实用电子学/电容器

电容器

电容器是一种可以用来充电、放电或以电场形式存储电能的器件。

电容器的结构

该器件由两个导电“板”构成，它们之间隔着一层薄薄的绝缘层，称为介电质。

电容器的符号

电容

电容定义为在给定电压下每个板上存储电荷的能力，它与介电常数、极板面积成正比，与两个极板之间的距离成反比。

$C={\frac {Q}{V}}$ = ε ${\frac {A}{l}}$

电容的符号为 C，单位为法拉，符号为 F。

电容器与电力

一个示意图，显示电容器的大小如何影响其充电/放电。相对电荷为 1 表示电容器已完全充电。0 表示已完全放电。时间常数 τ 是充电或放电速率的度量。

当在电容器的极板上施加电压时，每个极板上的电荷符号相反，直到每个极板上的电压等于施加的电压为止，然后每个极板将具有电荷 Q 和电压 V。此过程称为电容器充电

Q = q₁ + q₂ + ... = $\int Idt$

电荷与电压之比给出电容器的电容。

$C={\frac {Q}{V}}$

此时，当每个极板的电压都与施加电压相等时，电路中没有电流流动。电容器的每个极板都有一个电压 V。电容器储存电能。

如果将电容器与电源断开，电容器仍然具有电压 V，如果触摸它会造成电击。因此，在断开电容器时必须小心。

如果将带电电容器接地，电流开始从电容器流向地线，直到电容器上的电压降至零。此过程称为电容器放电。

特性

电荷

Q = q₁ + q₂ + ...

$Q=\int Idt$

电容

$C={\frac {Q}{V}}$

电压

$V={\frac {1}{C}}\int Idt$

电流

$I=C{\frac {dV}{dt}}$

电抗

电抗定义为电压与电流之比。

$X_{C}={\frac {{\frac {1}{C}}\int Idt}{I}}$

$X_{C}={\frac {1}{\omega C}}$/_-90

$X_{C}={\frac {1}{j\omega C}}$

$X_{C}={\frac {1}{sC}}$

阻抗

由于所有导体都具有电阻，因此实际电容器的阻抗被定义为电容器的电抗和电阻之和。

$Z_{C}=R_{C}+X_{C}$

$Z_{C}={\sqrt {R_{C}^{2}+({\frac {1}{sC}})^{2}}}$/_ Tan^-1${\frac {1}{\omega RC}}$

$Z_{C}=R_{C}+{\frac {1}{j\omega C}}$

$Z_{C}=R_{C}+{\frac {1}{sC}}$

频率响应

电容器是依赖频率 $\omega$ 的工具。

• $\omega =0,X_{C}=00$, 电容器开路，I = 0
• $\omega =00,X_{C}=0$, 电容器短路，I ≠ 0
• $\omega ={\frac {1}{CR_{C}}}$

$X_{C}=R_{C}$ ,

$Z_{C}={\sqrt {2}}R_{C}$ ,

$V_{C}={\frac {V}{2}}$

$I_{C}={\frac {V}{2R_{C}}}$

在三个频率点 ω = 0, 00 , 1 / CR_C I - f 曲线可以绘制出来，以显示电容器中的电流随时间的变化情况。

相位角

当在电容器两端施加电压时，电容器需要一段时间才能导通电流。因此，电容器上的电流将滞后于电压一个角度 θ。

对于没有内阻的理想无损电容器，电流将滞后于电压 90°。对于具有内阻的非理想无损电容器，电流将滞后于电压一个角度 θ。

$Tan\theta ={\frac {1}{2\pi f}}{\frac {1}{CR}}$

相位角与时间频率或时间以及 C 和 R_C 的值有关。当相位角发生变化时，时间和频率也会发生变化。因此，RC 网络被用于移相。

$f={\frac {1}{2\pi }}{\frac {1}{Tan\theta }}{\frac {1}{CR}}$

t = 2π Tanθ CR_C

电容器网络

串联连接

多个电容器串联。

当 n 个电容器串联连接时，总电容为

${\frac {1}{C_{t}}}={\frac {1}{C_{1}}}+{\frac {1}{C_{2}}}+...+{\frac {1}{C_{n}}}$

当有两个相同电容的电容器串联连接时，这两个电容器的总电容正好减半。

并联连接

多个电容器并联。

当 n 个电容器并联连接时，总电容为

$C_{t}=C_{1}+C_{2}+...+C_{n}$

当有两个相同电容的电容器并联连接时，这两个电容器的总电容正好翻倍。

电压

电容器只能承受一定电压，超过这个电压，介质就会击穿，电流就会流过电容器。发生这种情况时，电容器就会损坏。对于某些类型的电容器，这可能会导致爆炸。

电容器的常见电压限制为

• 10V
• 16V
• 25V
• 35V
• 63V
• 100V
• 200V
• 450V

此列表并不详尽，还有许多电容器的电压额定值介于这些值之间。

温度

一些电容器包含液体，不能让液体沸腾或结冰。因此，它们具有特定的工作温度范围和储存温度范围，如果要保持电容器完好无损，则不能超过这些范围。这对电解电容器尤其重要。

电容器的常见最高温度范围为

• 85 °C
• 105 °C

电容器

轴向（顶部）和径向（底部）电解电容器

电容器本质上是一种储存电能的装置，并在“充满”后释放电能。这种储存通常由两个彼此靠近且相互绝缘的导体构成。

电容器类型

有很多不同类型的电容器可用。我们最感兴趣的是电解电容器和陶瓷电容器，因为它们是通用的，适合我们的工作水平。有关更多类型，请参阅维基百科文章。

钽电容器

钽电容器由于其低漏电流、可靠性和在很宽的温度范围内保持稳定电容的能力而非常有用。下面是一个图

它们有特殊的标记。侧面的条纹表示极性。通常，对于商店购买的元件，较长的引线为正。警告：反向极性连接钽电容很容易损坏或破坏电容。通常，它会在 µF 中写下电容，并在其下方写下工作电压。在某些情况下（通常当 µF 未打印时），值（以 pF 为单位）用三个数字编码；前两位是有效数字，第三位是乘数（即零的个数）。钽电容最常见的是浸渍式的，具有光亮的涂层，颜色也不同，有黄色、红色，有时还有蓝色。大多数轴向钽电容看起来完全不同。

