一文详解电容器

来源：罗姆半导体社区

电容器是简单的无源设备，当连接到电压源时可以在其板上存储电荷。

电容器是一种具有以“电荷”形式存储能量的能力或“容量”的组件，就像在小型可充电电池上那样，在其极板上产生电势差（静态电压）。

从谐振电路中使用的很小的电容器珠到大功率因数校正电容器，有很多不同类型的电容器，但是它们都做同样的事情，它们存储电荷。

电容器的基本形式是由两个或多个平行的导电（金属）板组成，这些板彼此不连接或不接触，但通过空气或某种形式的良好绝缘材料（如上蜡纸，云母，陶瓷，塑料或某种形式的液态凝胶，用于电解电容器。电容器板之间的绝缘层通常称为介电层。

由于该绝缘层，直流电流不能流过电容器，因为它会阻塞电容器，从而使电压以电荷的形式出现在极板上。

电容器的导电金属板可以是正方形，圆形或矩形，也可以是圆柱形或球形，其形状，大小和平行板电容器的结构取决于其应用和额定电压。

当在直流或直流电路中使用时，电容器会充电至其电源电压，但会阻止电流流过电容器，因为电容器的电介质是不导电的，并且基本上是绝缘体。但是，当电容器连接到交流电或AC电路时，电流几乎没有或几乎没有电阻直接流过电容器。

电荷有两种类型，质子形式的正电荷和电子形式的负电荷。当在电容器两端施加直流电压时，正电荷（+ ve）迅速积聚在一个板上，而相反的负电荷（-ve）电荷积聚在另一板上。对于+ ve电荷的每个粒子，如果它们到达一个极板，则具有相同符号的电荷将离开-ve极板。

然后，极板保持电荷中性，并且在这两个极板之间建立了由于该电荷引起的电势差。一旦电容器达到其稳态状态，由于用于分离极板的电介质的绝缘特性，电流就无法流经电容器本身以及电路周围。

电子流到板上的过程称为电容器充电电流，该电流持续流动，直到两块板上的电压（因此电容器）都等于施加的电压Vc为止。此时，称电容器已被电子“完全充电”。

当极板完全放电（初始状态）时，该充电电流的强度或速率达到最大值，并随着极板充电至电容器极板上的电位差等于电源电压而逐渐减小至零。

电容器两端存在的电势差的大小取决于通过源电压完成的功以及电容器具有的电容量，从而在板上沉积了多少电荷，这在下面进行了说明。

平行板电容器是电容器的最简单形式。它可以使用两块彼此平行的金属或金属化箔板构造，其电容值以法拉为单位，由导电板的表面积和它们之间的间距固定。更改这些值中的任何两个值都会更改其电容值，这构成了可变电容器的工作基础。

而且，因为电容器以电荷的形式将电子的能量存储在板上，所以板越大和/或它们的间隔越小，则电容器在其板上的任何给定电压下所保持的电荷将越大。换句话说，更大的板，更小的距离，更大的电容。

通过向电容器施加电压并测量板上的电荷，电荷Q与电压V的比将得出电容器的电容值，因此可表示为：C = Q / V该公式也可以重新确定-排列以给出板上电荷量的常见公式：Q = C x V

尽管我们已经说过电荷存储在电容器的极板上，但更准确地说，电荷内的能量存储在两个极板之间的“静电场”中。当电流流入电容器时，它会充电，因此静电场会变得更强，因为它会在极板之间存储更多能量。

同样，当电流从电容器中流出并放电时，两个板之间的电位差减小，并且随着能量从板中移出，静电场减小。

电容器的存储电荷的静电场的形式属性在其板被称为电容的电容器的。不仅如此，电容也是电容器的特性，它可以抵抗电容器两端的电压变化。

电容器的电容

电容是电容器的电特性，是电容器将电荷存储到其两块板上的能力的量度，其电容单位为法拉德（缩写为F），以英国物理学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）的名字命名。

电容定义为当一伏库仑电荷以一伏的电压储存在极板上时，电容器的电容为一法拉德。请注意，电容C始终为正值，没有负单位。但是，法拉德是一个非常大的度量单位，无法单独使用，因此通常使用法拉德的约数，例如微法拉，纳法拉和皮法拉。

