电容超实用指南

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让我们从一个虚拟电路开始

设想一个由理想电压源或理想电流源驱动的纯电阻电路。在这个虚构的理想电路中，纯阻性元件（纯阻性负载电路）会迅速达到一个固定的电压降。一旦电路通电，元件上的电压降将保持恒定，电流也将始终稳定地流过它们。

让我们回到现实

然而，在现实中，没有电子或电路的行为与我们的虚拟电路完全相同。没有完全纯阻性的元件（甚至电阻器也会显示出一些电抗），也没有理想的电压源或电流源。即使电阻电路由恒压源或恒流源供电，它仍然需要经历一个瞬态过程，才能达到稳定的状态。因此，所有电路及其组件在施加电压或电流时都会经历电压或电流的变化。一个过程可能需要一段时间才能达到稳定状态。直流电路和直流信号

从广义上讲，电信号可分为直流信号和交流信号。任何电压源或电流源都是两端器件，可以在任何电路中沿两个方向传导电流。直流电路是一种电路，其中电流仅从驱动它的电压或电流源沿一个方向流动。因此，直流信号可以定义为具有固定极性且电压和电流仅在一个方向上变化的电信号。驱动电路的源极上的电流方向没有极性反转或变化。

实际上，DC 是一个广义术语。它也可以指电信号的直流分量或电气或电子元件的直流行为。直流信号可能具有随时间变化的电压或电流，但绝不会涉及电压极性的反转或电流方向的反转。

交流电路和交流信号
提供极性不断反转的电压的电压源称为交流电压源。同样，提供方向不断交变的电流的电流源称为交流电源。由交流电压源或交流电源供电的电路，具有电压极性反转和电流趋势交替变化的特点。这种电压和电流不断周期性改变方向的电路称为交流电路。交流信号可以定义为电压极性和电流方向周期性交替变化的电信号。电压和电流上升到峰值，反向下降到零，再次反向上升到峰值，然后下降到零，反向。这一直持续到信号保持有效。

信号、直流电路&交流电路
电压和电流的变化幅度（和方向）都是为了好的。如果信号不随时间变化，则它们没有实际用途。毕竟，电子产品就是处理电信号。直流电路处理电压和/或电流仅在一个方向上变化的电信号。交流电路处理电压和电流大小变化并不断交替改变方向的电信号。

对电流的更多抵抗： 电容和电感
类似的电子材料和元件显示出一些对电流的自然抵抗。这是由“阻力”定义的。他们还反对改变电流的大小和方向。这被定义为“电感”。电感来自电子材料和组件中感应的反向磁场，以响应变化或交流的电流。

类似地，电子材料和组件由于保留或存储电荷载流子而感应出相反的电场，因此表现出对电流的抵抗力。这被定义为“电容”。电阻仍然存在于 DC 和 AC 电路中，并显示出与DC 和 AC 信号相似的信号行为。只有带有脉动直流信号的交流或直流电路显示电感和电容。在涉及恒定直流信号的直流电路中，电感和电容不是很重要（并且也是不需要的）。

电阻以热的形式耗散电能，而电感和电容分别以磁场和电场的形式暂时储存电能，并以电能的形式再次返回电路。因此，与电阻的情况不同，电感或电容不会造成能量损失。

电容
电容是电子材料或元件的特性，它可以暂时储存电荷。电容是电子实体在施加的每单位伏特电位差下存储的电荷量。

C = Q/V
其中，
C = 电容（以法拉为单位）
Q = 存储电荷（以库仑为单位）
V = 外加电压（以伏特为单位）

显然，具有较高电容的组件每单位施加电压可以存储更多的电荷。并非所有材料或组件都可以存储电荷以响应施加的电位差。一些特殊的绝缘材料可以根据施加的电位差发生极化，从而表现出电容。这种电子材料称为介电材料或简称为电介质。幸运的是，空气或真空可以作为介电介质，允许在两个导体之间建立电场以响应施加的电压。

