電容
(電學(xué)物理量之一)
鎖定
電容(Capacitance)亦稱作“電容量”,是指在給定電位差下的電荷儲(chǔ)藏量,記為C,國(guó)際單位是
法拉(F)。一般來(lái)說(shuō),電荷在電場(chǎng)中會(huì)受力而移動(dòng),當(dāng)導(dǎo)體之間有了介質(zhì),則阻礙了電荷移動(dòng)而使得電荷累積在導(dǎo)體上,造成電荷的累積儲(chǔ)存,儲(chǔ)存的電荷量則稱為電容。
電容是指容納電場(chǎng)的能力。任何靜電場(chǎng)都是由許多個(gè)電容組成,有靜電場(chǎng)就有電容,電容是用靜電場(chǎng)描述的。一般認(rèn)為:孤立導(dǎo)體與無(wú)窮遠(yuǎn)處構(gòu)成電容,導(dǎo)體接地等效于接到無(wú)窮遠(yuǎn)處,并與大地連接成整體。
電容(或稱電容量)是表現(xiàn)電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量。電容從物理學(xué)上講,它是一種靜態(tài)電荷存儲(chǔ)介質(zhì),可能電荷會(huì)永久存在,這是它的特征,它的用途較廣,它是電子、電力領(lǐng)域中不可缺少的
電子元件。主要用于電源濾波、信號(hào)濾波、信號(hào)耦合、諧振、濾波、補(bǔ)償、充放電、儲(chǔ)能、隔直流等電路中。
中文名電容外文名Capacitance別 稱電容量國(guó)際單位
法拉(F)
定義
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(xué)里,給定電勢(shì)差,電容器儲(chǔ)存電荷的能力,稱為電容(capacitance),標(biāo)記為C。采用國(guó)際單位制,電容的單位是法拉(farad),標(biāo)記為F。
電容的符號(hào)是C。
C=εS/d=εS/4πkd(真空)=Q/U
單位及轉(zhuǎn)換
在
國(guó)際單位制里,電容的單位是
法拉,簡(jiǎn)稱法,符號(hào)是F,由于法拉這個(gè)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(guān)系是:
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(guān)系:
1伏安時(shí)=1瓦時(shí)=3600
焦耳
W=0.5CUU
計(jì)算公式
一個(gè)電容器,如果帶1庫(kù)的電量時(shí)兩級(jí)間的
電勢(shì)差是1伏,這個(gè)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(gè)常數(shù),S為電容極板的正對(duì)面積,d為電容極板的距離,k則是
靜電力常量。常見(jiàn)的平行板電容器,電容為C=εS/d(ε為極板間介質(zhì)的介電常數(shù),S為極板面積,d為極板間的距離)。
電容器的
電勢(shì)能計(jì)算公式:E=CU^2/2=QU/2=Q^2/2C
多電容器
串聯(lián)計(jì)算公式:1/C=1/C1+1/C2+…+1/Cn
三電容器串聯(lián):C=(C1*C2*C3)/(C1*C2+C2*C3+C1*C3)[1]
電容的作用
旁路電容是為本地器件提供能量的
儲(chǔ)能器件,它能使穩(wěn)壓器的輸出均勻化,降低
負(fù)載需求。就像小型可充電電池一樣,旁路電容能夠被充電,并向器件進(jìn)行放電。為盡量減少阻抗,旁路電容要盡量靠近負(fù)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(guò)大而導(dǎo)致的地電位抬高和噪聲。地電位是地連接處在通過(guò)大電流毛刺時(shí)的電壓降[2]
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去耦,又稱解耦。從電路來(lái)說(shuō), 總是可以區(qū)分為驅(qū)動(dòng)的源和被驅(qū)動(dòng)的負(fù)載。如果負(fù)載電容比較大, 驅(qū)動(dòng)電路要把電容充電、放電, 才能完成信號(hào)的跳變,在上升沿比較陡峭的時(shí)候, 電流比較大, 這樣驅(qū)動(dòng)的電流就會(huì)吸收很大的電源電流,由于電路中的電感,
電阻(特別是芯片管腳上的電感)會(huì)產(chǎn)生反彈,這種電流相對(duì)于正常情況來(lái)說(shuō)實(shí)際上就是一種噪聲,會(huì)影響前級(jí)的正常工作,這就是所謂的“耦合”。
去耦電容就是起到一個(gè)“電池”的作用,滿足驅(qū)動(dòng)電路電流的變化,避免相互間的耦合干擾,在電路中進(jìn)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(jié)合起來(lái)將更容易理解。旁路電容實(shí)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(kāi)關(guān)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(jù)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(jù)電路中分布參數(shù)、以及驅(qū)動(dòng)電流的變化大小來(lái)確定。旁路是把輸入信號(hào)中的干擾作為濾除對(duì)象,而去耦是把輸出信號(hào)的干擾作為濾除對(duì)象,防止干擾信號(hào)返回電源。這應(yīng)該是他們的本質(zhì)區(qū)別[2]
