【电路笔记】-电容器

电容器

电容器是简单的无源器件，当连接到电压源时，可以在极板上存储电荷。

1、概述

在本电容器简介文章中，我们将看到电容器是无源电子元件，由两片或多片由绝缘材料隔开的导电材料组成。 电容器是一种具有以电荷形式存储能量的能力或“容量”的组件，在其极板上产生电位差（静态电压），就像小型可充电电池一样。

有许多不同类型的电容器可供使用，从谐振电路中使用的非常小的电容器磁珠到大型功率因数校正电容器，但它们的作用都是相同的，即存储电荷。

在其基本形式中，电容器由两个或多个平行的导电（金属）板组成，这些板彼此不连接或接触，但通过空气或某种形式的良好绝缘材料进行电隔离。 这种绝缘材料可以是蜡纸、云母、陶瓷、塑料或电解电容器中使用的某种形式的液体凝胶。

作为对电容器的一个很好的介绍，值得注意的是电容器极板之间的绝缘层通常称为电介质。

由于该绝缘层，直流电流不能流过电容器，因为它会阻止它，从而允许电压以电荷的形式存在于极板上。

电容器的导电金属板可以是正方形、圆形或矩形，也可以是圆柱形或球形，具有平行板电容器的一般形状、尺寸和结构，具体取决于其应用和额定电压。

当在直流或直流电路中使用时，电容器充电至其电源电压，但会阻止电流流过它，因为电容器的电介质不导电，基本上是绝缘体。 然而，当电容器连接到交流电或交流电路时，电流似乎直接流过电容器，电阻很小或没有。

电荷有两种类型，质子形式的正电荷和电子形式的负电荷。 当直流电压施加在电容器上时，正 (+ve) 电荷快速积聚在一个极板上，而相应的相反负 (-ve) 电荷则积聚在另一极板上。 对于到达一个板的每个带 +ve 电荷的粒子，相同符号的电荷将从 -ve 板离开。

然后，板保持电荷中性，并且由于该电荷而在两个板之间建立电势差。 一旦电容器达到稳态条件，由于用于分隔极板的电介质的绝缘特性，电流就无法流过电容器本身和电路周围。

电子流到极板上的电流被称为电容器充电电流，该电流持续流动，直到两个极板（以及电容器）上的电压等于所施加的电压 Vc。 此时，电容器被称为“充满”电子。

当极板完全放电（初始条件）时，该充电电流的强度或速率处于最大值，并且当极板充电至电容器极板之间的电势差等于源电压时，该充电电流的强度或速率缓慢减小至零。

电容器两端存在的电势差的大小取决于源电压所做的功沉积到极板上的电荷量以及电容器具有的电容大小，如下所示。

平行板电容器是最简单的电容器形式。 它可以使用两个彼此平行的金属或金属化箔板构造，其电容值以法拉为单位，由导电板的表面积和它们之间的间隔距离固定。 改变这些值中的任何两个都会改变其电容值，这构成了可变电容器的操作基础。

此外，由于电容器以电荷的形式将电子能量存储在极板上，极板越大和/或它们的间隔越小，对于跨其极板的任何给定电压，电容器所保持的电荷就越大。 换句话说，板越大，距离越小，电容越大。

通过向电容器施加电压并测量极板上的电荷，电荷 $Q$ 与电压 $V$ 的比率将给出电容器的电容值，因此给出为： $C=Q/V$ 该方程也可以重新表示 -安排给出熟悉的极板上电荷量公式：$Q=C\times V$

虽然我们已经说过电荷存储在电容器的极板上，但更准确的说法是电荷内的能量存储在两个极板之间的“静电场”中。 当电流流入电容器时，它会充电，因此静电场会变得更强，因为它会在极板之间存储更多能量。

同样，当电流流出电容器并对其进行放电时，两个极板之间的电位差会减小，静电场也会随着能量从极板中移出而减小。

电容器以静电场的形式在极板上存储电荷的特性称为电容器的电容。 不仅如此，电容也是电容器抵抗其两端电压变化的特性。

2、电容器的电容单位

电容是电容器的电特性，是衡量电容器在其两个极板上存储电荷的能力的指标，电容的单位为法拉（缩写为 $F$），以英国物理学家迈克尔·法拉第命名。

电容的定义是，当一伏的电压在极板上存储一库仑的电荷时，电容器具有一法拉的电容。 请注意，电容 $C$ 的值始终为正且没有负单位。 然而，法拉本身是一个非常大的测量单位，因此通常使用法拉的约数，例如微法拉、纳法拉和皮法拉。

