電容器簡介

電容器是簡單的無源器件，當連線到電壓源時可以在其板上儲存電荷

電容器是具有以電荷形式儲存能量的能力或“容量”的部件，在其板上產生電勢差（靜態電壓），非常類似於小型可充電電池。

從諧振電路中使用的非常小的電容器磁珠到大功率因數校正電容器，可以使用許多不同型別的電容器，但它們都做同樣的事情，就是它們儲存電荷。

在其基本形式中，電容器由兩個或多個平行的導電（金屬）板組成，這些板彼此不連線或接觸，但是通過空氣或某種形式的良好絕緣材料（例如蠟紙，雲母）電隔離。陶瓷，塑料或某種形式的液體凝膠，用於電解電容器。電容器板之間的絕緣層通常稱為電介質。

典型的電容器

由於該絕緣層，DC 電流不能流過電容器，因為它阻擋了電流，而是允許電壓以電荷的形式存在於電路板上。

電容器的導電金屬板可以是正方形，圓形或矩形，或者它們可以是圓柱形或球形，具有平行板電容器的一般形狀，尺寸和結構，這取決於其應用和額定電壓。

當用於直流或直流電路時，電容器充電至其電源電壓但阻擋通過它的電流，因為電容器的電介質是非導電的並且基本上是絕緣體。然而，當電容器連線到交流電或交流電路時，電流的流動似乎直接通過電容器而電阻很小或沒有。

有兩種型別的電荷，即質子形式的正電荷和電子形式的負電荷。當在電容器上放置 DC 電壓時，正（+ ve）電荷快速累積在一個板上，而相應的相反的負（-ve）電荷累積在另一個板上。對於到達一個板的每個+ ve 電荷粒子，相同符號的電荷將離開-ve 板。

然後，板保持電荷中性，並且在兩個板之間建立由於該電荷引起的電位差。一旦電容器達到其穩態條件，由於用於分離板的電介質的絕緣特性，電流不能流過電容器本身和電路周圍。

電子流到板上的電流稱為電容器充電電流，它繼續流動，直到兩個極板（以及電容器）上的電壓等於施加的電壓 Vc。此時，電容器被稱為“電子充滿電”。

當板完全放電（初始條件）時，該充電電流的強度或速率處於其最大值，並且當板充電到電容器板上等於源電壓的電位差時，該值逐漸減小到零。

電容器兩端存在的電位差量取決於通過電源電壓進行的工作以及電容器具有多少電容而在電路板上沉積多少電荷，這將在下面說明。

平行板電容器是最簡單的電容器形式。它可以使用兩個金屬或金屬化箔板以彼此平行的距離構造，其電容值以法拉為單位，由導電板的表面積和它們之間的分離距離固定。改變這些值中的任何兩個都會改變其電容值，這構成了可變電容器的工作基礎。

而且，因為電容器以電荷的形式將電子的能量儲存在板上，所以板越大和/或它們的間隔越小，電容器對於其板上的任何給定電壓保持的電荷就越大。換句話說，更大的板，更小的距離，更大的電容。

通過向電容器施加電壓並測量板上的電荷，電荷 Q 與電壓 V 的比率將給出電容器的電容值，因此給出如下：C = Q / V 這個等式也可以是- 熟悉的板上電荷量公式：Q = C x V.

雖然我們已經說過電荷儲存在電容器的極板上，但更確切地說，電荷中的能量儲存在兩個極板之間的“靜電場”中。當電流流入電容器時，它會充電，因此靜電場變得更強，因為它在板之間儲存更多的能量。

同樣，當電流流出電容器，使其放電時，兩個極板之間的電位差減小，靜電場隨著能量移出極板而減小。

一個電容器上儲存其板在充電的靜電場的形式的屬性被稱為電容的電容器的。不僅如此，電容也是電容器的特性，它可以抵抗電容器上的電壓變化。

電容器的電容

電容是電容器的電氣特性，是衡量電容器將電荷儲存在其兩個極板上的能力，其電容單位是英國物理學家邁克爾法拉第（Michael Faraday）命名的法拉（Farad）（縮寫為 F）。

電容被定義為當一個庫侖的電荷以** 1 伏的電壓儲存在板上時，電容器具有一法拉**的電容。請注意，電容 C 的值始終為正值不會為負。然而，法拉是一個非常大的測量單位，可以單獨使用，因此通常使用法拉的子倍數，例如微法，納法和皮法。

標準電容單位

• 微法（μF1 μF= 1 / 1,000,000 = 0.000001 = 10-6 F.
• 納法（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.