电容标准单位

微法拉（μF） 1μF= 1 / 1，000，000 = 0.000001 = 10 -6 F

纳米法拉（nF） 1nF = 1 / 1，000，000，000 = 0.000000001 = 10 -9 F

皮卡（fF） 1pF = 1 / 1，000，000，000，000 = 0.000000000001 = 10 -12 F

然后，使用上面的信息，我们可以构建一个简单的表格来帮助我们在皮法拉（pF），纳米法拉（nF），微法拉（μF）和法拉（F）之间进行转换。

平行板电容器的电容

平行板电容器的电容与两个板中最小的板的面积A（以米2为单位）成比例，并且与这两个导电板之间以米为单位的距离或间距d（即电介质厚度）成反比。

平行板电容器的电容的通用公式为：C = ε（A / d）其中ε表示所用介电材料的绝对介电常数。真空的介电常数εo也称为“自由空间的介电常数”，其常数为每米8.84 x 10 -12法拉。

为了使数学更容易一点，该自由空间介电常数εo可以写成：1 /（4πx 9×10 9），也可以将每米的皮法拉（pF）单位作为常数。给出：8.84的可用空间值。请注意，尽管如此，最终的电容值将以皮法拉为单位，而不是以法拉为单位。

通常，电容器的导电板由某种绝缘材料或凝胶隔开，而不是由理想的真空隔开。在计算电容器的电容时，我们可以认为空气，尤其是干燥空气的介电常数与真空的电容率相同，因为它们非常接近。

电容示例1

电容器由两个彼此间隔6mm的30cm x 50cm的导电金属板构成，并使用干燥的空气作为其唯一的介电材料。计算电容器的电容。

然后，将两块被空气隔开的极板组成的电容器的值计算为221pF或0.221nF

电容器的介电常数

除了导电板的整体尺寸以及它们彼此之间的距离或间隔之外，影响装置的整体电容的另一个因素是所使用的电介质材料的类型。换句话说，电介质的“介电常数”（ε）。

电容器的导电板通常由金属箔或金属膜制成，以允许电子和电荷流动，但是所使用的介电材料始终是绝缘体。用作电容器中电介质的各种绝缘材料，其阻止或传递电荷的能力不同。

该介电材料可以由多种绝缘材料或这些材料的组合制成，其中最常用的类型是：空气，纸张，聚酯，聚丙烯，聚酯薄膜，聚酯，陶瓷，玻璃，油或多种其他材料。

通过与空气相比是被称为介电材料，或绝缘体，增加了电容器的电容的因素介电常数，ķ和一个介电材料具有高介电常数是比具有较低介电常数的电介质材料更好的绝缘体。介电常数是无量纲的量，因为它是相对于自由空间的。

实际介电常数或板之间的介电材料的“复介电常数”是接着的自由空间的介电常数（的乘积ε Ò）和相对介电常数（ε - ［R被给出为用作电介质和该材料的）：

复介电常数

换句话说，如果我们以自由空间的介电常数εo为基本水平，并使其等于1，则当自由空间的真空被某种其他类型的绝缘材料代替时，其介电常数将参考的自由空间给被称为“相对介电常数”，乘法因子的基底电介质ε - ［R 。因此，复介电常数ε的值将始终等于相对介电常数乘以1。

普通材料的介电常数ε或介电常数的典型单位为：纯真空= 1.0000，空气= 1.0006，纸张= 2.5至3.5，玻璃= 3至10，云母= 5至7，木材= 3至8和金属氧化物粉末= 6到20等。然后得出电容器的电容的最终方程为：

在保持电容器尺寸小的同时增加其总电容的一种方法是在一个电容器体内将更多的极板“交错”在一起。而不是仅仅一个组平行板的，电容器可具有连接在一起，从而增加表面积，许多单个的板甲板的。

对于如上述所示的标准平行板电容器，该电容器具有两个板，标记的阿和乙。因此，由于电容器极板的数量为两个，因此可以说n = 2，其中“ n”代表极板的数量。

那么我们上面关于单个平行板电容器的方程式实际上应该是：

然而，电容器可以具有两个平行的板，但是每个板的仅一侧与中间的电介质接触，因为每个板的另一侧形成电容器的外部。如果我们将板的两半分开并将它们连接在一起，则实际上只有“一个”整板与电介质接触。

