電容

電容

電容(Capacitance)亦稱作“電容量”,電容是指在給定電位差下的電荷儲藏量,記為C,國際單位是法拉(F)。一般來說,電荷在電場中會受力而移動,當導體之間有了介質,則阻礙了電荷移動而使得電荷累積在導體上,造成電荷的累積儲存,儲存的電荷量則稱為電容。電容是指容納電場的能力。任何靜電場都是由許多個電容組成,有靜電場就有電容,電容是用靜電場描述的。一般認為:孤立導體與無窮遠處構成電容,導體接地等效於接到無窮遠處,並與大地連線成整體。電容(或稱電容量)是表現電容器容納電荷本領的物理量。電容從物理學上講,它是一種靜態電荷存儲介質,可能電荷會永久存在,這是它的特徵,它的用途較廣,它是電子、電力領域中不可缺少的電子元件。主要用於電源濾波、信號濾波、信號耦合、諧振、濾波、補償、充放電、儲能、隔直流等電路中。

基本信息

電容定義

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電容器所帶電量Q與電容器兩極間的電壓U的比值,叫電容器的電容。在電路學裡,給定電勢差,儲存電荷的能力,稱為電容(capacitance),標記為C。採用國際單位制,其單位是法拉(farad),標記為F。

電容的符號是C。

C=εS/d=εS/4πkd(真空)=Q/U

單位及轉換

在國際單位制里,電容的單位是法拉,簡稱法,符號是F,由於法拉這個單位太大,所以常用的電容單位有毫法(mF)、微法(μF)、納法(nF)和皮法(pF)等,換算關係是:

1法拉(F)=1000毫法(mF)=1000000微法(μF)

1微法(μF)=1000納法(nF)=1000000皮法(pF)。

電容與電池容量的關係:

1伏安時=1瓦時=3600焦耳

W=0.5CUU

計算公式

一個電容器,如果帶1庫的電量時兩級間的電勢差是1伏,這個電容器的電容就是1法拉,即:C=Q/U。但電容的大小不是由Q(帶電量)或U(電壓)決定的,即電容的決定式為:C=εS/4πkd。其中,ε是一個常數,S為電容極板的正對面積,d為電容極板的距離,k則是靜電力常量。常見的平行板電容器,電容為C=εS/d(ε為極板間介質的介電常數,S為極板面積,d為極板間的距離)。

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定義式:

電容器的電勢能計算公式:E=CU^2/2=QU/2=Q^2/2C

多電容器並聯計算公式:C=C1+C2+C3+…+Cn

多電容器串聯計算公式:1/C=1/C1+1/C2+…+1/Cn

三電容器串聯:C=(C1*C2*C3)/(C1*C2+C2*C3+C1*C3)

電容的作用

1)旁路

旁路電容是為本地器件提供能量的儲能器件,它能使穩壓器的輸出均勻化,降低負載需求。就像小型可充電電池一樣,旁路電容能夠被充電,並向器件進行放電。為儘量減少阻抗,旁路電容要儘量靠近負載器件的供電電源管腳和地管腳。這能夠很好地防止輸入值過大而導致的地電位抬高和噪聲。地電位是地連線處在通過大電流毛刺時的電壓降。

2)去耦

去耦,又稱解耦。從電路來說,總是可以區分為驅動的源和被驅動的負載。如果負載電容比較大,驅動電路要把電容充電、放電,才能完成信號的跳變,在上升沿比較陡峭的時候,電流比較大,這樣驅動的電流就會吸收很大的電源電流,由於電路中的電感,電阻(特別是晶片管腳上的電感)會產生反彈,這種電流相對於正常情況來說實際上就是一種噪聲,會影響前級的正常工作,這就是所謂的“耦合”。

去耦電容就是起到一個“電池”的作用,滿足驅動電路電流的變化,避免相互間的耦合干擾,在電路中進一步減小電源與參考地之間的高頻干擾阻抗。

將旁路電容和去耦電容結合起來將更容易理解。旁路電容實際也是去耦合的,只是旁路電容一般是指高頻旁路,也就是給高頻的開關噪聲提供一條低阻抗泄放途徑。高頻旁路電容一般比較小,根據諧振頻率一般取0.1μF、0.01μF等;而去耦合電容的容量一般較大,可能是10μF或者更大,依據電路中分布參數、以及驅動電流的變化大小來確定。旁路是把輸入信號中的干擾作為濾除對象,而去耦是把輸出信號的干擾作為濾除對象,防止干擾信號返回電源。這應該是他們的本質區別。

