电容器

简介

电容是有两个终端的电子元件。连同电阻、电感器,这三者是我们使用的最基础的耗能元件。你很难找到一个没有电容器的电路。

Capacitor variety hour

让电容特殊的是它的储电能力。它们像一个充电电池。电容在电路中拥有各种各样至关重要的应用。一般的应用包括储存能量,电压滤波,以及复杂信号的滤波。

本教程内容

在本文章中,我们会探讨有关电容器的话题,包括:

  • 如何制造一个电容
  • 电容器如何工作
  • 电容的单位
  • 电容的种类
  • 如何分辨电容
  • 串联、并联电路中的电容总和
  • 电容器的应用

建议阅读

本文章的一些概念建立在一些重要的电学概念基础之上。在你继续阅读本文章之前,建议阅读(至少浏览)以下相关文章:


符号和单位

电路符号

有两个表示电容器的符号。它们通常有两端,这两端要与电路中的其他部分连接。一种符号是两根较粗且不弯曲的平行直线。两条平行直线靠得很近但不接触。这实际上已经说明了如何制造一个电容器,但是描述起来很难,画图更直截了当:

Capacitor circuit symbols

(1)和(2)是标准的电容器电路符号。(3)是电容器应用在电压调控电路中的例子。

有曲线的符号(图2)表示电容器是有极性 的。本文章中的大部分电容器都用这种符号表示。

每个电容符号都要有一个名字,比如C1,C2等,以及一个值。这个值是指电容器的电容大小。也就是电容是多少法拉。(电容单位是法拉(F))

电容单位

不是所有电容器的电容值都一样的。每个电容器都拥有自己的电容值。电容值是指一个电容器能储存多少电量的能力,电容值越大,储电能力越强。电容的标准单位是法拉,可以简写成F。

1F是非常大的电容值,即使是0.001F(1mF)也是一个巨大的电容值。通常你看到的电容单位是pF(10-12)到mF(10-6)。

 

名称 符号 量级 与法拉相比
皮法 pF 10-12 0.000000000001 F
纳法 nF 10-9 0.000000001 F
微法 µF 10-6 0.000001 F
毫法 mF 10-3 0.001 F
千法 kF 103 1000 F

当你遇到法拉甚至是千法拉级的电容时,你遇到的是一种特殊的超级电容。


电容理论

接下来的部分不一定要初学者全部明白,直到文章后面,这一步分都是比较复杂的。我们建议阅读《如何制造一个电容器》这一章节,如果其他内容让你感到头痛,你可以忽略它们。

如何制造一个电容器

电容的符号实际上已经暗示了它是如何制造的。两块平行金属板之间有一个叫电介质的绝缘材料。两块金属板间隔非常近,但是中间的绝缘电解质保证它们不会互相接触。

Internal capacitor view

标准的电容器夹层:两块金属板被一块绝缘电介质分隔

电解质可以是各种各样的材料:纸,玻璃,橡胶,陶瓷,塑料或者是其他能让电流流过的材料。

两片材料是导体金属:铝,钽,银,或其他金属。两片金属都连着导线,两条线最终和电路的其他元件相连。

电容器的电容值——具有多少法拉——取决于它是如何制造的。更大的电容值意味着更大的电容器。两金属片之间重叠的部分越多,电容器的电容值越大,而金属片之间的距离越,电容值则越小。电解质也对电容有影响。电容可以用以下公式来计算:

C=er*A/(4*pi*d)

εr 是电解质的 介电常数(一个由电解质材料决定的常数), A是两块金属片的重叠面积,d是金属片之间的距离。

电容器如何工作

电荷的流动就是电流,电流使电灯点亮,使风扇转动,使任何电器能工作。当电流通到电容器时,它们不能穿越两块金属板,因为它们中间的电解质是绝缘的。电子——带负电的粒子——充满了其中一块金属板,这块板也就带满了负电。带负电的金属板将另一块金属板上等量的负电荷排斥走了,使另一块带正电。

