基礎電子學(xué)系列12 – 電容器實(shí)用指南

在之前的教程中，我們討論了建立電子實(shí)驗室并學(xué)習了電阻器的基本知識。繼續討論無(wú)源元件，讓我們談?wù)勲娙萜鳌?/span>

讓我們從一個(gè)虛擬電路開(kāi)始
想象一個(gè)由理想電壓源或理想電流源驅動(dòng)的純電阻電路。在這樣一個(gè)虛構的理想電路中，純阻性元件（純阻性負載電路）很快就會(huì )有固定的電壓降。一旦電路通電，元件上的電壓降就會(huì )變得恒定，并且恒定的電流始終流過(guò)它們。

讓我們回到現實(shí)
實(shí)際上，沒(méi)有電子或電路的行為與我們的虛擬電路相似。沒(méi)有純電阻元件（甚至電阻器也顯示出一些電抗）、理想電壓源或理想電流源。即使電阻電路由恒壓源或恒流源供電，它也會(huì )在達到固定的穩定狀態(tài)之前經(jīng)歷一個(gè)瞬態(tài)。因此，所有電路及其組件在施加電壓或電流時(shí)都會(huì )經(jīng)歷電壓或電流的變化。一個(gè)過(guò)程可能只有在一段時(shí)間后才能達到穩定狀態(tài)。

直流電路和直流信號
從廣義上講，電信號可分為直流信號和交流信號。任何電壓源或電流源都是兩端器件，可以在任何電路中沿兩個(gè)方向傳導電流。直流電路是一種電路，其中電流僅從驅動(dòng)它的電壓或電流源沿一個(gè)方向流動(dòng)。因此，直流信號可以定義為具有固定極性且電壓和電流僅在一個(gè)方向上變化的電信號。驅動(dòng)電路的源極上的電流方向沒(méi)有極性反轉或變化。

實(shí)際上，DC 是一個(gè)廣義術(shù)語(yǔ)。它也可以指電信號的直流分量或電氣或電子元件的直流行為。直流信號可能具有隨時(shí)間變化的電壓或電流，但絕不會(huì )涉及電壓極性的反轉或電流方向的反轉。

交流電路和交流信號
提供極性不斷反轉的電壓的電壓源稱(chēng)為交流電壓源。同樣，提供方向不斷交變的電流的電流源稱(chēng)為交流電源。由交流電壓源或交流電源供電的電路，具有電壓極性反轉和電流趨勢交替變化的特點(diǎn)。這種電壓和電流不斷周期性改變方向的電路稱(chēng)為交流電路。交流信號可以定義為電壓極性和電流方向周期性交替變化的電信號。電壓和電流上升到峰值，反向下降到零，再次反向上升到峰值，然后下降到零，反向。這一直持續到信號保持有效。

信號、直流電路&交流電路
電壓和電流的變化幅度（和方向）都是為了好的。如果信號不隨時(shí)間變化，則它們沒(méi)有實(shí)際用途。畢竟，電子產(chǎn)品就是處理電信號。直流電路處理電壓和/或電流僅在一個(gè)方向上變化的電信號。交流電路處理電壓和電流大小變化并不斷交替改變方向的電信號。

對電流的更多抵抗： 電容和電感
類(lèi)似的電子材料和元件顯示出一些對電流的自然抵抗。這是由“阻力”定義的。他們還反對改變電流的大小和方向。這被定義為“電感”。電感來(lái)自電子材料和組件中感應的反向磁場(chǎng)，以響應變化或交流的電流。

類(lèi)似地，電子材料和組件由于保留或存儲電荷載流子而感應出相反的電場(chǎng)，因此表現出對電流的抵抗力。這被定義為“電容”。電阻仍然存在于 DC 和 AC 電路中，并顯示出與 DC 和 AC 信號相似的信號行為。只有帶有脈動(dòng)直流信號的交流或直流電路顯示電感和電容。在涉及恒定直流信號的直流電路中，電感和電容不是很重要（并且也是不需要的）。

電阻以熱的形式耗散電能，而電感和電容分別以磁場(chǎng)和電場(chǎng)的形式暫時(shí)儲存電能，并以電能的形式再次返回電路。因此，與電阻的情況不同，電感或電容不會(huì )造成能量損失。

電容
電容是電子材料或元件的特性，它可以暫時(shí)儲存電荷。電容是電子實(shí)體在施加的每單位伏特電位差下存儲的電荷量。

C = Q/V
其中，
C = 電容（以法拉為單位）
Q = 存儲電荷（以庫侖為單位）
V = 外加電壓（以伏特為單位）

顯然，具有較高電容的組件每單位施加電壓可以存儲更多的電荷。并非所有材料或組件都可以存儲電荷以響應施加的電位差。一些特殊的絕緣材料可以根據施加的電位差發(fā)生極化，從而表現出電容。這種電子材料稱(chēng)為介電材料或簡(jiǎn)稱(chēng)為電介質(zhì)。幸運的是，空氣或真空可以作為介電介質(zhì)，允許在兩個(gè)導體之間建立電場(chǎng)以響應施加的電壓。