3)濾波

從理論上(即假設電容為純電容)說,電容越大,阻抗越小,通過的頻率也越高。但實際上超過1μF的電容大多為電解電容,有很大的電感成份,所以頻率高后反而阻抗會增大。有時會看到有一個電容量較大電解電容並聯了一個小電容,這時大電容濾低頻,小電容濾高頻。電容的作用就是通交流隔直流,通高頻阻低頻。電容越大高頻越容易通過。具體用在濾波中,大電容(1000μF)濾低頻,小電容(20pF)濾高頻。曾有網友形象地將濾波電容比作“水塘”。由於電容的兩端電壓不會突變,由此可知,信號頻率越高則衰減越大,可很形象的說電容像個水塘,不會因幾滴水的加入或蒸發而引起水量的變化。它把電壓的變動轉化為電流的變化,頻率越高,峰值電流就越大,從而緩衝了電壓。濾波就是充電,放電的過程。

4)儲能

儲能型電容器通過整流器收集電荷,並將存儲的能量通過變換器引線傳送至電源的輸出端。電壓額定值為40~450VDC、電容值在220~150000μF之間的鋁電解電容器是較為常用的。根據不同的電源要求,器件有時會採用串聯、並聯或其組合的形式,對於功率級超過10KW的電源,通常採用體積較大的罐形螺鏇端子電容器。

萬用表檢測電容

用數字萬用表檢測電容器,可按以下方法進行。

一、用電容檔直接檢測

某些數字萬用表具有測量電容的功能,其量程分為2000p、20n、200n、2μ和20μ五檔。測量時可將已放電的電容兩引腳直接插入錶板上的Cx插孔,選取適當的量程後就可讀取顯示數據。

2000p檔,宜於測量小於2000pF的電容;20n檔,宜於測量2000pF至20nF之間的電容;200n檔,宜於測量20nF至200nF之間的電容;2μ檔,宜於測量200nF至2μF之間的電容;20μ檔,宜於測量2μF至20μF之間的電容。

經驗證明,有些型號的數字萬用表(例如DT890B+)在測量50pF以下的小容量電容器時誤差較大,測量20pF以下電容幾乎沒有參考價值。此時可採用串聯法測量小值電容。方法是:先找一隻220pF左右的電容,用數字萬用表測出其實際容量C1,然後把待測小電容與之並聯測出其總容量C2,則兩者之差(C1-C2)即是待測小電容的容量。用此法測量1~20pF的小容量電容很準確。

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二、用電阻檔檢測

實踐證明,利用數字萬用表也可觀察電容器的充電過程,這實際上是以離散的數字量反映充電電壓的變化情況。設數字萬用表的測量速率為n次/秒,則在觀察電容器的充電過程中,每秒鐘即可看到n個彼此獨立且依次增大的讀數。根據數字萬用表的這一顯示特點,可以檢測電容器的好壞和估測電容量的大小。下面介紹的是使用數字萬用表電阻檔檢測電容器的方法,對於未設定電容檔的儀表很有實用價值。此方法適用於測量0.1μF~幾千微法的大容量電容器。

三、用電壓檔檢測

用數字萬用表直流電壓檔檢測電容器,實際上是一種間接測量法,此法可測量220pF~1μF的小容量電容器,並且能精確測出電容器漏電流的大小。

電容的種類

電容的種類可以從原理上分為:無極性可變電容、無極性固定電容、有極性電容等,從材料上可以分為:CBB電容(聚乙烯),滌綸電容、瓷片電容、雲母電容、獨石電容、電解電容、鉭電容等。

無極性可變電容

製作工藝:可鏇轉動片為陶瓷片表面鍍金屬薄膜,定片為鍍有金屬膜的陶瓷底;動片為同軸金屬片,定片為有機薄膜片作介質

優點:容易生產,技術含量低。

缺點:體積大,容量小

用途:改變震盪及諧振頻率電路。調頻、調幅、發射/接收電路

無極性無感CBB電容

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製作工藝:2層聚丙乙烯塑膠和2層金屬箔交替夾雜然後捆綁而成。

