實用電子學/電容器

電容器

電容器是一種可以用來充電、放電或以電場形式儲存電能的器件。

電容器的結構

該器件由兩個導電“板”構成，它們之間隔著一層薄薄的絕緣層，稱為介電質。

電容器的符號

電容

電容定義為在給定電壓下每個板上儲存電荷的能力，它與介電常數、極板面積成正比，與兩個極板之間的距離成反比。

C={\frac {Q}{V}}

= ε

{\frac {A}{l}}

電容的符號為 C，單位為法拉，符號為 F。

電容器與電力

當在電容器的極板上施加電壓時，每個極板上的電荷符號相反，直到每個極板上的電壓等於施加的電壓為止，然後每個極板將具有電荷 Q 和電壓 V。此過程稱為電容器充電

Q = q₁ + q₂ + ... = $\int Idt$

電荷與電壓之比給出電容器的電容。

$C={\frac {Q}{V}}$

此時，當每個極板的電壓都與施加電壓相等時，電路中沒有電流流動。電容器的每個極板都有一個電壓 V。電容器儲存電能。

如果將電容器與電源斷開，電容器仍然具有電壓 V，如果觸控它會造成電擊。因此，在斷開電容器時必須小心。

如果將帶電電容器接地，電流開始從電容器流向地線，直到電容器上的電壓降至零。此過程稱為電容器放電。

特性

電荷

Q = q₁ + q₂ + ...

$Q=\int Idt$

電容

$C={\frac {Q}{V}}$

電壓

$V={\frac {1}{C}}\int Idt$

電流

$I=C{\frac {dV}{dt}}$

電抗

電抗定義為電壓與電流之比。

X_{C}={\frac {{\frac {1}{C}}\int Idt}{I}}

$X_{C}={\frac {1}{\omega C}}$ /_-90
$X_{C}={\frac {1}{j\omega C}}$
$X_{C}={\frac {1}{sC}}$

阻抗

由於所有導體都具有電阻，因此實際電容器的阻抗被定義為電容器的電抗和電阻之和。

$Z_{C}=R_{C}+X_{C}$
$Z_{C}={\sqrt {R_{C}^{2}+({\frac {1}{sC}})^{2}}}$ /_ Tan^-1 ${\frac {1}{\omega RC}}$
$Z_{C}=R_{C}+{\frac {1}{j\omega C}}$
$Z_{C}=R_{C}+{\frac {1}{sC}}$

頻率響應

電容器是依賴頻率 $\omega$ 的工具。

$\omega =0,X_{C}=00$ , 電容器開路，I = 0
$\omega =00,X_{C}=0$ , 電容器短路，I ≠ 0
$\omega ={\frac {1}{CR_{C}}}$

X_{C}=R_{C}

,

Z_{C}={\sqrt {2}}R_{C}

,

V_{C}={\frac {V}{2}}

I_{C}={\frac {V}{2R_{C}}}

在三個頻率點 ω = 0, 00 , 1 / CR_C I - f 曲線可以繪製出來，以顯示電容器中的電流隨時間的變化情況。

相位角

當在電容器兩端施加電壓時，電容器需要一段時間才能導通電流。因此，電容器上的電流將滯後於電壓一個角度 θ。

對於沒有內阻的理想無損電容器，電流將滯後於電壓 90°。對於具有內阻的非理想無損電容器，電流將滯後於電壓一個角度 θ。

$Tan\theta ={\frac {1}{2\pi f}}{\frac {1}{CR}}$

相位角與時間頻率或時間以及 C 和 R_C 的值有關。當相位角發生變化時，時間和頻率也會發生變化。因此，RC 網路被用於移相。

$f={\frac {1}{2\pi }}{\frac {1}{Tan\theta }}{\frac {1}{CR}}$
t = 2π Tanθ CR_C

電容器網路

串聯連線

多個電容器串聯。

當 n 個電容器串聯連線時，總電容為

${\frac {1}{C_{t}}}={\frac {1}{C_{1}}}+{\frac {1}{C_{2}}}+...+{\frac {1}{C_{n}}}$

當有兩個相同電容的電容器串聯連線時，這兩個電容器的總電容正好減半。

並聯連線

當 n 個電容器並聯連線時，總電容為

$C_{t}=C_{1}+C_{2}+...+C_{n}$

當有兩個相同電容的電容器並聯連線時，這兩個電容器的總電容正好翻倍。

電壓

電容器只能承受一定電壓，超過這個電壓，介質就會擊穿，電流就會流過電容器。發生這種情況時，電容器就會損壞。對於某些型別的電容器，這可能會導致爆炸。

電容器的常見電壓限制為

10V
16V
25V
35V
63V
100V
200V
450V

此列表並不詳盡，還有許多電容器的電壓額定值介於這些值之間。

溫度

一些電容器包含液體，不能讓液體沸騰或結冰。因此，它們具有特定的工作溫度範圍和儲存溫度範圍，如果要保持電容器完好無損，則不能超過這些範圍。這對電解電容器尤其重要。

電容器的常見最高溫度範圍為

85 °C
105 °C

電容器

電容器本質上是一種儲存電能的裝置，並在“充滿”後釋放電能。這種儲存通常由兩個彼此靠近且相互絕緣的導體構成。

電容器型別

有很多不同型別的電容器可用。我們最感興趣的是電解電容器和陶瓷電容器，因為它們是通用的，適合我們的工作水平。有關更多型別，請參閱維基百科文章。

鉭電容器

鉭電容器由於其低漏電流、可靠性和在很寬的溫度範圍內保持穩定電容的能力而非常有用。下面是一個圖

它們有特殊的標記。側面的條紋表示極性。通常，對於商店購買的元件，較長的引線為正。警告：反向極性連線鉭電容很容易損壞或破壞電容。通常，它會在 µF 中寫下電容，並在其下方寫下工作電壓。在某些情況下（通常當 µF 未列印時），值（以 pF 為單位）用三個數字編碼；前兩位是有效數字，第三位是乘數（即零的個數）。鉭電容最常見的是浸漬式的，具有光亮的塗層，顏色也不同，有黃色、紅色，有時還有藍色。大多數軸向鉭電容看起來完全不同。

