电容

电容(Capacitance)亦称作“电容量”,是指在给定电位差下自由电荷的储藏量,记为C,国际单位是法拉(F)。一般来说,电荷在电场中会受力而移动,当导体之间有了介质,则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上,造成电荷的累积储存,储存的电荷量则称为电容。

电容是指容纳电荷的能力。任何静电场都是由许多个电容组成,有静电场就有电容,电容是用静电场描述的。一般认为:孤立导体与无穷远处构成电容,导体接地等效于接到无穷远处,并与大地连接成整体。

电容(或称电容量)是表现电容器容纳电荷本领的物理量。电容从物理学上讲,它是一种静态电荷存储介质,可能电荷会永久存在,这是它的特征,它的用途较广,它是电子、电力领域中不可缺少的电子元件。主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、滤波、补偿、充放电、储能、隔直流等电路中。

定义

电容器所带电量Q与电容器两极间的电压U的比值,叫电容器的电容。在电路学里,给定电势差,电容器储存电荷的能力,称为电容(capacitance),标记为C。采用国际单位制,电容的单位是法拉(farad),标记为F。

电容的符号是C。

C=εS/d=ε0εrS/4πkd(真空)=Q/U

单位及转换

在国际单位制里,电容的单位是法拉,简称法,符号是F,由于法拉这个单位太大,所以常用的电容单位有毫法(mF)、微法(μF)、纳法(nF)和皮法(pF)等,换算关系是:

1法拉(F)= 10^3毫法(mF)=10^6微法(μF)=10^9纳法(nF)=10^12皮法(pF)=10^15fF

电容与电池容量的关系:

1伏安时=1瓦时=3600焦耳

W=0.5CUU

计算公式

一个电容器,如果带1库的电量时两级间的电势差是1伏,这个电容器的电容就是1法拉,即:C=Q/U 。但电容的大小不是由Q(带电量)或U(电压)决定的,即电容的决定式为:C=εrS/4πkd 。其中,εr是相对介电常数,S为电容极板的正对面积,d为电容极板的距离,k则是静电力常量。常见的平行板电容器,电容为C=εS/d(ε为极板间介质的介电常数,ε=εrε0,ε0=1/4πk,S为极板面积,d为极板间的距离)。

定义式:

电容器的电势能计算公式:E=C*(U^2)/2=QU/2=(Q^2)/2C

多电容器并联计算公式:C=C1+C2+C3+…+Cn

多电容器串联计算公式:1/C=1/C1+1/C2+…+1/Cn

三电容器串联:C=(C1*C2*C3)/(C1*C2+C2*C3+C1*C3)

电容的作用

1)旁路

旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件,它能使稳压器的输出均匀化,降低负载需求。就像小型可充电电池一样,旁路电容能够被充电,并向器件进行放电。为尽量减少阻抗,旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。这能够很好的防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。地电位是地连接处在通过大电流毛刺时的电压降。

2)去耦

去耦,又称解耦。从电路来说, 总是可以区分为驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容比较大, 驱动电路要把电容充电、放电, 才能完成信号的跳变,在上升沿比较陡峭的时候, 电流比较大, 这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流,由于电路中的电感,电阻(特别是芯片管脚上的电感)会产生反弹,这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声,会影响前级的正常工作,这就是所谓的“耦合”。

去耦电容就是起到一个“电池”的作用,满足驱动电路电流的变化,避免相互间的耦合干扰,在电路中进一步减小电源与参考地之间的高频干扰阻抗。

将旁路电容和去耦电容结合起来将更容易理解。旁路电容实际也是去耦合的,只是旁路电容一般是指高频旁路,也就是给高频的开关噪声提供一条低阻抗泄放途径。高频旁路电容一般比较小,根据谐振频率一般取0.1μF、0.01μF 等;而去耦合电容的容量一般较大,可能是10μF 或者更大,依据电路中分布参数、以及驱动电流的变化大小来确定。旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象,而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象,防止干扰信号返回电源。这是他们的本质区别。

3)滤波

从理论上(即假设电容为纯电容)说,电容越大,阻抗越小,通过的频率也越高。但实际上超过1μF 的电容大多为电解电容,有很大的电感成份,所以频率高后反而阻抗会增大。有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电容,这时大电容滤低频,小电容滤高频。电容的作用就是通交流隔直流,通高频阻低频。电容越大高频越容易通过。具体用在滤波中,大电容(1000μF)滤低频,小电容(20pF)滤高频。曾有网友形象地将滤波电容比作“水塘”。由于电容的两端电压不会突变,由此可知,信号频率越高则衰减越大,可很形象的说电容像个水塘,不会因几滴水的加入或蒸发而引起水量的变化。它把电压的变动转化为电流的变化,频率越高,峰值电流就越大,从而缓冲了电压。滤波就是充电,放电的过程。

