电容器简介

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其板上存储电荷

电容器是具有以电荷形式存储能量的能力或“容量”的部件,在其板上产生电势差(*静态电压*),非常类似于小型可充电电池。

从谐振电路中使用的非常小的电容器磁珠到大功率因数校正电容器,可以使用许多不同类型的电容器,但它们都做同样的事情,就是它们存储电荷。

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,但是通过空气或某种形式的良好绝缘材料(例如蜡纸,云母)电隔离。陶瓷,塑料或某种形式的液体凝胶,用于电解电容器。电容器板之间的绝缘层通常称为电介质

典型的电容器

由于该绝缘层,DC 电流不能流过电容器,因为它阻挡了电流,而是允许电压以电荷的形式存在于电路板上。

电容器的导电金属板可以是正方形,圆形或矩形,或者它们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,这取决于其应用和额定电压。

当用于直流或直流电路时,电容器充电至其电源电压但阻挡通过它的电流,因为电容器的电介质是非导电的并且基本上是绝缘体。然而,当电容器连接到交流电或交流电路时,电流的流动似乎直接通过电容器而电阻很小或没有。

有两种类型的电荷,即质子形式的正电荷和电子形式的负电荷。当在电容器上放置 DC 电压时,正(+ ve)电荷快速累积在一个板上,而相应的相反的负(-ve)电荷累积在另一个板上。对于到达一个板的每个+ ve 电荷粒子,相同符号的电荷将离开-ve 板。

然后,板保持电荷中性,并且在两个板之间建立由于该电荷引起的电位差。一旦电容器达到其稳态条件,由于用于分离板的电介质的绝缘特性,电流不能流过电容器本身和电路周围。

电子流到板上的电流称为电容器充电电流,它继续流动,直到两个极板(以及电容器)上的电压等于施加的电压 Vc。此时,电容器被称为“电子充满电”。

当板完全放电(初始条件)时,该充电电流的强度或速率处于其最大值,并且当板充电到电容器板上等于源电压的电位差时,该值逐渐减小到零。

电容器两端存在的电位差量取决于通过电源电压进行的工作以及电容器具有多少电容而在电路板上沉积多少电荷,这将在下面说明。

电容器符号

平行板电容器是最简单的电容器形式。它可以使用两个金属或金属化箔板以彼此平行的距离构造,其电容值以法拉为单位,由导电板的表面积和它们之间的分离距离固定。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工作基础。

而且,因为电容器以电荷的形式将电子的能量存储在板上,所以板越大和/或它们的间隔越小,电容器对于其板上的任何给定电压保持的电荷就越大。换句话说,更大的板,更小的距离,更大的电容。

通过向电容器施加电压并测量板上的电荷,电荷 Q 与电压 V 的比率将给出电容器的电容值,因此给出如下:C = Q / V 这个等式也可以是- 熟悉的板上电荷量公式:Q = C x V.

虽然我们已经说过电荷存储在电容器的极板上,但更确切地说,电荷中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,因此静电场变得更强,因为它在板之间存储更多的能量。

同样,当电流流出电容器,使其放电时,两个极板之间的电位差减小,静电场随着能量移出极板而减小。

一个电容器上存储其板在充电的静电场的形式的属性被称为电容的电容器的。不仅如此,电容也是电容器的特性,它可以抵抗电容器上的电压变化。

电容器的电容

电容是电容器的电气特性,是衡量电容器将电荷存储在其两个极板上的能力,其电容单位是英国物理学家迈克尔法拉第(Michael Faraday)命名的法拉Farad)(缩写为 F)。

电容被定义为当一个库仑的电荷以** 1 伏的电压存储在板上时,电容器具有一法拉**的电容。请注意,电容 C 的值始终为正值不会为负。然而,法拉是一个非常大的测量单位,可以单独使用,因此通常使用法拉的子倍数,例如微法,纳法和皮法。

标准电容单位

  • 微法(μF1 μF= 1 / 1,000,000 = 0.000001 = 10-6 F.
  • 纳法(nF1 nF = 1 / 1,000,000,000 = 0.000000001 = 10-9 F.
  • 皮法(pF1 pF = 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来帮助我们在 pico-Farad(pF),纳米法拉(nF),微法(μF)和法拉(F)之间进行转换,如图所示。