然後使用上面的資訊，我們可以構建一個簡單的表來幫助我們在 pico-Farad（pF），納米法拉（nF），微法（μF）和法拉（F）之間進行轉換，如圖所示。

平行板電容器的電容

平行板電容器的電容與兩個板中最小的板的面積 A（以米 2 為單位）成比例，並且與這兩個導電板之間以米為單位的距離或間隔 d（即電介質厚度）成反比。

平行板電容器的電容的廣義等式給出為：C = ε（A / d）其中 ε 表示所用介電材料的絕對介電常數。真空的介電常數 εo 也稱為“自由空間的介電常數”，其值為每米 8.84×10-12法拉。

為了使數學更容易一些，自由空間的介電常數 εo 可寫為：1 /（4πx9×109>），也可以以每米皮法（pF）為單位作為常數給出：8.84 為自由空間的值。請注意，產生的電容值將以皮法為單位而不是以法拉為單位。

通常，電容器的導電板由某種絕緣材料或凝膠分開而不是完美的真空。在計算電容器的電容時，我們可以將空氣的介電常數，特別是乾燥空氣的介電常數視為與真空相同，因為它們非常接近。

電容示例 No1

電容器由兩個彼此間隔 6mm 的導電金屬板 30cm×50cm 構成，並使用乾燥空氣作為其唯一的介電材料。計算電容器的電容。

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

其中，

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

然後由空氣分隔的兩個板組成的電容器的值計算為 221pF 或 0.221nF

電容器的介電

除了導電板的整體尺寸以及它們彼此之間的距離或間隔之外，影響器件的總電容的另一個因素是所使用的介電材料的型別。換句話說，電介質的“介電常數”（ε）。

電容器的導電板通常由金屬箔或金屬膜製成，允許電子和電荷流動，但所用的介電材料總是絕緣體。用作電容器中的電介質的各種絕緣材料的阻擋或傳遞電荷的能力不同。

該介電材料可以由許多絕緣材料或這些材料的組合製成，最常用的型別是：空氣，紙，聚酯，聚丙烯，聚酯薄膜，陶瓷，玻璃，油或各種其他材料。

通過與空氣相比在介電材料，或絕緣體，增加了電容器的電容的因素是介電常數-ķ，一個介電材料具有高介電常數是比具有較低介電常數的電介質材料更好的絕緣體。介電常數是無單位的，因為它相對於自由空間。

實際介電常數或板之間的介電材料的“復介電常數”是接著的自由空間（介電常數的乘積 εÒ）和相對介電常數（ε - [R 被用作電介質的材料的），並給定為：

復介電常數

換句話說，如果我們採取的自由空間的介電常數，ε0作為我們的基礎水平，並使其等於一，當自由空間的真空通過一些其它型別的絕緣材料的替代，其它的電介質的介電常數是參照的自由空間給被稱為“相對介電常數”，乘法因子的基底電介質 εR。因此，復介電常數的值 ε 總是等於相對介電常數乘以 1。

常見材料的介電常數，ε 或介電常數的典型單位為：純真空= 1.0000，空氣= 1.0006，紙張= 2.5 至 3.5，玻璃= 3 至 10，雲母= 5 至 7，木材= 3 至 8 和金屬氧化物粉末= 6 到 20 等。然後，這給出了電容器電容的最終等式：

用於增加電容器的總電容同時保持其尺寸小的一種方法是在單個電容器主體內將更多的板“交錯”在一起。而不是僅僅一個組平行板的，電容器可具有連線在一起，從而增加表面積，許多單個的板甲板的。

對於如上述所示的標準平行板電容器，該電容器具有兩個板，標記為 A 和 B。因此，當電容器板的數量是兩個時，我們可以說 n = 2，其中 n 表示板的數量。

那麼我們上面的單個平行板電容器的等式應該是：

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

然而，電容器可以具有兩個平行板，但是每個板的僅一側與中間的電介質接觸，因為每個板的另一側形成電容器的外部。如果我們取兩塊板並將它們連線在一起，我們實際上只有“一”整板與電介質接觸。

作為一個單一的平行板電容器，N - 1 = 2 - 1，其等於 1，因為 $C = {\epsilon_{0}\epsilon_{r} \times 1 \times A / d}$ 跟 $C = {\epsilon_{0}\epsilon_{r} \times A / d}$ 是完全一樣的，這是上面的標準等式。

