涌電流。這將延長組件的使用壽命,并可能減輕高壓危害。
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