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電容是什么？

什么是電容？電容（Capacitance）亦稱作“電容量”，是指在給定電位差下自由電荷的儲藏量，即為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(dǎo)體之間有了介質(zhì)，則阻礙了電荷移動而使得電荷累積在導(dǎo)體上，造成電荷的累積儲存，儲存電荷量則稱為電容。

電容是指容納電荷的能力。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(dǎo)體與無窮遠處構(gòu)成電容，導(dǎo)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(lǐng)的物理量。電容從物理學(xué)上講，它是一種靜態(tài)電荷存儲介質(zhì)，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(lǐng)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。

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=εrS/4πkd（真空）=Q/U

注：電容是一種容納電荷的能力，電容器是一種元器件

電容原理解讀

一、基本原理（電荷異性相吸）：回顧中學(xué)，庫倫定理中的相關(guān)知識。

1、存在兩種電荷，正電荷和負電荷。

2、同性電荷相斥，異性電荷相吸。

3、使物體帶電一共有三種方式,即接觸起電、摩擦起電、感應(yīng)起電。 4.電荷守恒定律：在一個與外界沒有電荷交換的系統(tǒng)內(nèi)，正負電荷的代數(shù)和保持不變。

二、電容決定式解讀：

1、電容容量的決定式高中公式：C=εS/4πkd 這里ε是指材料和真空介電常數(shù)的比值。 S是電容器兩極板的正對面積。 d是電容器兩極板之間的距離。

2、大學(xué)公式：C=εS/d 這里ε就是指材料的介電常數(shù)，介電常數(shù)是指物質(zhì)保持電荷，束縛電荷的能力，真空介電常數(shù)為ε0，而且有等式ε0=1/4πk。兩種公式是一樣的。

a、極板間的距離越小，兩極板的面積大，電容量也越大。

b、不同的介質(zhì)對極板上的正負電荷間的作用的影響不同。

在金屬導(dǎo)體構(gòu)成的電路中，正電荷是固定的，電子是自由移動的，加上電源后，電子在電場的作用下沿著導(dǎo)線運動，電子的流入使電極板表現(xiàn)出負性，電子的流出使電極板表現(xiàn)出正性。

電容器的分類

電容器按照介質(zhì)材料、用途、極性、封裝可以進行如下分類：

常用電容器介紹

1、陶瓷電容

用陶瓷做介質(zhì)，在陶瓷基體兩面噴涂銀層，然后燒成銀質(zhì)薄膜做極板制成。它的特點是體積小、耐熱性好、損耗小、絕緣電阻高，但容量小，適于高頻電路。

2、鋁電解電容

它是由鋁圓筒做負極，里面裝有液體電解質(zhì)，插入一片彎曲的鋁帶做正極制成。還需要經(jīng)過直流電壓處理，使正極片上形成一層氧化膜介質(zhì)。它的特點是容量大，但是漏電大、穩(wěn)定性差，有正負極性，適宜用于電源濾波或者低頻電路中。

3、鉭電容

鉭電容由金屬鉭做正極，用稀硫酸等配液做負極，用鉭表面生成的氧化膜做介質(zhì)，它的特點是體積小、容量大、性能穩(wěn)定、壽命長、絕緣電阻大、溫度特性好。可廣泛用于電源濾波、旁路、去耦。用在要求較高的設(shè)備中。

電容器的主要特性

1、標稱電容量：為標志在電容器上的電容量。但電容器實際電容量與標稱電容量是有偏差的，精度等級與允許誤差有對應(yīng)關(guān)系。一般電容器常用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級，電解電容器用Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級表示容量精度，根據(jù)用途選取。電解電容器的容值，取決于在交流電壓下工作時所呈現(xiàn)的阻抗，隨著工作頻率、溫度、電壓以及測量方法的變化，容值會隨之變化。電容量的單位為F（法）。

電容器既然是一種儲存電荷的“容器”，就有“容量”大小的問題。為了衡量電容器儲存電荷的能力，確定了電容量這個物理量。電容器必須在外加電壓的作用下才能儲存電荷。不同的電容器在電壓作用下儲存的電荷量也可能不相同。國際上統(tǒng)一規(guī)定，給電容器外加1伏特直流電壓時，它所能儲存的電荷量，為該電容器的電容量（即單位電壓下的電量），用字母C表示。電容量的基本單位為法拉（F）。在1伏特直流電壓作用下，如果電容器儲存的電荷為1庫侖，電容量就被定為1法拉，法拉用符號F表示，1F=1Q/V。

