电容的原理、作用及单位换算

出处:网络整理 发布于:2025-09-05 15:57:31

电子设备的广阔领域中,电容作为一种关键的电子元件,发挥着举足轻重的作用。接下来,我们将从多个方面深入认识电容。

电容简介


电容,英文名为 capacitor,是储存电量和电能(电势能)的元件,用字母 C 表示。从定义上来说,它有两种解释。其一,电容器是 “装电的容器”,是容纳电荷的器件;其二,任何两个彼此绝缘且相隔很近的导体(包括导线)间都构成一个电容器。电容是电子设备中大量使用的电子元件之一,广泛应用于电路中的隔直通交、耦合、旁路、滤波、调谐回路、能量转换、控制等方面。


基本结构


电容器的基本结构是间隔对置的 2 个电极(金属板)。当施加直流电压(V)到这 2 个电极上时,电子会瞬间聚集到其中一个电极上,使该电极带负电,而另一个电极则处于电子不足的状态,带正电。即使撤去直流电压,这种状态依旧会存在,也就是说在 2 个电极之间蓄积了电荷(Q)。如果在电极间插入电介质(如陶瓷、塑料薄膜等),通过电介质的极化,蓄积的电荷会增加。表示电容器蓄积多少电荷的指标叫做电容量(C),简称容量。



从微观角度来看,电介质的分子在电场作用下会发生极化现象,使得原本无序排列的分子变得有序,从而增强了电场的作用,进一步促进了电荷的蓄积。这就好比在一个容器中添加了特殊的材料,使得它能够容纳更多的东西。


工作原理


电容通过在电极上储存电荷来储存电能,通常与电感器共同使用形成 LC 振荡电路。其工作原理基于电荷在电场中会受力而移动的特性。当导体之间有了介质时,介质会阻碍电荷的移动,使得电荷累积在导体上,从而造成电荷的累积储存。


电容器与电池类似,也具有两个电极。在电容器内部,这两个电极分别连接到被电介质隔开的两块金属板上。电介质可以是空气、纸张、塑料或其他任何不导电并能防止这两个金属极相互接触的物质。当电容器与电池连接时,电容器上与电池负极相连的金属板将吸收电池产生的电子,而与电池正极相连的金属板将向电池释放电子。充电完成后,电容器与电池具有相同的电压(如果电池电压是 1.5 伏特,则电容器电压也是 1.5 伏特)。



在实际应用中,电容的充电和放电过程是一个动态的过程。当电路中的电压发生变化时,电容会根据电压的变化进行充电或放电,从而起到稳定电压、滤波等作用。例如,在电源电路中,电容可以过滤掉电压中的纹波,使得输出的电压更加稳定。