皮法(pF) 纳法(nF) 微法(μF) 法拉(F)
1,000 1.0 0.001
10,000 10.0 0.01
1,000,000 1,000 1.0
10,000 10.0
100,000 100
1,000,000 1,000 0.001
10,000 0.01
100,000 0.1
1,000,000 1.0

平行板电容器的电容

平行板电容器的电容与两个板中最小的板的面积 A(以米 2 为单位)成比例,并且与这两个导电板之间以米为单位的距离或间隔 d(即电介质厚度)成反比。

平行板电容器的电容的广义等式给出为:C = ε(A / d)其中 ε 表示所用介电材料的绝对介电常数。真空的介电常数 εo 也称为“自由空间的介电常数”,其值为每米 8.84×10-12法拉。

为了使数学更容易一些,自由空间的介电常数 εo 可写为:1 /(4πx9×109>),也可以以每米皮法(pF)为单位作为常数给出:8.84 为自由空间的值。请注意,产生的电容值将以皮法为单位而不是以法拉为单位。

通常,电容器的导电板由某种绝缘材料或凝胶分开而不是完美的真空。在计算电容器的电容时,我们可以将空气的介电常数,特别是干燥空气的介电常数视为与真空相同,因为它们非常接近。

电容器电容

电容示例 No1

电容器由两个彼此间隔 6mm 的导电金属板 30cm×50cm 构成,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。

$$ C = \epsilon \cdot { A \over d} $$

其中,

$$ \epsilon_0 = 8.84 \times 10^{-10} $$ $$ A = 0.3 \times 0.5 m^{2} \quad and \quad d=6 \times 10^{-3}m $$ $$ C = {8.84 \times 10^{-12} \times \left( 0.3 \times 0.5 \right) \over 6 \times 10^{-3}} = 0.221 nF $$

然后由空气分隔的两个板组成的电容器的值计算为 221pF 或 0.221nF

电容器的介电

除了导电板的整体尺寸以及它们彼此之间的距离或间隔之外,影响器件的总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”(ε)。

电容器的导电板通常由金属箔或金属膜制成,允许电子和电荷流动,但所用的介电材料总是绝缘体。用作电容器中的电介质的各种绝缘材料的阻挡或传递电荷的能力不同。

该介电材料可以由许多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。

通过与空气相比在介电材料,或绝缘体,增加了电容器的电容的因素是介电常数-ķ,一个介电材料具有高介电常数是比具有较低介电常数的电介质材料更好的绝缘体。介电常数是无单位的,因为它相对于自由空间。

实际介电常数或板之间的介电材料的“复介电常数”是接着的自由空间(介电常数的乘积 εÒ)和相对介电常数(ε - [R 被用作电介质的材料的),并给定为:

复介电常数

$$ \epsilon = \epsilon_{0} \times \epsilon_{r} $$

换句话说,如果我们采取的自由空间的介电常数,ε0作为我们的基础水平,并使其等于一,当自由空间的真空通过一些其它类型的绝缘材料的替代,其它的电介质的介电常数是参照的自由空间给被称为“相对介电常数”,乘法因子的基底电介质 εR。因此,复介电常数的值 ε 总是等于相对介电常数乘以 1。

常见材料的介电常数,ε 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。然后,这给出了电容器电容的最终等式:

$$ C = {\epsilon_{0}\epsilon_{r}A \over d} $$

用于增加电容器的总电容同时保持其尺寸小的一种方法是在单个电容器主体内将更多的板“交错”在一起。而不是仅仅一个组平行板的,电容器可具有连接在一起,从而增加表面积,许多单个的板甲板的。

对于如上述所示的标准平行板电容器,该电容器具有两个板,标记为 A 和 B。因此,当电容器板的数量是两个时,我们可以说 n = 2,其中 n 表示板的数量。

那么我们上面的单个平行板电容器的等式应该是:

$$ C = {\epsilon{0}\epsilon{r}\left( n-1\right) A\over d} $$

然而,电容器可以具有两个平行板,但是每个板的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。如果我们取两块板并将它们连接在一起,我们实际上只有“一”整板与电介质接触。