設計用于響應施加的電勢差（電壓）在電場(chǎng)中存儲電荷的設備稱(chēng)為電容器。最簡(jiǎn)單的電容器可以是兩個(gè)被空氣或真空隔開(kāi)的金屬板（電極）。如果兩塊板子短接，無(wú)非是一根連接線(xiàn)。板之間空氣或真空（一種介電介質(zhì)）的存在使該裝置能夠存儲具有一定電位差（電壓）的電荷。

因此，任何電容器都是由介電介質(zhì)分隔的兩個(gè)電極（導電材料）的設置。電容的單位是法拉（庫侖/伏特），以紀念邁克爾·法拉第。電介質(zhì)在施加單位電壓時(shí)決定每單位體積存儲的電荷的特性稱(chēng)為介電常數。自由空間或真空的介電常數是稱(chēng)為絕對介電常數的常數，等于 8.85×10 -12法拉/米。介電介質(zhì)相對于絕對介電常數的介電常數稱(chēng)為相對介電常數或介電常數。電容器的電容取決于其中使用的電介質(zhì)的介電常數、電容器的形狀、尺寸和結構。

電容單位
法拉對于表示標準電容來(lái)說(shuō)太大了。因此，標準電容器的電容以法拉的分數表示，例如微法 (10 -6 F)、納法 (10 -9 F) 和皮法 (10 -12 F)。

電容器的信號分析
讓我們首先了解直流電路中電容器的行為。電容器設計用于在電路中臨時(shí)存儲電荷。最簡(jiǎn)單的帶電容器的直流電路可以是電容器通過(guò)開(kāi)關(guān)連接到電壓源。電阻器（記住泄放電阻器）可以通過(guò)另一個(gè)開(kāi)關(guān)與電容器并聯(lián)連接以使電容器放電。

最初，電容器兩端沒(méi)有電勢差，讓我們假設最初沒(méi)有電荷存儲在電容器中。當電壓源連接到電容器時(shí)，在電容器兩端施加相等電壓的電勢差。響應施加的電壓，電容器的電介質(zhì)開(kāi)始極化并開(kāi)始以電場(chǎng)的形式存儲電荷。下式給出了電容器可以存儲的電荷：

Q = CV

因此，通過(guò)電容器的電流由下式給出：
i = dQ/dt
= d(CV)/dt
= C dV/dt

電容器兩端的電壓由下式給出：
dV = i/C。dt所以，∫dV = 1
/C * ∫i.dt
= 1/C * 0 ∫t i.dt

電容器的充電
電容器兩端的電壓與其存儲的電荷成正比，與電容器的電容量成反比。響應施加的電壓，電荷不會(huì )立即存儲在電容器內。當在電容器兩端施加電壓時(shí)，它充當短路，并且最大電流流過(guò)它。通過(guò)電容器的電流隨著(zhù)電容器存儲的電荷和電容器兩端的電壓以相同的速率增加而呈指數下降。當電容器兩端的電壓上升到與施加電壓相等且相反時(shí)，通過(guò)電容器的電流停止?，F在，電容器充當開(kāi)路，沒(méi)有電流流過(guò)它，同時(shí)在其上形成了相等且相反的電壓。因此，電流僅在電容器兩端的電壓發(fā)生變化時(shí)才流過(guò)電容器。一旦電容器兩端的電壓變得恒定（與施加的電壓相等且相反），就沒(méi)有電流流過(guò)它。即使沒(méi)有電流流過(guò)電容器，電容器兩端的電壓也會(huì )保持不變，因為電容器兩端的電壓變化率與電流成正比，與電容成反比；電容器的電容越大，其兩端的電壓變化率（電壓上升）就越慢。

電容器放電
一旦電容器兩端具有相等和相反的電壓，它就會(huì )充滿(mǎn)電，并保持等于 CV 的電荷，并且沒(méi)有電流流過(guò)它。在改變或改變施加的電壓之前，電容器兩端的電流或電壓不會(huì )發(fā)生變化。因此，在恒定的直流電路中，電容器將充滿(mǎn)電（呈指數增長(cháng)）并最終變?yōu)殚_(kāi)路?，F在，需要通過(guò)短路其端子或通過(guò)泄放電阻器對其進(jìn)行放電。無(wú)論哪種方式，放電電流都會(huì )以與充電電流相反的方向流過(guò)電容器。與充電電流一樣，放電電流最初最大，然后呈指數下降。電容器兩端的電壓也隨著(zhù)放電電流呈指數下降。

交流電路中的電容器
現在，讓我們假設電壓源是交流電。作為正弦電壓源，施加的電壓將由下式給出：
V = V m sin(ωt)
其中，
V = 波形在瞬間的電壓
V m = 波形的峰值電壓
ω = 波形
t的頻率= 時(shí)刻