设计用于响应施加的电势差（电压）在电场中存储电荷的设备称为电容器。最简单的电容器可以是两个被空气或真空隔开的金属板（电极）。如果两块板子短接，无非是一根连接线。板之间空气或真空（一种介电介质）的存在使该装置能够存储具有一定电位差（电压）的电荷。

因此，任何电容器都是由介电介质分隔的两个电极（导电材料）的设置。电容的单位是法拉（库仑/伏特），以纪念迈克尔·法拉第。电介质在施加单位电压时决定每单位体积存储的电荷的特性称为介电常数。自由空间或真空的介电常数是称为绝对介电常数的常数，等于 8.85×10 -12法拉/米。介电介质相对于绝对介电常数的介电常数称为相对介电常数或介电常数。电容器的电容取决于其中使用的电介质的介电常数、电容器的形状、尺寸和结构。

电容单位
法拉对于表示标准电容来说太大了。因此，标准电容器的电容以法拉的分数表示，例如微法 (10 -6 F)、纳法 (10 -9 F) 和皮法 (10 -12 F)。

电容器的信号分析
让我们首先了解直流电路中电容器的行为。电容器设计用于在电路中临时存储电荷。最简单的带电容器的直流电路可以是电容器通过开关连接到电压源。电阻器（记住泄放电阻器）可以通过另一个开关与电容器并联连接以使电容器放电。

最初，电容器两端没有电势差，让我们假设最初没有电荷存储在电容器中。当电压源连接到电容器时，在电容器两端施加相等电压的电势差。响应施加的电压，电容器的电介质开始极化并开始以电场的形式存储电荷。下式给出了电容器可以存储的电荷：

Q = CV

因此，通过电容器的电流由下式给出：
i = dQ/dt
= d(CV)/dt
= C dV/dt

电容器两端的电压由下式给出：
dV = i/C。dt所以，∫dV = 1
/C * ∫i.dt
= 1/C * 0 ∫t i.dt

电容器的充电
电容器两端的电压与其存储的电荷成正比，与电容器的电容量成反比。响应施加的电压，电荷不会立即存储在电容器内。当在电容器两端施加电压时，它充当短路，并且最大电流流过它。通过电容器的电流随着电容器存储的电荷和电容器两端的电压以相同的速率增加而呈指数下降。当电容器两端的电压上升到与施加电压相等且相反时，通过电容器的电流停止。现在，电容器充当开路，没有电流流过它，同时在其上形成了相等且相反的电压。因此，电流仅在电容器两端的电压发生变化时才流过电容器。一旦电容器两端的电压变得恒定（与施加的电压相等且相反），就没有电流流过它。即使没有电流流过电容器，电容器两端的电压也会保持不变，因为电容器两端的电压变化率与电流成正比，与电容成反比；电容器的电容越大，其两端的电压变化率（电压上升）就越慢。

电容器放电
一旦电容器两端具有相等和相反的电压，它就会充满电，并保持等于 CV 的电荷，并且没有电流流过它。在改变或改变施加的电压之前，电容器两端的电流或电压不会发生变化。因此，在恒定的直流电路中，电容器将充满电（呈指数增长）并最终变为开路。现在，需要通过短路其端子或通过泄放电阻器对其进行放电。无论哪种方式，放电电流都会以与充电电流相反的方向流过电容器。与充电电流一样，放电电流最初最大，然后呈指数下降。电容器两端的电压也随着放电电流呈指数下降。

交流电路中的电容器
现在，让我们假设电压源是交流电。作为正弦电压源，施加的电压将由下式给出：
V = V m sin(ωt)
其中，
V = 波形在瞬间的电压
V m = 波形的峰值电压
ω = 波形
t的频率= 时刻

以下等式将给出通过电容器的电流：
i = C dV/dt
= C d(V m sin(ωt))/dt
= ω CV m cos(ωt)
= I m cos(ωt) 其中 I m = ω CV m
= I m sin(ωt + 90°)