在實際應(yīng)用中，電容器的電容量往往比1法拉小得多，常用較小的單位，如毫法（mF）、微法(μF)、納法（nF）、皮法(pF)等，它們的關(guān)系是：1微法等于百萬分之一法拉；1皮法等于百萬分之一微法，即： 1法拉(F)=1000毫法(mF)；1毫法(mF)=1000微法(μF)；1微法(μF)=1000納法（nF）；1納法（nF）=1000皮法(pF)；即：1F=1000000μF；1μF=1000000pF。

2、額定電壓：為在最低環(huán)境溫度和額定環(huán)境溫度下可連續(xù)加在電容器的最高直流電壓。如果工作電壓超過電容器的耐壓，電容器將被擊穿，造成損壞。在實際中，隨著溫度的升高，耐壓值將會變低。

3、絕緣電阻：直流電壓加在電容上，產(chǎn)生漏電電流，兩者之比稱為絕緣電阻。當電容較小時，其值主要取決于電容的表面狀態(tài)；容量大于0.1μF時，其值主要取決于介質(zhì)。通常情況，絕緣電阻越大越好。

4、損耗：電容在電場作用下，在單位時間內(nèi)因發(fā)熱所消耗的能量稱做損耗。損耗與頻率范圍、介質(zhì)、電導(dǎo)、電容金屬部分的電阻等有關(guān)。

5、頻率特性：隨著頻率的上升，一般電容器的電容量呈現(xiàn)下降的規(guī)律。當電容工作在諧振頻率以下時，表現(xiàn)為容性；當超過其諧振頻率時，表現(xiàn)為感性，此時就不是一個電容而是一個電感了。所以一定要避免電容工作于諧振頻率以上。

當頻率很高時，電容不再被當做集中參數(shù)看待，寄生參數(shù)的影響不可忽略。寄生參數(shù)包括Rs，等效串聯(lián)電阻（ESR）和Ls 等效串聯(lián)電感（ESL）。電容器實際等效電路如圖1 所示，其中C 為靜電容，Rp 為泄漏電阻，也稱為絕緣電阻，值越大（通常在GΩ 級以上），漏電越小，性能也就越可靠。因為Rp 通常很大（GΩ 級以上），所以在實際應(yīng)用中可以忽略，Cda和Rda分別為介質(zhì)吸收電容和介質(zhì)吸收電阻。介質(zhì)吸收是一種有滯后性質(zhì)的內(nèi)部電荷分布， 它使快速放電后處于開路狀態(tài)的電容器恢復(fù)一部分電荷。ESR 和ESL 對電容的高頻特性影響最大，所以常用如圖1（b）所示的串聯(lián)RLC 簡化模型，可以計算出諧振頻率和等效阻抗：

圖1 電容串聯(lián)RLC 簡化模型

電容器串聯(lián)RLC模型的頻域阻抗圖如圖2 所示，電容器在諧振頻率以下表現(xiàn)為容性；在諧振頻率以上時表現(xiàn)為感性，此時的電容器的去耦作用逐漸減弱。同時還發(fā)現(xiàn)，電容器的等效阻抗隨著頻率的增大先減小后增大，等效阻抗最小值為發(fā)生在串聯(lián)諧振頻率處的ESR。

圖2 電容器串聯(lián)RLC 模型的頻域阻抗圖

由諧振頻率式可得出，容值大小和ESL 值的變化都會影響電容器的諧振頻率，如圖3 所示。由于電容在諧振點的阻抗最低，所以設(shè)計時盡量選用fR 和實際工作頻率相近的電容。在工作頻率變化范圍很大的環(huán)境中，可以同時考慮一些fR 較小的大電容與fR 較大的小電容混合使用。

圖3 容值和ESL 的變化對電容器頻率特性的影響

電容器的選型

1、選擇合適的型號

一般在電路中用于低頻耦合、旁路去耦等、電氣性能要求不嚴格時可以采用紙介電容器、電解電容器等。低頻放大器的耦合電容器，選用1-22μF的電解電容器。旁路電容器根據(jù)電路工作頻率來選，如在低頻電路中，發(fā)射極旁路電容選用電解電容器，容量在10~220μF之間，在中頻電路中可選用0.01~0.1μF的紙介、金屬化紙介、有機薄膜電容器等；在高頻電路中，則應(yīng)選用云母電容器和瓷介電容器。在電源濾波和退耦電路中，可選用電解電容器。因為在這些場合中對電容器的要求不高，只要體積允許、容量足夠就可以。

