基礎(chǔ)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(yàn)室并學(xué)習(xí)了電阻器的基本知識。繼續(xù)討論無源元件，讓我們談?wù)勲娙萜鳌?/span>

讓我們從一個(gè)虛擬電路開始
想象一個(gè)由理想電壓源或理想電流源驅(qū)動(dòng)的純電阻電路。在這樣一個(gè)虛構(gòu)的理想電路中，純阻性元件（純阻性負(fù)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它們。

讓我們回到現(xiàn)實(shí)
實(shí)際上，沒有電子或電路的行為與我們的虛擬電路相似。沒有純電阻元件（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(dá)到固定的穩(wěn)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)過程可能只有在一段時(shí)間后才能達(dá)到穩(wěn)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(dǎo)電流。直流電路是一種電路，其中電流僅從驅(qū)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(qū)動(dòng)電路的源極上的電流方向沒有極性反轉(zhuǎn)或變化。

實(shí)際上，DC 是一個(gè)廣義術(shù)語。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(zhuǎn)或電流方向的反轉(zhuǎn)。

交流電路和交流信號
提供極性不斷反轉(zhuǎn)的電壓的電壓源稱為交流電壓源。同樣，提供方向不斷交變的電流的電流源稱為交流電源。由交流電壓源或交流電源供電的電路，具有電壓極性反轉(zhuǎn)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(xù)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”。電感來自電子材料和組件中感應(yīng)的反向磁場，以響應(yīng)變化或交流的電流。

類似地，電子材料和組件由于保留或存儲(chǔ)電荷載流子而感應(yīng)出相反的電場，因此表現(xiàn)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和電場的形式暫時(shí)儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)的電荷量。

C = Q/V
其中，
C = 電容（以法拉為單位）
Q = 存儲(chǔ)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(chǔ)更多的電荷。并非所有材料或組件都可以存儲(chǔ)電荷以響應(yīng)施加的電位差。一些特殊的絕緣材料可以根據(jù)施加的電位差發(fā)生極化，從而表現(xiàn)出電容。這種電子材料稱為介電材料或簡稱為電介質(zhì)。幸運(yùn)的是，空氣或真空可以作為介電介質(zhì)，允許在兩個(gè)導(dǎo)體之間建立電場以響應(yīng)施加的電壓。

設(shè)計(jì)用于響應(yīng)施加的電勢差（電壓）在電場中存儲(chǔ)電荷的設(shè)備稱為電容器。最簡單的電容器可以是兩個(gè)被空氣或真空隔開的金屬板（電極）。如果兩塊板子短接，無非是一根連接線。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(chǔ)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(dǎo)電材料）的設(shè)置。電容的單位是法拉（庫侖/伏特），以紀(jì)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(chǔ)的電荷的特性稱為介電常數(shù)。自由空間或真空的介電常數(shù)是稱為絕對介電常數(shù)的常數(shù)，等于 8.85×10 -12法拉/米。介電介質(zhì)相對于絕對介電常數(shù)的介電常數(shù)稱為相對介電常數(shù)或介電常數(shù)。電容器的電容取決于其中使用的電介質(zhì)的介電常數(shù)、電容器的形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)。

電容單位
法拉對于表示標(biāo)準(zhǔn)電容來說太大了。因此，標(biāo)準(zhǔn)電容器的電容以法拉的分?jǐn)?shù)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(shè)計(jì)用于在電路中臨時(shí)存儲(chǔ)電荷。最簡單的帶電容器的直流電路可以是電容器通過開關(guān)連接到電壓源。電阻器（記住泄放電阻器）可以通過另一個(gè)開關(guān)與電容器并聯(lián)連接以使電容器放電。

最初，電容器兩端沒有電勢差，讓我們假設(shè)最初沒有電荷存儲(chǔ)在電容器中。當(dāng)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(yīng)施加的電壓，電容器的電介質(zhì)開始極化并開始以電場的形式存儲(chǔ)電荷。下式給出了電容器可以存儲(chǔ)的電荷：

Q = CV

因此，通過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(chǔ)的電荷成正比，與電容器的電容量成反比。響應(yīng)施加的電壓，電荷不會(huì)立即存儲(chǔ)在電容器內(nèi)。當(dāng)在電容器兩端施加電壓時(shí)，它充當(dāng)短路，并且最大電流流過它。通過電容器的電流隨著電容器存儲(chǔ)的電荷和電容器兩端的電壓以相同的速率增加而呈指數(shù)下降。當(dāng)電容器兩端的電壓上升到與施加電壓相等且相反時(shí)，通過電容器的電流停止?，F(xiàn)在，電容器充當(dāng)開路，沒有電流流過它，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），就沒有電流流過它。即使沒有電流流過電容器，電容器兩端的電壓也會(huì)保持不變，因?yàn)殡娙萜鲀啥说碾妷鹤兓逝c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)充滿電，并保持等于 CV 的電荷，并且沒有電流流過它。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，電容器將充滿電（呈指數(shù)增長）并最終變?yōu)殚_路?，F(xiàn)在，需要通過短路其端子或通過泄放電阻器對其進(jìn)行放電。無論哪種方式，放電電流都會(huì)以與充電電流相反的方向流過電容器。與充電電流一樣，放電電流最初最大，然后呈指數(shù)下降。電容器兩端的電壓也隨著放電電流呈指數(shù)下降。

交流電路中的電容器
現(xiàn)在，讓我們假設(shè)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(dāng)施加的電壓上升到峰值時(shí)，通過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(shù)下降到零，同時(shí)電容器兩端的電壓呈指數(shù)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(dāng)施加的電壓從峰值下降到零時(shí)，反向電流流過電容器，該電流從零上升到最大值。電容器兩端的電壓隨著施加的電壓而下降，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(xiàn)在，外加電壓信號極性反轉(zhuǎn)，外加電壓沿相反方向從零上升到峰值。這再次開始為電容器充電，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）。

隨著施加的電壓從峰值下降到反極性的零，電流正向流過電容器，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(yīng)可以通過以下信號圖來說明：

顯示通過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(chǔ)在電路中，并在放電時(shí)返回電路。存儲(chǔ)的電荷作為與充電電流方向相反的放電電流返回。

2）每當(dāng)在任何方向上施加到電容器的電壓增加時(shí)，電容器充電。通過它的電流呈指數(shù)下降，它兩端的電壓呈指數(shù)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(dāng)在任何方向上施加到電容器的電壓降低時(shí)，電容器放電。通過它的電流呈指數(shù)增長，并且它兩端的電壓呈指數(shù)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)，通過電容器的電壓沿著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。即使沒有電流流過電容器，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，或通過電阻器（或負(fù)載）放電，或通過短路放電。

5) 在交流電路或?qū)涣餍盘柕捻憫?yīng)中，流過電容器的電流總是超前其兩端的電壓 90°。通過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(dāng)恒定直流信號的開路。因此，電容器可用于阻擋直流信號或電信號的直流分量。類似地，由于電容電抗的頻率依賴性，電容器可用于過濾交流信號頻率。

7) 由于電容器暫時(shí)儲(chǔ)存電荷，所以它們被用于電存儲(chǔ)器。

在下一篇文章中，我們將討論不同類型的電容器及其應(yīng)用。