優點:無感,高頻特性好,體積較小

缺點:不適合做大容量,價格比較高,耐熱性能較差。

用途:耦合/震盪,音響,模擬/數字電路,高頻電源濾波/退耦

無極性CBB電容

製作工藝:2層聚乙烯塑膠和2層金屬箔交替夾雜然後捆綁而成。

優點:有感,高頻特性好,體積較小

缺點:不適合做大容量,價格比較高,耐熱性能較差。

用途:耦合/震盪,模擬/數字電路,電源濾波/退耦

無極性瓷片電容

製作工藝:薄瓷片兩面渡金屬膜銀而成。

優點:體積小,耐壓高,價格低,頻率高(有一種是高頻電容)

缺點:易碎,容量低

用途:高頻震盪、諧振、退耦、音響

無極性雲母電容

製作工藝:雲母片上鍍兩層金屬薄膜

優點:容易生產,技術含量低。

缺點:體積大,容量小用途:震盪、諧振、退耦及要求不高的電路無極性獨石電容體積比CBB更小,其他同CBB,有感

用途:模擬/數字電路信號旁路/濾波,音響

有極性電解電容

製作工藝:兩片鋁帶和兩層絕緣膜相互層疊,轉捆後浸在電解液中。

優點:容量大。

缺點:高頻特性不好。

用途:低頻級間耦合、旁路、退耦、電源濾波、音響

鉭電容

製作工藝:用金屬鉭作為正極,在電解質外噴上金屬作為負極。

優點:穩定性好,容量大,高頻特性好。

缺點:造價高。

用途:高精度電源濾波、信號級間耦合、高頻電路、音響電路

聚酯(滌綸)電容

符號:CL

電容量:40p--4u

額定電壓:63--630V

主要特點:小體積,大容量,耐熱耐濕,穩定性差

套用:對穩定性和損耗要求不高的低頻電路

聚苯乙烯電容

符號:CB

電容量:10p--1u

額定電壓:100V--30KV

主要特點:穩定,低損耗,體積較大

套用:對穩定性和損耗要求較高的電路

聚丙烯電容

符號:CBB

電容量:1000p--10u

額定電壓:63--2000V

主要特點:性能與聚苯相似但體積小,穩定性略差

套用:代替大部分聚苯或雲母電容,用於要求較高的電路

雲母電容

符號:CY

電容量:10p--0。1u

額定電壓:100V--7kV

主要特點:高穩定性,高可靠性,溫度係數小

套用:高頻振盪,脈衝等要求較高的電路

高頻瓷介電容

符號:CC

電容量:1--6800p

額定電壓:63--500V

主要特點:高頻損耗小,穩定性好

套用:高頻電路

低頻瓷介電容

符號:CT

電容量:10p--4。7u

額定電壓:50V--100V

主要特點:體積小,價廉,損耗大,穩定性差

套用:要求不高的低頻電路

玻璃釉電容

符號:CI

電容量:10p--0。1u

額定電壓:63--400V

主要特點:穩定性較好,損耗小,耐高溫(200度)

套用:脈衝、耦合、旁路等電路

鋁電解電容

符號:CD

電容量:0。47--10000u

額定電壓:6。3--450V

主要特點:體積小,容量大,損耗大,漏電大

套用:電源濾波,低頻耦合,去耦,旁路等

鉭電解電容(CA)、鈮電解電容(CN)

電容量:0。1--1000u

額定電壓:6。3--125V

主要特點:損耗、漏電小於鋁電解電容

套用:在要求高的電路中代替鋁電解電容

空氣介質可變電容器

可變電容量:100--1500p

主要特點:損耗小,效率高;可根據要求製成直線式、直線波長式、直線頻率式及對數式等

套用:電子儀器,廣播電視設備等

薄膜介質可變電容器

可變電容量:15--550p

主要特點:體積小,重量輕;損耗比空氣介質的大

套用:通訊,廣播接收機等

薄膜介質微調電容器

符號:可變電容量:1--29p

主要特點:損耗較大,體積小

套用:收錄機,電子儀器等電路作電路補償

陶瓷介質微調電容器

符號:可變電容量:0。3--22p

主要特點:損耗較小,體積較小

套用:精密調諧的高頻振盪迴路

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