Charged Cap Drawing

带正电和带负电的金属板互相吸引,因为异号电荷互相吸引。但因为中间的电解质,它们无法结合在一起,而电荷也会一直保持在金属片中。金属片上稳定的电荷创造了电场,影响了电势能和电压。当电容器的电量增长起来,电容器就像电池那样储存了电能。

充电和放电

充电就是使电容的两片金属板分别带上正电和负电。电容器能够保持电场——保留电量——因为每一片金属板都带上正电或负电,而它们永不接触。

在一定程度上,电容的电量已经多到不足以容纳更多的电荷了。其中一片金属板已经有足够的电子,这些电子会排斥任何想加入进来的电子。这就是电容器的储电能力,以法拉衡量,这告诉你一个电容器能带的最大电量是多少。

如果电路通路了,会使电量找到通向另一金属片的路径,使电容器的电量中和,这就是放电

例如,在下面的电路中,一个电池组可以用来在电容器两端产生电势。这会使电容器两金属板上带上等量异号的电量,知道电容器不能容纳更多的电荷。一个和电容串联的LED和电容形成通路,电容器中储存的能量可以用来点亮LED。

capacitor charge/discharge example

计算电量,电压,电流

一个电容器的电容——有多少法拉——告诉你它们储存多少的电量。一个电容器的储存的电量取决于电容器两端的电压。电量,电容,电压的关系可以用以下方程来描述:

Q=CV

电容器的电量Q是电容值和电压V的乘积

电容器的电容值是一个已知常量。因此我们可以调成电压大小来增加或减小电容器的电量。更大的电压就有更多的电量,较小的电压电量就比较少。这个方程提供我们定义法拉的好方法。1F就是在1V电压的情况下容纳1C电量的能力。

计算电流

我们要深入探索电量、电压、电容的关系式,找到电容和电压是如何影响电流的,因为电流是电荷的流动速度。电容中电压和电流的关系的主要内容是:电容器的电流取决于电压增加或减少的速率。如果电容两端的电压迅速增加,就会产生带正号的电流。电压改变的速率小,电流也随之变小。如果电容器的电压稳定不变,就不会有电流。

(这条方程有点丑,因为有微分在里面。如果觉得困难,可以跳过这部分)这个方程是:

i=Cdv/dt

dV/dt这部分是电压对时间的导数,这等价于:在这一瞬间电压增加或减少的速率。如果电压是稳定的,那么导数的结果就是0,也就是电流也是0.这就是为什么两端带有稳定直流电压的电容器不能产生电流。


电容器的种类

电容器有不同的种类,每种都有其特点让它在电路的应用中不可代替。

在选择一个电容器时,可以参考这些特性:

  • 大小 – 通常指物理体积的大小和电容值的大小。电容器成为电路中最大的元件是很正常的。虽然它们可以非常小,但是更多的是比较大的电容器。
  • 最大电压 – 每个电容器的两端电压都有一个最大值。一些电容器可能是1.5V,其他可能是100V.超过最大电压可能会摧毁电容器。
  • 漏电 – 电容器不是完美的。每一个电容器都会有微弱的电荷流过电解质。这就是漏电。漏电现象是电容器的电能慢慢地跑光。
  • 自带电阻(ESR) – 通常指物理体积的大小和电容值的大小。电容器成为电路中最大的元件是很正常的。虽然它们可以非常小,但是更多的是比较大的电容器。
  • 公差 – 电容器的电容值不可能是精确的预想中的数字。每个电容器的电容值都会和名义上的值有差别,差别的多少取决于电容器的种类。实际的电容值与预想值之间会有1%到20%的偏差。

陶瓷电容

陶瓷电容是最常见的一种电容。它的名字来自于电解质的材料。

陶瓷电容通常在物理体积和电容值上都比较小。你很难找到一个大于10uF的陶瓷电容。一个表面安装型陶瓷电容通常封装成0402(0.4mm*0.2mm),0603(0.6mm*0.3mm)或0805.穿孔安装式陶瓷电容通常看起来像小小电灯泡,两端都有一条金属线引申出来。

Ceramic Capacitors

两个穿孔安装式电容器。一个22pF(左)一个0.1uF(右)。中间的是0603表面安装型0.1uF电容。

C和其它比较受欢迎的电容器相比,陶瓷电容式一个接近理想的电容(自带电阻和漏电都比较小),但是它们比较小的电容值可能是一个缺点。它们通常也是最不昂贵的一种选择。这些电容器同样适用于高频耦合和去耦。