4)储能

储能型电容器通过整流器收集电荷,并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。电压额定值为40~450VDC、电容值在220~150 000μF 之间的铝电解电容器是较为常用的。根据不同的电源要求,器件有时会采用串联、并联或其组合的形式, 对于功率级超过10KW 的电源,通常采用体积较大的罐形螺旋端子电容器。

电容的种类

电容的种类可以从原理上分为:无极性可变电容、无极性固定电容、有极性电容等,从材料上可以分为:CBB电容(聚乙烯),涤纶电容、瓷片电容、云母电容、独石电容、电解电容、钽电容等。

无极性可变电容

制作工艺:可旋转动片为陶瓷片表面镀金属薄膜,定片为镀有金属膜的陶瓷底;动片为同轴金属片,定片为有机薄膜片作介质

优点:容易生产,技术含量低。

缺点:体积大,容量小

用途:改变震荡及谐振频率电路。调频、调幅、发射/接收电路

无极性无感CBB电容

制作工艺:2层聚丙乙烯塑料和2层金属箔交替夹杂然后捆绑而成。

优点:无感,高频特性好,体积较小

缺点:不适合做大容量,价格比较高,耐热性能较差。

用途:耦合/震荡,音响,模拟/数字电路,高频电源滤波/退耦

无极性CBB电容

制作工艺:2层聚乙烯塑料和2层金属箔交替夹杂然后捆绑而成。

优点:有感,高频特性好,体积较小

缺点:不适合做大容量,价格比较高,耐热性能较差。

用途:耦合/震荡,模拟/数字电路,电源滤波/退耦

无极性瓷片电容

制作工艺:薄瓷片两面渡金属膜银而成。

优点:体积小,耐压高,价格低,频率高(有一种是高频电容)

缺点:易碎,容量低

用途:高频震荡、谐振、退耦、音响

无极性云母电容

制作工艺:云母片上镀两层金属薄膜

优点:容易生产,技术含量低。

缺点:体积大,容量小用途:震荡、谐振、退耦及要求不高的电路无极性独石电容体积比CBB更小,其他同CBB,有感

用途:模拟/数字电路信号旁路/滤波,音响

有极性电解电容

制作工艺:两片铝带和两层绝缘膜相互层叠,转捆后浸在电解液中。

优点:容量大。

缺点:高频特性不好。

用途:低频级间耦合、旁路、退耦、电源滤波、音响

钽电容

制作工艺:用金属钽作为正极,在电解质外喷上金属作为负极。

优点:稳定性好,容量大,高频特性好。

缺点:造价高。

用途:高精度电源滤波、信号级间耦合、高频电路、音响电路

聚酯(涤纶)电容

符号:CL

电容量:40p–4u

额定电压:63–630V

主要特点:小体积,大容量,耐热耐湿,稳定性差

应用:对稳定性和损耗要求不高的低频电路

聚苯乙烯电容

符号:CB

电容量:10p–1u

额定电压:100V–30KV

主要特点:稳定,低损耗,体积较大

应用:对稳定性和损耗要求较高的电路

聚丙烯电容

符号:CBB

电容量:1000p–10u

额定电压:63–2000V

主要特点:性能与聚苯相似但体积小,稳定性略差

应用:代替大部分聚苯或云母电容,用于要求较高的电路

云母电容

符号:CY

电容量:10p–0.1u

额定电压:100V–7kV

主要特点:高稳定性,高可靠性,温度系数小

应用:高频振荡,脉冲等要求较高的电路

高频瓷介电容

符号:CC

电容量:1–6800p

额定电压:63–500V

主要特点:高频损耗小,稳定性好

应用:高频电路

低频瓷介电容

符号:CT

电容量:10p–4.7u

额定电压:50V–100V

主要特点:体积小,价廉,损耗大,稳定性差

应用:要求不高的低频电路

玻璃釉电容

符号:CI

电容量:10p–0.1u

额定电压:63–400V

主要特点:稳定性较好,损耗小,耐高温(200度)

应用:脉冲、耦合、旁路等电路

铝电解电容

符号:CD

电容量:0.47–10000u

额定电压:6.3–450V

主要特点:体积小,容量大,损耗大,漏电大

应用:电源滤波,低频耦合,去耦,旁路等

钽电解电容(CA)、铌电解电容(CN)

电容量:0.1–1000u

额定电压:6.3–125V

主要特点:损耗、漏电小于铝电解电容

应用:在要求高的电路中代替铝电解电容

空气介质可变电容器

可变电容量:100–1500p

主要特点:损耗小,效率高;可根据要求制成直线式、直线波长式、直线频率式及对数式 等

应用:电子仪器,广播电视设备等

薄膜介质可变电容器

可变电容量:15–550p

主要特点:体积小,重量轻;损耗比空气介质的大

应用:通讯,广播接收机等

薄膜介质微调电容器

符号: 可变电容量:1–29p

主要特点:损耗较大,体积小

应用:收录机,电子仪器等电路作电路补偿

陶瓷介质微调电容器

符号: 可变电容量:0.3–22p

主要特点:损耗较小,体积较小

应用:精密调谐的高频振荡回路

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