电容的标准单位

微法 (μF) $1\mu F$ = 1/1,000,000 = 0.000001 = $10^{-6}$ F
纳法 (nF) $1nF$ = 1/1,000,000,000 = 0.000000001 = $10^{-9}$ F
皮法 (pF) $1pF$ = 1/1,000,000,000,000 = 0.000000000001 = $10^{-12}$ F

然后，使用上面的信息，我们可以构建一个简单的表格来帮助我们在皮法拉 (pF)、纳法拉 (nF)、微法拉 (μF) 和法拉 (F) 之间进行转换，如图所示。

3、电容

平行板电容器的电容与两个导电板中最小的一个板的面积 $A$（以米为单位）成正比，与这两个导电板之间的距离或间隔 $d$（即电介质厚度）（以米为单位）成反比。

平行板电容器电容的广义方程如下： $C=\epsilon (A/d)$，其中 $\epsilon$ 表示所用介电材料的绝对介电常数。 介电常数$\epsilon o$ 也称为“自由空间介电常数”，其常数值为 $8.854\times 10^{-12}$ 法拉每米。

为了使数学更容易一些，自由空间的介电常数 $\epsilon o$ 可写为：$1/(4\pi \times 9\times 10^9)$，也可以采用每米皮法 (pF) 的单位作为常数： 可用空间值为 8.85。 但请注意，所得电容值将以皮法为单位，而不是法拉。

通常，电容器的导电板由某种绝缘材料或凝胶而不是完美的真空分隔。 在计算电容器的电容时，我们可以将空气（尤其是干燥空气）的介电常数视为与真空相同的值，因为它们非常接近。

4、电容器示例1

电容器由两块 30cm x 50cm 的导电金属板构成，彼此间隔 6mm，并使用干燥空气作为其唯一的介电材料。 计算电容器的电容。

然后由空气隔开的两个极板组成的电容器的值计算为 0.221nF 或 221pF。

5、电介质

除了导电板的总体尺寸及其彼此之间的距离或间隔之外，影响器件总体电容的另一个因素是所使用的介电材料的类型。 换句话说，电介质的“介电常数”($\epsilon$)。

电容器的导电板通常由金属箔或金属薄膜制成，允许电子和电荷流动，但所使用的介电材料始终是绝缘体。 用作电容器中电介质的各种绝缘材料在阻挡或通过电荷的能力方面有所不同。

这种介电材料可以由多种绝缘材料或这些材料的组合制成，最常用的类型是：空气、纸、聚酯、聚丙烯、聚酯薄膜、陶瓷、玻璃、油或各种其他材料。

与空气相比，介电材料或绝缘体增加电容器电容的因素称为介电常数 k，高介电常数的介电材料比介电常数较低的介电材料是更好的绝缘体 。 介电常数是一个无量纲量，因为它是相对于自由空间的。

板之间介电材料的实际介电常数或“复介电常数”是自由空间介电常数 ($\epsilon o$) 和用作电介质的材料的相对介电常数 ($\epsilon r$) 的乘积，给出如下：

复介电常数

换句话说，如果我们以自由空间的介电常数εo为基准，并使其等于1，当自由空间的真空被某种其他类型的绝缘材料取代时，其电介质的介电常数就参考了 自由空间的基础电介质给出称为“相对介电常数”的倍增因子，εr。 因此，复介电常数 ε 的值始终等于相对介电常数乘以 1。

常见材料的介电常数、$\epsilon$ 或介电常数的典型单位为：纯真空 = 1.0000、空气 = 1.0006、纸张 = 2.5 至 3.5、玻璃 = 3 至 10、云母 = 5 至 7、木材 = 3 至 8 和金属氧化物 粉末 = 6 到 20 等。这为我们提供了电容器电容的最终方程：

用于增加电容器整体电容同时保持其尺寸较小的一种方法是将更多极板“交错”在单个电容器体内。 电容器不是只有一组平行板，而是可以将许多单独的板连接在一起，从而增加板的表面积 A。

对于如上所示的标准平行板电容器，电容器有两个极板，标记为 A 和 B。因此，由于电容器极板的数量为两个，我们可以说 n = 2，其中“n”代表极板的数量。

那么我们上面对于单个平行板电容器的方程实际上应该是：

然而，电容器可以具有两个平行板，但每个板仅一侧与中间的电介质接触，因为每个板的另一侧形成电容器的外部。 如果我们将板的两半连接在一起，我们实际上只有“一个”整块板与电介质接触。

