电子电路基础 - 电容器
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简述
电容器是一种无源元件，能够以极板之间的电位差形式存储能量。它可以抵抗电压的突然变化。电荷以两块板之间的电位差形式存储，根据电荷存储的方向形成正负。在这两个板之间存在一个非导电区域，称为电介质。这种电介质可以是真空、空气、云母、纸、陶瓷、铝等。电容器的名称由所使用的电介质给出。 -
符号和单位
电容的标准单位是法拉。通常，可用的电容器的值将在微法拉、皮法拉和纳法拉的数量级。电容器的符号如下图所示。
电容器的电容与极板之间的距离成正比，与极板的面积成反比。此外，材料的介电常数越高，电容就越高。介质的介电常数描述了该介质中每单位电荷产生多少电通量。下图显示了一些实用的电容器。
当两个具有相同面积 A 和相同宽度的板以距离 d 相互平行放置时，如果向板施加一些能量，则该平行板电容器的电容可以称为 -$$C\:\:=\:\:\frac{\varepsilon_{0}\:\:\varepsilon_{r}\:\:d}{A}$$在哪里C = 电容器的电容$\varepsilon_{0}$ = 可用空间的介电常数$\varepsilon_{r}$ = 电介质的介电常数d = 板之间的距离A = 两个导电板的面积
施加一些电压后，电荷会沉积在电容器的两个平行板上。这种电荷沉积缓慢发生，当电容器两端的电压等于施加的电压时，充电停止，因为进入的电压等于离开的电压。充电速率取决于电容值。电容值越大，极板中的电压变化率越慢。 -
电容器的工作
电容器可以理解为储存电能的两端无源元件。该电能存储在静电场中。最初，电容器两块板上的正负电荷处于平衡状态。电容器没有充电或放电的趋势。负电荷是由电子的积累形成的，而正电荷是由电子的耗尽形成的。由于这种情况在没有任何外部电荷的情况下发生，这种状态是静电状态。下图显示了带有静电荷的电容器。
根据交流电源的正负循环变化，电子的积累和耗尽，可以理解为“电流流动”。这称为位移电流。该电流的方向不断变化，因为这是交流电。电容器充电
当给定外部电压时，电荷转化为静电荷。这发生在电容器充电时。电源的正电位，从电容器的正极板吸引电子，使其更正。而电源的负电位，迫使电子到电容器的负极板，使其更负。下图说明了这一点。
在充电过程中，电子通过直流电源移动，但不通过作为绝缘体的电介质。当电容器开始充电时，该位移很大，但随着充电而减小。当电容器两端的电压等于电源电压时，电容器停止充电。
让我们看看当电容器开始充电时电介质会发生什么。介电行为
当电荷沉积在电容器的板上时，会形成静电场。该静电场的强度取决于板上的电荷量和介电材料的介电常数。介电常数是电介质的量度，它是否允许静电线通过它。电介质实际上是绝缘体。它在原子的最外层轨道上有电子。让我们观察它们是如何受到影响的。当板上没有电荷时，电介质中的电子在圆形轨道上移动。如下图所示。
当发生电荷沉积时，电子倾向于向带正电的板移动，但它们仍然如图所示继续旋转。
如果电荷进一步增加，则轨道扩大得更多。但如果它仍然增加，则电介质会击穿电容器短路。现在，电容器已充满电，可以放电了。如果我们为他们提供从负极板到正极板的路径就足够了。电子在没有任何外部供应的情况下流动，因为一侧的电子数量过多，而另一侧几乎没有电子。这种不平衡通过电容器的放电来调节。此外，当找到放电路径时，介电材料中的原子往往会进入其正常的圆形轨道，从而迫使电子放电。这种放电使电容器能够在短时间内提供高电流，就像在相机闪光灯中一样。 -
颜色编码
要知道电容器的值，通常标记如下 -n35 = 0.35nF 或 3n5 = 3.5nF 或 35n = 35nF 等等。有时标记会像 100K，这意味着 k = 1000pF。那么该值将是 100 × 1000pF = 100nF。虽然这些数字标记现在正在使用，但很久以前就开发了一种国际颜色编码方案，以了解电容器的值。颜色编码指示如下所示。表带颜色 数字 A 和 B 乘数 公差 (t) > 10pf 公差 (t) < 10pf 温度系数 黑色的 0 × 1 ±20% ±2.0pF 棕色的 1 × 10 ±1% ±0.1pF -33 × 10-6 红色的 2 × 100 ±2% ±0.25pF -75 × 10-6 橙子 3 × 1,000 ±3% -150 × 10-6 黄色 4 × 10,000 ±4% -220 × 10-6 绿色的 5 × 100,000 ±5% ±0.5pF -330 × 10-6 蓝色的 6 × 1,000000 -470 × 10-6 紫色 7 -750 × 10-6 灰色的 8 × 0.01 +80%, -20% 白色的 9 × 0.1 ±10% ±1.0pF 金子 × 0.1 ±5% 银 × 0.01 ±10% 这些指示用于识别电容器的值。
在这五个波段的电容器中，前两个波段代表数字，第三个代表倍数，第四个代表容差，第五个代表电压。让我们看一个例子来了解颜色编码过程。示例 1 - 确定具有黄色、紫色、橙色、白色和红色颜色代码的电容器的值。解决方案- 黄色的值为 4，紫色为 7，橙色为 3，代表乘数。白色是±10，这是公差值。红色代表电压。但是要知道额定电压，我们有另一个表格，必须从中知道该电容器所属的特定频段。因此电容器的值为 47nF，10% 250v（V 波段的电压）下表显示了如何根据电容器所属的频段确定电压。表带颜色 额定电压 (V) J型 K型 L型 M型 N型 黑色的 4 100 10 10 棕色的 6 200 100 1.6 红色的 10 300 250 4 35 橙子 15 400 40 黄色 20 500 400 6.3 6 绿色的 25 600 16 15 蓝色的 35 700 630 20 紫色 50 800 灰色的 900 25 25 白色的 3 1000 2.5 3 金子 2000 银 在此表的帮助下，根据给定的颜色，可以知道每个电容器频段的电压额定值。额定电压的类型也表示电容器的类型。例如，J 型是浸渍钽电容器，K 型是云母电容器，L 型是聚苯乙烯电容器，M 型是电解带 4 电容器，而 N 型是电解带 3 电容器。如今，颜色编码已被前面提到的电容器值的简单打印所取代。 -
容抗
这是一个重要的术语。电容电抗是电容器对交流电流或简称为交流电流提供的阻力。电容器抵抗电流流动的变化，因此它显示出一些可以称为电抗的阻力，因为输入电流的频率也应与它提供的电阻一起考虑。符号：X C在纯电容电路中，电流I C超前施加电压 90° -
电容器的温度系数
在规定的温度范围内，电容器电容的最大变化可以通过电容器的温度系数得知。它指出当温度超过某一点时，电容器可能发生的电容变化被理解为电容器的温度系数。所有电容器的制造通常考虑到 25°C 的参考温度。因此，电容器的温度系数被认为是高于和低于该值的温度值。