以下等式將給出通過(guò)電容器的電流：
i = C dV/dt
= C d(V m sin(ωt))/dt
= ω CV m cos(ωt)
= I m cos(ωt) 其中 I m = ω CV m
= I m sin(ωt + 90°)

電容器對電流的反作用稱(chēng)為容抗。以下等式給出：
X c = V/I
= V m /I m OR V rms /I rms
= 1/ωC

然后我們可以看到，當施加的電壓上升到峰值時(shí)，通過(guò)交流電路電容器的電流超前電壓 90° 或頻率的 1/4，電容器充電，充電電流從最大值呈指數下降到零，同時(shí)電容器兩端的電壓呈指數增加，上升幅度與施加的電壓相等且相反。因此，在所施加電壓信號的 90° 相位角（信號頻率的 1/4）下，通過(guò)電容器的充電電流已降至零（從最大值），并且電容器兩端的電壓已從零上升到峰值電壓。

當施加的電壓從峰值下降到零時(shí)，反向電流流過(guò)電容器，該電流從零上升到最大值。電容器兩端的電壓隨著(zhù)施加的電壓而下降，降至零并對電容器放電。因此，在外加電壓信號（信號頻率的 1/2）相位角為 180°時(shí)，放電電流（此處為由于外加電壓降低而反向的電流）沿相反方向流動(dòng)，從零上升到電容器兩端的最大值和電壓從峰值下降到零。

現在，外加電壓信號極性反轉，外加電壓沿相反方向從零上升到峰值。這再次開(kāi)始為電容器充電，增加電容器兩端的電壓等于和相反的峰值電壓（在相反方向）并將通過(guò)電容器的電流從峰值減小到零。因此，在施加的電壓信號（信號頻率的 3/4）的 270° 相位角處，電容器兩端的電壓已升高到極性相反的峰值，并且流過(guò)電容器的電流以相反方向流動(dòng)下降到從峰值歸零（在相反方向）。

隨著(zhù)施加的電壓從峰值下降到反極性的零，電流正向流過(guò)電容器，從零上升到峰值，并且電容器兩端的電壓（反極性）從峰值下降到零。這會(huì )使電容器放電。因此，在施加電壓信號的 360° 相位角（交流信號的一個(gè)周期完成）下，電容器兩端的電壓再次降至零，電容器放電，并且通過(guò)電容器的電流再次上升到峰值值在正方向。電容器的交流響應可以通過(guò)以下信號圖來(lái)說(shuō)明：

顯示通過(guò)交流電路中電容器的電壓和電流的圖表（圖片：Electronics-Tutorials）。

電容器的信號行為可歸納如下：

1) 電容器用于暫時(shí)將電荷存儲在電路中，并在放電時(shí)返回電路。存儲的電荷作為與充電電流方向相反的放電電流返回。

2）每當在任何方向上施加到電容器的電壓增加時(shí)，電容器充電。通過(guò)它的電流呈指數下降，它兩端的電壓呈指數上升，直到它等于施加的電壓。充電時(shí)，電容器兩端的電壓與施加的電壓和電流相反，始終沿施加電壓的方向（與電容器兩端產(chǎn)生的電壓相反）。

3）每當在任何方向上施加到電容器的電壓降低時(shí)，電容器放電。通過(guò)它的電流呈指數增長(cháng)，并且它兩端的電壓呈指數下降，直到電容器完全放電或放電到最低水平，具體取決于所施加信號的下降。放電時(shí)，通過(guò)電容器的電壓沿著(zhù)初始施加電壓的方向發(fā)展。電流始終與最初施加的電壓（充電電壓）方向相反。

4）電流流過(guò)電容器，直到施加在它上面的電壓發(fā)生變化。增加電壓對電容器充電，降低電壓使電容器放電。即使沒(méi)有電流流過(guò)電容器，電容器兩端的電壓也會(huì )保持不變，直到由于施加的電壓降低而放電，或通過(guò)電阻器（或負載）放電，或通過(guò)短路放電。

5) 在交流電路或對交流信號的響應中，流過(guò)電容器的電流總是超前其兩端的電壓 90°。通過(guò)電容器的電流不僅取決于電容和電壓變化率，還取決于所施加信號的頻率。

6) 電容器對電流的抵抗力（容抗）與其電容量和施加的電壓頻率成反比。電容器的電容量越高，其容抗越小。同樣，外加電壓信號的頻率越高，其容抗越小。在充電到峰值電平后，電容器充當恒定直流信號的開(kāi)路。因此，電容器可用于阻擋直流信號或電信號的直流分量。類(lèi)似地，由于電容電抗的頻率依賴(lài)性，電容器可用于過(guò)濾交流信號頻率。

7) 由于電容器暫時(shí)儲存電荷，所以它們被用于電存儲器。

在下一篇文章中，我們將討論不同類(lèi)型的電容器及其應用。