2、合理選擇電容器的精度

在旁路、退耦、低頻耦合電路中，一般對電容器的精度沒有很嚴格要求，選用時可根據(jù)設(shè)計值，選用相近容量或容量略大些的電容器。但在另一些電路中，如振蕩回路、延時回路、音調(diào)控制電路中，電容器的容量就應(yīng)盡可能和計算值一致。在各種濾波器和各種網(wǎng)絡(luò)中，對電容量的精度有更高要求，應(yīng)選用高精度的電容器來滿足電路的要求。

3、確定電容器的額定工作電壓

電容器的額定工作電壓應(yīng)高于實際工作電壓，并留有足夠余量，以防因電壓波動而導(dǎo)致?lián)p壞。一般而言，應(yīng)使工作電壓低于電容器的額定工作電壓的10%~20%。在某些電路中，電壓波動幅度較大，可留有更大的余量。

電容器的額定工作電壓通常是指直流值。如果直流中含有脈動成分，該脈動直流的最大值應(yīng)不超過額定值；如果工作于交流，此交流電壓的最大值應(yīng)不超過額定值。并且隨著工作頻率的升高，工作電壓應(yīng)降低。

有極性的電容器不能用于交流電路。電解電容器的耐溫性能很差，如果工作電壓超過允許值，介質(zhì)損耗將增大，很容易導(dǎo)致溫升過高，最終導(dǎo)致?lián)p壞。一般說來，電容器工作時只允許出現(xiàn)較低溫升，否則屬于不正常現(xiàn)象。因此，在設(shè)備安裝時，應(yīng)盡量遠離發(fā)熱元件（如大功率管、變壓器等）。如果工作環(huán)境溫度較高，則應(yīng)降低工作電壓使用。

一般小容量的電容器介質(zhì)損耗很小，耐溫性能和穩(wěn)定性都比較好，但電路對它們的要求往往也比較高，因此選擇額定工作電壓時仍應(yīng)留有一定的余量，也要注意環(huán)境工作溫度的影響。

4、盡量選用絕緣電阻大的電容器

絕緣電阻越小的電容器，其漏電流就越大，漏電流不僅損耗了電路中的電能，重要的是它會導(dǎo)致電路工作失常或降低電路的性能。漏電流產(chǎn)生的功率損耗，會使電容器發(fā)熱，而其溫度升高，又會產(chǎn)生更大的漏電流，如此循環(huán)，極易損壞電容器。因此在選用電容器時，應(yīng)選擇絕緣電阻足夠高的電容器，特別是高溫和高壓條件下使用的電容器，更是如此。另外，作為電橋電路中的橋臂、運算元件等場合，絕緣電阻的高低將影響測量、運算等的精度，必須采用高絕緣電阻值的電容器。電容器的損耗在許多場合也直接影響到電路的性能，在濾波器，中頻回路、振蕩回路等電路中，要求損耗盡可能小，這樣可以提高回路的品質(zhì)因數(shù)，改善電路的性能。

5、考慮溫度系數(shù)和頻率特性

電容器的溫度系數(shù)越大，其容量隨溫度的變化越大，這在很多電路是不允許的。例如振蕩電路中的振蕩回路元件、移相網(wǎng)絡(luò)元件、濾波器等，溫度系數(shù)大，會使電路產(chǎn)生漂移，造成電路工作的不穩(wěn)定。這些場合應(yīng)選用溫度系數(shù)小的電容器，以確保其能穩(wěn)定工作。

另外在高頻應(yīng)用時，由于電容器自身電感、引線電感和高頻損耗的影響，電容器的性能會變差。頻率特性差的電容器不僅不能發(fā)揮其應(yīng)有的作用，而且還會帶來許多麻煩。例如，紙介電容器的分布電感會使高頻放大器產(chǎn)生超高頻寄生反饋，使電路不能工作。所以選用高頻電路的電容器時，一要注意電容器的頻率參數(shù)，二是使用中注意電容器的引線不能留得過長，以減小引線電感對電路的不良因影響。

6、注意使用環(huán)境

使用環(huán)境的好壞，直接影響電容器的性能和壽命。在工作溫度較高的環(huán)境中，電容器容易產(chǎn)生漏電并加速老化。因此在設(shè)計和安裝時，應(yīng)盡可能使用溫度系數(shù)小的電容器，并遠離熱源和改善機內(nèi)通風(fēng)散熱，必要時，應(yīng)強迫風(fēng)冷。在寒冷條件下，由于氣溫很低，普通電解電容器會因電解液結(jié)冰而失效，使設(shè)備工作失常，因此必須使用耐寒的電解電容器。在多風(fēng)沙條件下或在濕度較大的環(huán)境下工作時，則應(yīng)選用密封型電容器，以提高設(shè)備的防塵抗潮性能。

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