SMT 型号上的深色线是正极。浸渍式轴向通孔型号将用 + 或深色线标记以指示正极。

陶瓷电容

陶瓷电容通常是非极性的，几乎与径向电解电容一样常见。

陶瓷盘

陶瓷盘电容。

陶瓷电容通常采用陶瓷圆盘的形式，有两个引脚向下突出。这些电容器是非极性的 - 无论它们在电路中如何放置都无关紧要。电容值从低于 1pF 的下限到大约 100nF 不等。它们有时会表现出漂移，即电容由于环境条件而发生变化。这通常不是问题，但您应该注意它。

电解

轴向（顶部）和径向（底部）电解电容。

轴向电解电容是两端都有连接的电解电容。这些电容最常用于没有空间安装垂直电容的设备中。

箭头条纹表示极性，箭头指向负极引脚。警告：反向极性连接电解电容很容易损坏或破坏电容。大多数大型电解电容在上面标有电压、电容、温度额定值和公司名称，没有任何特殊的颜色编码方案。大多数电解电容通常为淡蓝色、黑色、深紫色或棕色，但一些专用电容为黄色和其他颜色。如果由于某种原因您不确定极性，外壳始终是负极连接。大多数轴向电容的两端都是可见的。正极端有一个橡胶绝缘，负极端只有铝。

径向电解电容类似于轴向电解电容，只是两个引脚从同一端引出。通常，该端（“底部端”）平放在 PCB 上，电容器垂直于其所安装的 PCB 升起。这种类型的电容器可能至少占消费电子产品中电容器的 70%（不使用 SMT 元件）。见上图。

与它们的轴向对应物一样，许多径向电解电容直接在其上写有电压、电容、温度额定值、极性和公司名称，没有任何特殊的颜色编码方案。

电解电容器在每体积单位中具有非常大的电容，这使得它们非常适合大于 1μF 的电容。它们采用圆柱体的形式，高度从几毫米到几百毫米不等。包装主要有两种类型：轴向和径向。轴向电容器通常比径向电容器稀有，并且在圆柱体的每一端都有一个引线。径向电容器的两个引线都在同一端。

这些电容器是极化的，必须正确连接。负极或阴极通常以以下任何一种方式标记

• 电容器阴极侧的条纹，通常带有减号印刷在其上
• 阳极的引线比阴极的引线短（在轴向电容器上找不到）
• 在电容器末端印有减号，靠近负极引线。

如果电解电容器连接不正确、过热或跨过它们电压过高，它们可能会剧烈爆炸。较大的电容器在金属端部刻有通风孔，但它们仍会发出非常响亮的声音（可能会损伤听力）并从破裂处喷出热的电解质。爆炸还可能导致弹片，这就是为什么在使用它们时戴安全眼镜是个好主意，尤其是第一次使用时

它们通常具有较差的公差，并且主要用于电容精度不重要的场合，例如电源平滑、加固等。

电容器标签

电容器上的标记通常标识其特性和安全使用参数。其电容值以法拉为单位，或以微法拉、纳法拉或皮法拉等公制单位为单位。标记通常根据电容器的类型进行编码，并根据电容器的类型而有所不同，具体取决于可用于指定的空间和预期用途。

电解电容器以十进制数和西方字符书写，例如 10uF 表示 10 微法拉，或 10x10^-6 法拉。

陶瓷盘电容和某些其他电容以皮法拉或 1x10^-12 法拉的数字代码标记。要解码，将 3 位数代码的前两位数作为前两位数，然后在其后添加与第三位数匹配的零占位符。这现在是 pF 中的电容。所以 104 将是 100000pF 或 100nF。一些电容器的标记方式类似，但编码为纳法拉。需要制造商的规格才能区分。这种类型的电容器的大小会因其电容而异，并且可以通过大小来比较其值，前提是两者都是由相同的材料制成的。

云母电容器在 2006 年不再常用，但非常稳定，并用六点颜色代码标记。首先找到箭头，并将包装件与箭头指向右侧并从左上角开始，以与电阻颜色代码类似的顺序顺时针读取六种颜色。第一个是电容器类型，第二个和第三个是有效数字，第四个（右下角）是乘数（尾随零的个数），第五个是公差，第六个（左下角）是等级或特性代码。

安全

如果电容器过载或连接不正确，可能会爆炸。这会导致巨响和可能产生的弹片，可能会损害听力和视力，以及喷出热的（或汽化的）电解质，可能会灼伤皮肤并损害视力。如果您是第一次使用电容器，戴安全眼镜是个好主意。

大型电容器，尤其是电视机中使用的那些高压电容器，可能会在其上存储致命电荷。在靠近它们之前，务必确保电容器已完全放电。

可能会发生

• 具有铝制外壳（电解）的极化径向电容器，其尖端为圆形，通常已停用或即将停用。
• 带有一个小黑点的电容器通常是已经达到其击穿电压的电容器；也就是说，电弧已通过介电层，不再适合使用。
• 通过以高容量放电带电电容器，可能会发生将导体焊接在一起。

参考

• 维基百科电容器