SMT 型號上的深色線是正極。浸漬式軸向通孔型號將用 + 或深色線標記以指示正極。

陶瓷電容

陶瓷電容通常是非極性的，幾乎與徑向電解電容一樣常見。

陶瓷盤

陶瓷電容通常採用陶瓷圓盤的形式，有兩個引腳向下突出。這些電容器是非極性的 - 無論它們在電路中如何放置都無關緊要。電容值從低於 1pF 的下限到大約 100nF 不等。它們有時會表現出漂移，即電容由於環境條件而發生變化。這通常不是問題，但您應該注意它。

電解

軸向電解電容是兩端都有連線的電解電容。這些電容最常用於沒有空間安裝垂直電容的裝置中。

箭頭條紋表示極性，箭頭指向負極引腳。警告：反向極性連線電解電容很容易損壞或破壞電容。大多數大型電解電容在上面標有電壓、電容、溫度額定值和公司名稱，沒有任何特殊的顏色編碼方案。大多數電解電容通常為淡藍色、黑色、深紫色或棕色，但一些專用電容為黃色和其他顏色。如果由於某種原因您不確定極性，外殼始終是負極連線。大多數軸向電容的兩端都是可見的。正極端有一個橡膠絕緣，負極端只有鋁。

徑向電解電容類似於軸向電解電容，只是兩個引腳從同一端引出。通常，該端（“底部端”）平放在 PCB 上，電容器垂直於其所安裝的 PCB 升起。這種型別的電容器可能至少佔消費電子產品中電容器的 70%（不使用 SMT 元件）。見上圖。

與它們的軸向對應物一樣，許多徑向電解電容直接在其上寫有電壓、電容、溫度額定值、極性和公司名稱，沒有任何特殊的顏色編碼方案。

電解電容器在每體積單位中具有非常大的電容，這使得它們非常適合大於 1μF 的電容。它們採用圓柱體的形式，高度從幾毫米到幾百毫米不等。包裝主要有兩種型別：軸向和徑向。軸向電容器通常比徑向電容器稀有，並且在圓柱體的每一端都有一個引線。徑向電容器的兩個引線都在同一端。

這些電容器是極化的，必須正確連線。負極或陰極通常以以下任何一種方式標記

電容器陰極側的條紋，通常帶有減號印刷在其上
陽極的引線比陰極的引線短（在軸向電容器上找不到）
在電容器末端印有減號，靠近負極引線。

如果電解電容器連線不正確、過熱或跨過它們電壓過高，它們可能會劇烈爆炸。較大的電容器在金屬端部刻有通風孔，但它們仍會發出非常響亮的聲音（可能會損傷聽力）並從破裂處噴出熱的電解質。爆炸還可能導致彈片，這就是為什麼在使用它們時戴安全眼鏡是個好主意，尤其是第一次使用時

它們通常具有較差的公差，並且主要用於電容精度不重要的場合，例如電源平滑、加固等。

電容器標籤

電容器上的標記通常標識其特性和安全使用引數。其電容值以法拉為單位，或以微法拉、納法拉或皮法拉等公制單位為單位。標記通常根據電容器的型別進行編碼，並根據電容器的型別而有所不同，具體取決於可用於指定的空間和預期用途。

電解電容器以十進位制數和西方字元書寫，例如 10uF 表示 10 微法拉，或 10x10^-6 法拉。

陶瓷盤電容和某些其他電容以皮法拉或 1x10^-12 法拉的數字程式碼標記。要解碼，將 3 位數程式碼的前兩位數作為前兩位數，然後在其後新增與第三位數匹配的零佔位符。這現在是 pF 中的電容。所以 104 將是 100000pF 或 100nF。一些電容器的標記方式類似，但編碼為納法拉。需要製造商的規格才能區分。這種型別的電容器的大小會因其電容而異，並且可以透過大小來比較其值，前提是兩者都是由相同的材料製成的。

雲母電容器在 2006 年不再常用，但非常穩定，並用六點顏色程式碼標記。首先找到箭頭，並將包裝件與箭頭指向右側並從左上角開始，以與電阻顏色程式碼類似的順序順時針讀取六種顏色。第一個是電容器型別，第二個和第三個是有效數字，第四個（右下角）是乘數（尾隨零的個數），第五個是公差，第六個（左下角）是等級或特性程式碼。

安全

如果電容器過載或連線不正確，可能會爆炸。這會導致巨響和可能產生的彈片，可能會損害聽力和視力，以及噴出熱的（或汽化的）電解質，可能會灼傷皮膚並損害視力。如果您是第一次使用電容器，戴安全眼鏡是個好主意。

大型電容器，尤其是電視機中使用的那些高壓電容器，可能會在其上儲存致命電荷。在靠近它們之前，務必確保電容器已完全放電。

可能會發生

具有鋁製外殼（電解）的極化徑向電容器，其尖端為圓形，通常已停用或即將停用。
帶有一個小黑點的電容器通常是已經達到其擊穿電壓的電容器；也就是說，電弧已透過介電層，不再適合使用。
透過以高容量放電帶電電容器，可能會發生將導體焊接在一起。

參考

維基百科電容器