電容
(電學物理量之一)
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,導體接地等效于接到無窮遠處,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的物理量。電容從物理學上講,它是一種靜態(tài)電荷存儲介質,可能電荷會永久存在,這是它的特征,它的用途較廣,它是電子、電力領域中不可缺少的
電子元件。主要用于電源濾波、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。
中文名電容外文名Capacitance別 稱電容量國際單位
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。在電路學里,給定電勢差,電容器儲存電荷的能力,稱為電容(capacitance),標記為C。采用國際單位制,電容的單位是法拉(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,由于法拉這個單位太大,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系:
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(shù),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(shù),S為極板面積,d為極板間的距離)。
電容器的
電勢能計算公式:E=CU^2/2=QU/2=Q^2/2C
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
儲能器件,它能使穩(wěn)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,并向器件進行放電。為盡量減少阻抗,旁路電容要盡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。地電位是地連接處在通過大電流毛刺時的電壓降[2]
。
去耦,又稱解耦。從電路來說, 總是可以區(qū)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,由于電路中的電感,
電阻(特別是芯片管腳上的電感)會產(chǎn)生反彈,這種電流相對于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(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(qū)別[2]
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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并聯(lián)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(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(fā)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,從而緩沖了電壓。濾波就是充電,放電的過程[2]
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儲能型電容器通過整流器收集電荷,并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220~150 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,器件有時會采用串聯(lián)、并聯(lián)或其組合的形式, 對于功率級超過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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萬用表檢測電容
用數(shù)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(shù)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表板上的Cx插孔,選取適當?shù)牧砍毯缶涂勺x取顯示數(shù)據(jù)[3]
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2000p檔,宜于測量小于2000pF的電容;20n檔,宜于測量2000pF至20nF之間的電容;200n檔,宜于測量20nF至200nF之間的電容;2μ檔,宜于測量200nF至2μF之間的電容;20μ檔,宜于測量2μF至20μF之間的電容[3]
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經(jīng)驗證明,有些型號的數(shù)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。此時可采用串聯(lián)法測量小值電容。方法是:先找一只220pF左右的電容,用數(shù)字萬用表測出其實際容量C1,然后把待測小電容與之并聯(lián)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[3]
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二、用電阻檔檢測
實踐證明,利用數(shù)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(shù)字量反映充電電壓的變化情況。設數(shù)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(shù)。根據(jù)數(shù)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(shù)字萬用表電阻檔檢測電容器的方法,對于未設置電容檔的儀表很有實用價值。此方法適用于測量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
用數(shù)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,并且能精確測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、云母電容、獨石電容、電解電容、鉭電容等[2]
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無極性可變電容
制作工藝:可旋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(yōu)點:容易生產(chǎn),技術含量低。
缺點:體積大,容量小
用途:改變震蕩及諧振頻率電路。調頻、調幅、發(fā)射/接收電路[2]
無極性無感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: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/震蕩,音響,模擬/數(shù)字電路,高頻電源濾波/退耦[2]