对于单个平行板电容器，$n–1=2–1$ 等于 1，因为 $C=(\epsilon o\times \epsilon r\times 1\times A)/d$ 与以下说法完全相同：$C=(\epsilon o\times \epsilon r\times A)/d$ 这是上面的标准方程。

现在假设我们有一个由 9 个交错极板组成的电容器，则 $n=9$，如图所示。

多极板电容器

现在，我们有五个板连接到一根引线 (A)，四个板连接到另一根引线 (B)。 然后，连接到引线 B 的四个极板的两侧都与电介质接触，而连接到 A 的每个外极板只有一侧与电介质接触。 那么如上所述，每组极板的有用表面积仅为八，因此其电容为：

现代电容器可根据其绝缘电介质的特性和性能进行分类：

• 低损耗、高稳定性，如云母、低K陶瓷、聚苯乙烯。
• 中等损耗、中等稳定性，如纸张、塑料薄膜、高 K 陶瓷。
• 极化电容器，例如电解电容器、钽电容器。

6、额定电压

所有电容器都有最大额定电压，选择电容器时必须考虑施加在电容器上的电压量。 在不损坏其介电材料的情况下可以施加到电容器上的最大电压通常在数据表中给出为：WV（工作电压）或WV DC（直流工作电压）。

如果施加在电容器上的电压太大，电介质将击穿（称为电击穿），并且电容器极板之间将产生电弧，从而导致短路。 电容器的工作电压取决于所使用的介电材料的类型及其厚度。

电容器的直流工作电压只是最大直流电压，而不是最大交流电压，因为额定直流电压为 100 伏直流的电容器不能安全地承受 100 伏交流电压。 由于 RMS 值为 100 伏的交流电压的峰值将超过 141 伏！ ($\sqrt{2}\times 100$)。

那么需要在 100 伏交流电下工作的电容器的工作电压至少应为 200 伏。 实际上，应选择电容器，使其工作电压（直流或交流）至少比施加到其上的最高有效电压高 50%。

影响电容器工作的另一个因素是介质泄漏。 由于流经介电材料的不需要的泄漏电流，电容器中出现介电泄漏。

通常，假设电介质的电阻极高，并且良好的绝缘体会阻止直流电流通过电容器（如在完美电容器中）从一个极板流向另一极板。

然而，如果电介质材料由于电压过高或温度过高而损坏，则通过电介质的漏电流将变得极高，导致极板上的电荷快速损失，并且电容器过热，最终导致电容器过早失效。 切勿在电压高于电容器额定电压的电路中使用电容器，否则电容器可能会变热并爆炸。

7、总结

我们在本文中已经看到，电容器的作用是将电荷存储到其极板上。 电容器可以在其极板上存储的电荷量称为电容值，取决于三个主要因素。

• 表面积 – 构成电容器的两个导电板的表面积 A，面积越大，电容越大。
• 距离——两块极板之间的距离 d，距离越小，电容越大。
• 电介质材料 – 分隔两块板的材料类型称为“电介质”，电介质的介电常数越高，电容越大。

我们还看到，电容器由金属板组成，这些金属板彼此不接触，但被称为电介质的材料分隔开。 电容器的电介质可以是空气，甚至真空，但通常是不导电的绝缘材料，例如蜡纸、玻璃、云母、不同类型的塑料等。电介质具有以下优点：

• 介电常数是介电材料的特性，从一种材料到另一种材料，介电常数各不相同，从而使电容增加 k 倍。
• 电介质在两块板之间提供机械支撑，使两块板能够更靠近而不接触。
• 电介质的介电常数会增加电容。
• 与空气相比，电介质提高了最大工作电压。

电容器可用于许多不同的应用和电路，例如阻止直流电流，同时传递音频信号、脉冲或交流电或其他时变波形。 这种阻止直流电流的能力使电容器能够用于平滑电源的输出电压，消除信号中不需要的尖峰，否则这些尖峰往往会导致半导体或数字组件损坏或误触发。

电容器还可用于调整音频电路的频率响应，或将必须防止直流电流传输的单独放大器级耦合在一起。

当用于直流电源时，电容器具有无限阻抗（开路），在非常高的频率下，电容器具有零阻抗（短路）。 所有电容器都有最大工作直流额定电压 (WVDC)，因此建议选择额定电压至少比电源电压高 50% 的电容器。

我们在电容器简介教程中看到，电容器的样式和类型有很多种，每种都有其特定的优点、缺点和特性。 包含所有类型将使本教程部分变得非常大，因此在下一个有关电容器的教程中，我将把它们限制为最常用的类型。