作为一个单一的平行板电容器，N - 1 = 2 - 1，其等于1为C =（ε ö *ε - ［R ×1×A）/ d是完全一样的话说：C =（ε ö *ε - ［R * A）/ d是上面的标准方程式。

现在假设我们有一个由9个交错板组成的电容器，则n = 9，如图所示。

多板电容器

现在我们有五个板连接到一根引线（A），四个板连接到另一根引线（B）。然后，连接到引线B的四个板的两个侧面都与电介质接触，而连接到A的每个外板中只有一个侧面与电介质接触。然后如上所述，每组板的有用表面积仅为八，因此其电容为：

现代电容器可以根据其绝缘电介质的特性和特性进行分类：

低损耗，高稳定性，例如云母，低K陶瓷，聚苯乙烯。

中等损耗，中等稳定性，例如纸张，塑料薄膜，高K陶瓷。

极化电容器，例如电解电容器，钽电容器。

电容器的额定电压

所有电容器均具有最大额定电压，并且在选择电容器时，必须考虑施加在电容器两端的电压量。数据表中通常给出了可在不损坏其介电材料的情况下施加到电容器的最大电压量：WV（工作电压）或WV DC（直流工作电压）。

如果施加在电容器上的电压太大，则电介质会击穿（称为电击穿），并且在电容器极板之间会产生电弧，从而导致短路。电容器的工作电压取决于所用介电材料的类型及其厚度。

电容器的直流工作电压就是这样，作为直流额定电压为100伏的电容器，最大直流电压而不是最大交流电压不能安全地承受100伏的交流电压。由于RMS值为100伏的交流电压的峰值将超过141伏！（√ 2 ×100）。

然后，要求在100伏交流电下工作的电容器应具有至少200伏的工作电压。实际上，应该选择一个电容器，使其工作电压DC或AC至少比要施加的最高有效电压大50％。

影响电容器工作的另一个因素是介电泄漏。由于不希望的泄漏电流流过介电材料，电容器中会发生介电泄漏。

通常，假设电介质的电阻极高，并且良好的绝缘体会阻止直流电流从一个板到另一板流过电容器（如在理想电容器中）。

但是，如果电介质材料由于过高的电压或过热而损坏，则流经电介质的泄漏电流将变得极高，从而导致板上电荷的快速损失以及电容器的过热，最终导致电容器的过早失效。然后，切勿在电压高于电容器额定值的电路中使用电容器，否则可能会变热并爆炸。

电容器简介

我们在本文中已经看到，电容器的工作是将电荷存储到其极板上。电容器可以存储在其极板上的电荷量称为其电容值，并且取决于三个主要因素。

表面积 – 构成电容器的两个导电板的表面积A，面积越大，电容越大。

距离 – 两块板之间的距离d，距离越小，电容越大。

电介质材料 –将两块板分开的材料类型，称为“电介质”，电介质的介电常数越高，电容越大。

我们还已经看到，电容器由彼此不接触但被称为电介质的材料隔开的金属板组成。电容器的电介质可以是空气，甚至可以是真空，但通常是不导电的绝缘材料，例如蜡纸，玻璃，云母，不同类型的塑料等。该电介质具有以下优点：

介电常数是介电材料的特性，并且从一种材料变化到另一种材料，从而使电容增加k倍。

电介质在两个板之间提供了机械支撑，从而使板可以更紧密地贴在一起而不接触。

电介质的介电常数增加电容。

与空气相比，电介质增加了最大工作电压。

电容器可用于许多不同的应用和电路中，例如在传递音频信号，脉冲或交流电或其他时变波形时阻止直流电流。这种阻止直流电流的能力使电容器可以用于平滑电源的输出电压，以消除信号中不必要的尖峰，否则这些尖峰会导致半导体或数字元件的损坏或误触发。

电容器还可以用于调整音频电路的频率响应，或将必须保护免受直流电流传输的独立放大器级耦合在一起。

在直流电下，电容器具有无限阻抗（开路），在非常高的频率下，电容器具有零阻抗（短路）。所有电容器都具有最大工作电压额定值，即WV DC，因此请选择额定值至少比电源电压高50％的电容器。

电容器的样式和类型种类繁多，每种电容器都有其独特的优点，缺点和特性。

审核编辑 黄昊宇