現在假設我們有一個由 9 個交錯板組成的電容器，然後如圖所示 n = 9。

多板電容器


現在我們有五個板連線到一個引線（A），四個板連線到另一個引線（B）。然後連線到引線 B 的四個板的兩個側面與電介質接觸，而連線到 A 的每個外板的僅一個側面與電介質接觸。然後如上所述，每組板的有用表面積僅為 8，因此其電容為：

現代電容器可根據其絕緣電介質的特性和特性進行分類：

• 低損耗，高穩定性，如雲母，低 K 陶瓷，聚苯乙烯。
• 中等損耗，中等穩定性，如紙張，塑料薄膜，高 K 陶瓷。
• 極化電容器，如電解電容器，鉭電容器。

電容器的額定電壓

所有電容器都具有最大額定電壓，在選擇電容器時，必須考慮電容器兩端的電壓。可以施加到電容器而不損壞其介電材料的最大電壓量通常在資料表中給出：WV，（工作電壓）或 WV DC（DC 工作電壓）。

如果施加在電容器兩端的電壓變得太大，則電介質將破壞（稱為電擊穿），並且電容器板之間將發生電弧，導致短路。電容器的工作電壓取決於所用介電材料的型別及其厚度。

電容器的直流工作電壓就是這樣，最大直流電壓而不是最大交流電壓作為額定直流電壓為 100 伏直流電壓的電容器不能安全地承受 100 伏的交流電壓。由於 RMS 值為 100 伏的交流電壓將具有超過 141 伏的峰值！（√ 2 ×100）。

然後，需要在 100 伏 AC 下工作的電容器應具有至少 200 伏的工作電壓。在實踐中，應選擇一個電容器，使其工作電壓 DC 或 AC 應至少比施加到其上的最高有效電壓高 50％。

影響電容器操作的另一個因素是介電洩漏。由於流過介電材料的不希望的漏電流，在電容器中發生介電洩漏。

通常，假設電介質的電阻非常高並且良好的絕緣體阻止從一個板到另一個板的通過電容器（如在完美的電容器中）的 DC 電流的流動。

然而，如果介電材料由於過高的電壓或過溫而損壞，則通過電介質的漏電流將變得非常高，導致板上的電荷快速損失並且電容器的過熱最終導致電容器的過早失效。然後不要在電壓高於電容額定值的電路中使用電容器，否則電容器會變熱並爆炸。

電容器簡介摘要

我們在本教程中已經看到，電容器的工作是將電荷儲存在其板上。電容器可以儲存在其電路板上的電荷量稱為電容值，取決於三個主要因素。

• 表面積 - 構成電容器的兩個導電板的表面積 A，面積越大，電容越大。
• 距離 - 兩個板之間的距離 d，距離越小，電容越大。
• 介電材料 - 將兩個板分開稱為“電介質”的材料型別，電介質的介電常數越高，電容越大。

我們還看到，電容器由金屬板組成，這些金屬板彼此不接觸，但被稱為電介質的材料隔開。電容器的電介質可以是空氣，甚至是真空，但通常是非導電的絕緣材料，例如蠟紙，玻璃，雲母，不同型別的塑料等。電介質具有以下優點：

• 介電常數是介電材料的特性，並且從一種材料到另一種材料不同，使電容增加 k 倍。
• 電介質在兩個板之間提供機械支撐，允許板在不接觸的情況下更靠近在一起。
• 電介質的介電常數增加了電容。
• 與空氣相比，電介質增加了最大工作電壓。

電容器可用於許多不同的應用和電路，例如在傳遞音訊訊號，脈衝或交流電或其他時變波形時阻擋 DC 電流。這種阻斷直流電流的能力使得電容器能夠平滑電源的輸出電壓，消除訊號中不需要的尖峰，否則這些尖峰會導致半導體或數字元件的損壞或誤觸發。

電容器還可以用於調節音訊電路的頻率響應，或者將必須保護的單獨的放大器級耦合在一起以防止 DC 電流的傳輸。

在 DC 處，電容器具有無限阻抗（開路 - 電路），在非常高的頻率下，電容器具有零阻抗（短路）。所有電容器都具有最大工作電壓額定值，其 WV DC，因此選擇額定值比電源電壓至少高 50%的電容器。

存在各種各樣的電容器型別和型別，每種電容器具有其自身的特定優點，缺點和特性。要包含所有型別會使本教程部分非常大，因此在下一個關於電容器簡介的