铝电解电容和电解钽电容

电解式电容的好处在于它的体积通常比较小。如果你想找一个1uF到1mF之间的电容,最好去找电解电容。它们能适应比较大的电压,因为它们的最大电压值比较高。

电解铝电容是电容家族中最受欢迎的一员。它通常看起来像罐子,底部有两条导线。

Electrolytic caps

即可穿孔安装又可表面安装的电容。每一个都有阴极引脚。

很不幸运,电解电容通常是有极性的。它们有一个正极引脚——阳极,一个负极引脚——阴极。当在电容两端加上电压时,电容器阳极的电位一定要比阴极的电位高。电容器的阴极通常有一个“-”号标记符。阳极的引脚通常比阴极引脚长。如果将电容器反接在电路中(电位差相反),电容器就永久废掉了。一个爆炸后的电解电容看起来像经历了短路。

这些电容也因为漏电而臭名昭著——电流(nA级别)从一极流向另一极。这使电解电容在储存电能上不是那么理想。

超级电容

如果你想找一储存电能的电容器,超级电容是一个很好的选择。这些电容被独特地制造成具有法拉级别的电容值。

Supercapacitor

一个1F的超级电容器。超高的电容值,但是只能承受最大2.5V电压。这也是有极性的。

虽然超级电容能储存大量的电量,但是它不能承受太大的电压。一个10F的超级电容只能承受2.5V以内的电压。超过这个值就会摧毁它。超级电容通常串联在电路中,这样就可以适应一个比较大的电压(与之串联的元件承担了部分电压)。

超级电容的主要应用是充电和放电,就像它的竞争对手电池。虽然超级电容不能储存比同样大小电池多的电量,但是它放电速度更快,寿命更长。

其他内容

80%的电容器都是电解电容和陶瓷电容,超级电容只占2%。另一种比较流行的电容是薄膜电容,它的特点是自带电阻非常小,在有大电流时优点非常明显。

另外还有许多不太常见的电容器。可变电容器的容量有一个可调整的范围,这使它成为调谐电路中可变电阻的替选品。两根金属导线和PCB板之间可以形成电容器,因为它们中间被绝缘电解质隔离者。莱顿瓶(畜电器)——一个被导体填满包围的玻璃瓶——是电容器家族的老大。最后,磁通电容器(电感器和电容器的奇怪组合)是至关重要的。


串联和联电路中的电容器

就像电阻, 多个电容器可以在电路中串联或并联组成一个统一的电容器。然而,总电容的计算恰好和总电阻的计算想反。

并联电容

并联电路中电容器的总容量等于各电容容量之和。这和串联电阻的情况类似。

Capacitors in parallel add

例如,如果你有三个电容器,10uF,1uF和0.1uF,并联在电路中总容量就是11.1uF(10+1+0.1)。

串联电路中的电容器

就像将并联电路中的电阻加起来那样痛苦,串联电路中电容的相加也是那么难啃。N个串联电阻的总容量的倒数是各部分电阻容量的倒数之和。

Capacitors in series are the inverse of the sum of their inverses

如果电路中只有两个电容器,你可以用“积除以和”的方法去计算总容量:

Equation for 2 capacitors in series Ctot=C1*C2/(C1+C2)


应用举例

电容器应用范围很广泛。举几个例子:

退耦电容

你在大多数电路看到的电容都是用来退耦的。退耦电容用于高频消振,消除高频信号中的躁波。它们可以除去电源的电压波动,避免损坏脆弱的集成电路芯片。

退耦电容可以作为集成电路芯片的内置电源(就像电脑内部的不断续电源)。如果外置电源的电压突然下降,一个退耦电容可以提供补偿电压。它们通常被叫做旁路电容,可以在一定时间内充当电源。