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從理論上(即假設(shè)電容為純電容)說(shuō),電容越大,阻抗越小,通過(guò)的頻率也越高。但實(shí)際上超過(guò)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(huì)增大。有時(shí)會(huì)看到有一個(gè)電容量較大電解電容并聯(lián)了一個(gè)小電容,這時(shí)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(guò)。具體用在濾波中,大電容(1000μF)濾低頻,小電容(20pF)濾高頻。曾有網(wǎng)友形象地將濾波電容比作“水塘”。由于電容的兩端電壓不會(huì)突變,由此可知,信號(hào)頻率越高則衰減越大,可很形象的說(shuō)電容像個(gè)水塘,不會(huì)因幾滴水的加入或蒸發(fā)而引起水量的變化。它把電壓的變動(dòng)轉(zhuǎn)化為電流的變化,頻率越高,峰值電流就越大,從而緩沖了電壓。濾波就是充電,放電的過(guò)程[2]
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儲(chǔ)能型電容器通過(guò)整流器收集電荷,并將存儲(chǔ)的能量通過(guò)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220~150 000μF 之間的鋁電解電容器是較為常用的。根據(jù)不同的電源要求,器件有時(shí)會(huì)采用串聯(lián)、并聯(lián)或其組合的形式, 對(duì)于功率級(jí)超過(guò)10KW 的電源,通常采用體積較大的罐形螺旋端子電容器[2]
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萬(wàn)用表檢測(cè)電容
用數(shù)字萬(wàn)用表檢測(cè)電容器,可按以下方法進(jìn)行。
一、用電容檔直接檢測(cè)
某些數(shù)字萬(wàn)用表具有測(cè)量電容的功能,其量程分為2000p、20n、200n、2μ和20μ五檔。測(cè)量時(shí)可將已放電的電容兩引腳直接插入表板上的Cx插孔,選取適當(dāng)?shù)牧砍毯缶涂勺x取顯示數(shù)據(jù)[3]
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2000p檔,宜于測(cè)量小于2000pF的電容;20n檔,宜于測(cè)量2000pF至20nF之間的電容;200n檔,宜于測(cè)量20nF至200nF之間的電容;2μ檔,宜于測(cè)量200nF至2μF之間的電容;20μ檔,宜于測(cè)量2μF至20μF之間的電容[3]
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經(jīng)驗(yàn)證明,有些型號(hào)的數(shù)字萬(wàn)用表(例如DT890B+)在測(cè)量50pF以下的小容量電容器時(shí)誤差較大,測(cè)量20pF以下電容幾乎沒(méi)有參考價(jià)值。此時(shí)可采用串聯(lián)法測(cè)量小值電容。方法是:先找一只220pF左右的電容,用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)出其實(shí)際容量C1,然后把待測(cè)小電容與之并聯(lián)測(cè)出其總?cè)萘緾2,則兩者之差(C1-C2)即是待測(cè)小電容的容量。用此法測(cè)量1~20pF的小容量電容很準(zhǔn)確[3]
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二、用電阻檔檢測(cè)
實(shí)踐證明,利用數(shù)字萬(wàn)用表也可觀察電容器的充電過(guò)程,這實(shí)際上是以離散的數(shù)字量反映充電電壓的變化情況。設(shè)數(shù)字萬(wàn)用表的測(cè)量速率為n次/秒,則在觀察電容器的充電過(guò)程中,每秒鐘即可看到n個(gè)彼此獨(dú)立且依次增大的讀數(shù)。根據(jù)數(shù)字萬(wàn)用表的這一顯示特點(diǎn),可以檢測(cè)電容器的好壞和估測(cè)電容量的大小。下面介紹的是使用數(shù)字萬(wàn)用表電阻檔檢測(cè)電容器的方法,對(duì)于未設(shè)置電容檔的儀表很有實(shí)用價(jià)值。此方法適用于測(cè)量0.1μF~幾千微法的大容量電容器[3]
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三、用電壓檔檢測(cè)
用數(shù)字萬(wàn)用表直流電壓檔檢測(cè)電容器,實(shí)際上是一種間接測(cè)量法,此法可測(cè)量220pF~1μF的小容量電容器,并且能精確測(cè)出電容器漏電流的大小[3]
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電容的種類
電容的種類可以從原理上分為:無(wú)極性可變電容、無(wú)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、云母電容、獨(dú)石電容、電解電容、鉭電容等[2]
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無(wú)極性可變電容
制作工藝:可旋轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)片為同軸金屬片,定片為有機(jī)薄膜片作介質(zhì)
優(yōu)點(diǎn):容易生產(chǎn),技術(shù)含量低。
缺點(diǎn):體積大,容量小
用途:改變震蕩及諧振頻率電路。調(diào)頻、調(diào)幅、發(fā)射/接收電路[2]
無(wú)極性無(wú)感CBB電容
制作工藝:2層聚丙乙烯塑料和2層金屬箔交替夾雜然后捆綁而成。
優(yōu)點(diǎn):無(wú)感,高頻特性好,體積較小
缺點(diǎn):不適合做大容量,價(jià)格比較高,耐熱性能較差。
用途:耦合/震蕩,音響,模擬/數(shù)字電路,高頻電源濾波/退耦[2]