作用


  1. 谐振:用在 LC 谐振电路中的电容器称为谐振电容,LC 并联和串联谐振电路中都需这种电容电路。在收音机、电视机等设备的调谐电路中,谐振电容可以帮助选择特定频率的信号,使得设备能够接收到不同频道的节目。
  2. 耦合:用在耦合电路中的电容称为耦合电容,在阻容耦合放大器和其他电容耦合电路中大量使用这种电容电路,起隔直流通交流作用。它可以将前电路的交流信号传递到后电路,同时阻止直流信号的传递,避免前后级电路之间的直流偏置相互影响。
  3. 中和:用在中和电路中的电容器称为中和电容。在收音机高频和中频放大器、电视机高频放大器中,采用这种中和电容电路,以消除自激。自激现象会导致放大器产生不必要的振荡,影响设备的正常工作,中和电容可以有效地抑制这种现象。
  4. 滤波:用在滤波电路中的电容器称为滤波电容,在电源滤波和各种滤波器电路中使用这种电容电路,滤波电容将一定频段内的信号从总信号中去除。在开关电源中,滤波电容可以将高频的开关噪声过滤掉,使得输出的直流电压更加纯净。
  5. 积分:用在积分电路中的电容器称为积分电容。在电势场扫描的同步分离电路中,采用这种积分电容电路,可以从场复合同步信号中取出场同步信号。积分电容可以将输入的信号进行积分运算,从而得到与输入信号相关的积分结果。
  6. 定时:用在定时电路中的电容器称为定时电容。在需要通过电容充电、放电进行时间控制的电路中使用定时电容电路,电容起控制时间常数大小的作用。例如,在定时器、延时器等电路中,定时电容可以控制充电和放电的时间,从而实现定时功能。
  7. 退耦:用在退耦电路中的电容器称为退耦电容,在多级放大器的直流电压供给电路中使用这种电容电路,退耦电容消除每级放大器之间的有害低频交连。它可以防止各级放大器之间的相互干扰,提高整个电路的稳定性。
  8. 自举:用在自举电路中的电容器称为自举电容,常用的 OTL 功率放大器输出级电路采用这种自举电容电路,以通过正反馈的方式少量提升信号的正半周幅度。自举电容可以提高电路的输出功率和效率。
  9. 补偿:用在补偿电路中的电容器称为补偿电容,在卡座的低音补偿电路中,使用这种低频补偿电容电路,以提升放音信号中的低频信号,此外,还有高频补偿电容电路。补偿电容可以改善电路的频率响应特性,使得声音更加清晰、饱满。
  10. 微分:用在微分电路中的电容器称为微分电容。在触发器电路中为了得到尖顶触发信号,采用这种微分电容电路,以从各类(主要是矩形脉冲)信号中得到尖顶脉冲触发信号。微分电容可以对输入信号进行微分运算,得到信号的变化率。
  11. 高频消振:用在高频消振电路中的电容称为高频消振电容,在音频负反馈放大器中,为了消振可能出现的高频自激,采用这种电容电路,以消除放大器可能出现的高频啸叫。高频消振电容可以抑制电路中的高频振荡,保证音频信号的质量。
  12. 分频:在分频电路中的电容器称为分频电容,在音箱的扬声器分频电路中,使用分频电容电路,以使高频扬声器工作在高频段,中频扬声器工作在中频段,低频扬声器工作在低频段。分频电容可以将音频信号按照频率进行划分,使得不同的扬声器能够发挥的性能。
  13. 旁路:用在旁路电路中的电容器称为旁路电容,电路中如果需要从信号中去掉某一频段的信号,可以使用旁路电容电路,根据所去掉信号频率不同,有全频域(所有交流信号)旁路电容电路和高频旁路电容电路。旁路电容可以将不需要的信号旁路掉,使得有用的信号能够顺利通过电路。
  14. 负载电容:是指与石英晶体谐振器一起决定负载谐振频率的有效外界电容。负载电容常用的标准值有 16pF、20pF、30pF、50pF 和 100pF。负载电容可以根据具体情况作适当的调整,通过调整一般可以将谐振器的工作频率调到标称值。在石英晶体振荡器中,负载电容的调整对于保证振荡器的频率稳定性至关重要。

单位换算


电容的单位有法拉(F)、毫法(mF)、微法(μF)、纳法(nF)和皮法(pF),它们之间的换算关系如下:
1 法拉(F) = 103 毫法(mF) = 10? 微法(μF) = 10? 纳法(nF) = 1012 皮法(pF)
1 毫法(mF) = 103 微法(μF)
1 微法(μF) = 103 纳法(nF)
1 纳法(nF) = 103 皮法(pF)


法拉是一种国际单位制导出单位,1F = 1 C/V = 1 sA/mkg。当 1 法拉的电容器上的电压以 1 伏特每秒(1 V/s)的速度变化时,就会产生 1 安培的电流。1 法拉的电容上如果带有 1 库伦(1C)的电荷就会产生 1 伏特的势能差。不过,实际上几乎没有用如此大的单位计量的电容器,因为法拉是一个非常大的单位。这个单位是以发现电磁感应现象的英国物理学家迈克尔?法拉第的名字而命名的。


在选用电容器时,其工作电压应符合电路要求。一般情况下,选用电容器的额定电压应是实际工作电压的 1.2 - 1.3 倍。对于工作环境温度较高或稳定性较差的电路,选用电容器的额定电压应考虑降额使用,留有更大的余量才好。


关键词:电容

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