电容器对电流的反作用称为容抗。以下等式给出：
X c = V/I
= V m /I m OR V rms /I rms
= 1/ωC

然后我们可以看到，当施加的电压上升到峰值时，通过交流电路电容器的电流超前电压 90° 或频率的 1/4，电容器充电，充电电流从最大值呈指数下降到零，同时电容器两端的电压呈指数增加，上升幅度与施加的电压相等且相反。因此，在所施加电压信号的 90° 相位角（信号频率的 1/4）下，通过电容器的充电电流已降至零（从最大值），并且电容器两端的电压已从零上升到峰值电压。

当施加的电压从峰值下降到零时，反向电流流过电容器，该电流从零上升到最大值。电容器两端的电压随着施加的电压而下降，降至零并对电容器放电。因此，在外加电压信号（信号频率的 1/2）相位角为 180°时，放电电流（此处为由于外加电压降低而反向的电流）沿相反方向流动，从零上升到电容器两端的最大值和电压从峰值下降到零。

现在，外加电压信号极性反转，外加电压沿相反方向从零上升到峰值。这再次开始为电容器充电，增加电容器两端的电压等于和相反的峰值电压（在相反方向）并将通过电容器的电流从峰值减小到零。因此，在施加的电压信号（信号频率的 3/4）的 270° 相位角处，电容器两端的电压已升高到极性相反的峰值，并且流过电容器的电流以相反方向流动下降到从峰值归零（在相反方向）。

随着施加的电压从峰值下降到反极性的零，电流正向流过电容器，从零上升到峰值，并且电容器两端的电压（反极性）从峰值下降到零。这会使电容器放电。因此，在施加电压信号的 360° 相位角（交流信号的一个周期完成）下，电容器两端的电压再次降至零，电容器放电，并且通过电容器的电流再次上升到峰值值在正方向。电容器的交流响应可以通过以下信号图来说明：

显示通过交流电路中电容器的电压和电流的图表

电容器的信号行为可归纳如下：

1) 电容器用于暂时将电荷存储在电路中，并在放电时返回电路。存储的电荷作为与充电电流方向相反的放电电流返回。

2）每当在任何方向上施加到电容器的电压增加时，电容器充电。通过它的电流呈指数下降，它两端的电压呈指数上升，直到它等于施加的电压。充电时，电容器两端的电压与施加的电压和电流相反，始终沿施加电压的方向（与电容器两端产生的电压相反）。

3）每当在任何方向上施加到电容器的电压降低时，电容器放电。通过它的电流呈指数增长，并且它两端的电压呈指数下降，直到电容器完全放电或放电到最低水平，具体取决于所施加信号的下降。放电时，通过电容器的电压沿着初始施加电压的方向发展。电流始终与最初施加的电压（充电电压）方向相反。

4）电流流过电容器，直到施加在它上面的电压发生变化。增加电压对电容器充电，降低电压使电容器放电。即使没有电流流过电容器，电容器两端的电压也会保持不变，直到由于施加的电压降低而放电，或通过电阻器（或负载）放电，或通过短路放电。

5) 在交流电路或对交流信号的响应中，流过电容器的电流总是超前其两端的电压 90°。通过电容器的电流不仅取决于电容和电压变化率，还取决于所施加信号的频率。

6) 电容器对电流的抵抗力（容抗）与其电容量和施加的电压频率成反比。电容器的电容量越高，其容抗越小。同样，外加电压信号的频率越高，其容抗越小。在充电到峰值电平后，电容器充当恒定直流信号的开路。因此，电容器可用于阻挡直流信号或电信号的直流分量。类似地，由于电容电抗的频率依赖性，电容器可用于过滤交流信号频率。

7) 由于电容器暂时储存电荷，所以它们被用于电存储器。

通过本文的介绍，我们希望能够为大家提供一些关于电容器的实用指南。电容器作为一种重要的电子元件，在各种电路和设备中都有着广泛的应用。了解电容器的基本原理、参数和选型方法，可以帮助我们在设计和维护电子设备时做出更明智的决策。

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