退耦电容两端电压是5.5V或3.3V。用两个不同容量甚至是不同类型的电容器充当旁路电源并非罕见,因为一些电容器在滤除某个特定频率的躁波比较有优势。

Decoupling capacitor schematic

在这幅图中,三个退耦电容用于减少积分器供应电源电压的躁波。两个0.1uF的陶瓷电和一个10uF的钽电解电容被用于退耦。

这看起来像电源和地之间短路了,只有高频信号才能经过电容器通往地端。直流信号会直接传送到IC。另一个它们被叫做旁路电容的原因是高频信号绕过了芯片,直接从电容器通向地端。

当我们连接一个退耦电容时,它们通常尽量和芯片靠得近一些。离得越远,它们的效果越差。

ADXL345 breakout decoupling caps

图中是一个物理电路。小小的黑色集成芯片旁边有两个0.1uF的电容器和一个10uF的钽电解电容(高的,长方形的电容器)。

一个好的集成芯片,至少会有一个退耦电容。通常0.1uF是好的选择,1uF或10uF也可以。它们很便宜,可以保证芯片不会被突然过大的电压损坏。

电源滤波

二极管整流器 可以将交流电压转换成直流电压。但是一个单独的二极管没有办法将交流电转换成直流电,它需要电容器的帮助。将一个电容器并联到桥式整流器中,整流器的信号本来是这样:

Rectification pre-Cap

信号会被转换成这样:

Rectification post-cap

电容会抵抗电压的突然变化。当整流器的电压增加时,滤波电容会被充电。当整流器的电压有非常大的下降趋势时,电容器会慢慢放电,为电路提供能量。在整流器电压信号开始再次上升之前,电容器最好不要完全放电。这种电压的增减变化在一秒之内会发生许多次。

Power supply circuit

一个交流到直流的转换电路。滤波电容C1至关重要,因为它时电路的直流信号变得光滑。

如果你将交-直转换电路剖解,你一定可以至少找到一个大型的电容器。下图是9V的直流电压调整器的拆解图。看一看里面的每个电容器:

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电容器的数量比你想象的要多。这里有四个看起来来像小罐子的电解电容,容量在47uF到1000uF之间。那个大的、长方形的黄色电容器是一个高电压的聚丙烯薄膜电容器,容量是0.1uF。蓝色圆盘状和绿色的小小那只都是陶瓷电容。

储电和供电

如果一个电容器储存了电能,那么很明显它的其中一个用途就是供电,就像电池那样。但问题是和电池相比,电容器的能量密度比较小,和相同大小的化学电池相比,它们储存的电量少一点(但也只是一点而已!)。

电容器的一个好处是它们寿命比电池的长,这使它们成为一种环境友好的选择。电容器还有一个本领,它的放电速度绝对比电池快,有时需要一些短促的但是爆发力强的能量时就需要它们了。照相机的闪光灯的电能就是来自电容器的(电容器的电能来自电池)。

电池还是电容?

电池 电容器
容量
能量密度
充、放电速度
寿命

 

信号滤波

滤波电容能将一定频段内的信号从总信号中去除。当只需要高频信号时,它可以将低频信号去除掉。它就像高频信号俱乐部的保镖。

滤波信号可以被用在各种信号接收设备中。收音机会利用电容器将不需要的频率去除。

另一个电容器的应用例子是扩音器里的分频电路,也就是将声音信号分成许多不同频段。一个串联的电容器会滤掉低频信号,剩下的高频信号就会到达这一对扩音器。在低通滤波电路里,高频信号会被并联电容器滤掉。

Crossover schematic

一个简单音箱分频电路。电容器阻拦了低频信号,电感器阻拦了高频信号。每一个扬声器都能接收到对应的信号。

降级

When working with capacitors, it’s important to design your circuits with capacitors that have a much higher tolerance than the potentially highest voltage spike in your system.

如果要使用电容器,电容器要有一个比电压最大值要大得多的耐受度。
这里有一个SparkFun的工程师Shawn的优秀视频,是关于当你降低电容器级别并使电压过大时,你的电容器会发生什么。你可以在这里了解更多本实验的内容。


资源和深入学习

现在是不是感觉自己像一个电容器专家呢。想持续学习电学基础知识?如果你已经准备好了,可以尝试阅读关于以下电子部件的文章:

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