作为一个单一的平行板电容器,N - 1 = 2 - 1,其等于 1,因为 $C = {\epsilon_{0}\epsilon_{r} \times 1 \times A / d}$$C = {\epsilon_{0}\epsilon_{r} \times A / d}$ 是完全一样的,这是上面的标准等式。

现在假设我们有一个由 9 个交错板组成的电容器,然后如图所示 n = 9。

多板电容器

多板电容器

现在我们有五个板连接到一个引线(A),四个板连接到另一个引线(B)。然后连接到引线 B 的四个板的两个侧面与电介质接触,而连接到 A 的每个外板的仅一个侧面与电介质接触。然后如上所述,每组板的有用表面积仅为 8,因此其电容为:

$$ C = {\epsilon_{0} \epsilon_{r} \left( n-1\right) A \over d} = {\epsilon_{0} \epsilon_{r} \left( 9-1 \right) A \over d} = {\epsilon_{0} \epsilon_{r} 8 A \over d} $$

现代电容器可根据其绝缘电介质的特性和特性进行分类:

  • 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,如电解电容器,钽电容器。

电容器的额定电压

所有电容器都具有最大额定电压,在选择电容器时,必须考虑电容器两端的电压。可以施加到电容器而不损坏其介电材料的最大电压量通常在数据表中给出:WV,(工作电压)或 WV DC(DC 工作电压)。

如果施加在电容器两端的电压变得太大,则电介质将破坏(称为电击穿),并且电容器板之间将发生电弧,导致短路。电容器的工作电压取决于所用介电材料的类型及其厚度。

电容器的直流工作电压就是这样,最大直流电压而不是最大交流电压作为额定直流电压为 100 伏直流电压的电容器不能安全地承受 100 伏的交流电压。由于 RMS 值为 100 伏的交流电压将具有超过 141 伏的峰值!(√ 2 ×100)。

然后,需要在 100 伏 AC 下工作的电容器应具有至少 200 伏的工作电压。在实践中,应选择一个电容器,使其工作电压 DC 或 AC 应至少比施加到其上的最高有效电压高 50%。

影响电容器操作的另一个因素是介电泄漏。由于流过介电材料的不希望的漏电流,在电容器中发生介电泄漏。

通常,假设电介质的电阻非常高并且良好的绝缘体阻止从一个板到另一个板的通过电容器(如在完美的电容器中)的 DC 电流的流动。

然而,如果介电材料由于过高的电压或过温而损坏,则通过电介质的漏电流将变得非常高,导致板上的电荷快速损失并且电容器的过热最终导致电容器的过早失效。然后不要在电压高于电容额定值的电路中使用电容器,否则电容器会变热并爆炸。

电容器简介摘要

我们在本教程中已经看到,电容器的工作是将电荷存储在其板上。电容器可以存储在其电路板上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 - 两个板之间的距离 d,距离越小,电容越大。
  • 介电材料 - 将两个板分开称为“电介质”的材料类型,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隔开。电容器的电介质可以是空气,甚至是真空,但通常是非导电的绝缘材料,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,并且从一种材料到另一种材料不同,使电容增加 k 倍。
  • 电介质在两个板之间提供机械支撑,允许板在不接触的情况下更靠近在一起。
  • 电介质的介电常数增加了电容。
  • 与空气相比,电介质增加了最大工作电压。

电容器可用于许多不同的应用和电路,例如在传递音频信号,脉冲或交流电或其他时变波形时阻挡 DC 电流。这种阻断直流电流的能力使得电容器能够平滑电源的输出电压,消除信号中不需要的尖峰,否则这些尖峰会导致半导体或数字元件的损坏或误触发。

电容器还可以用于调节音频电路的频率响应,或者将必须保护的单独的放大器级耦合在一起以防止 DC 电流的传输。

在 DC 处,电容器具有无限阻抗(开路 - 电路),在非常高的频率下,电容器具有零阻抗(短路)。所有电容器都具有最大工作电压额定值,其 WV DC,因此选择额定值比电源电压至少高 50%的电容器。

存在各种各样的电容器类型和类型,每种电容器具有其自身的特定优点,缺点和特性。要包含所有类型会使本教程部分非常大,因此在下一个关于电容器简介的