什麼是電容器與電容？

寫在前面：

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下面用三個篇章解釋

一、視頻篇

放不出視頻，戳這裏 ←

視頻來源：https://youtu.be/f_MZNsEqyQw

原作者：Eugene Khutoryansky

本翻譯取自網上資源及有道，這裏只是把語言整理通順然後進行字幕壓制而已

二、漫畫篇

圖片提取自 TDK株式會社

三、文字篇

1、電容器與電容

電容器（英文：capacitor，又稱爲condenser）是將電能儲存在電場中的被動電子元件。電容器的儲能特性可以用電容表示。在電路中鄰近的導體之間即存在電容，而電容器是爲了增加電路中的電容量而加入的電子元件

電容器包括二個電極，二個電極儲存的電荷大小相等，符號相反。電極本身是導體，二個電極之間由稱爲介電質的絕緣體隔開。電極的金屬片通常用的是鋁片或是鋁箔，若用氧化鋁來做介質的就是電解電容器。電荷會儲存在電極表面，靠近介電質的部分。由於二個電極儲存的電荷大小相等，符號相反，因此電容器中始終保持爲電中性

2、原理

電容器的電容（C）是測量當電容器兩端的電勢差或電壓（V）爲單位值時，儲存在電容器電極的電荷量（Q）：

上式的意義是，在一個具有 C法拉的電容兩端跨接 V伏的電壓時，該電容的一個極板上就有 Q庫侖的電荷存儲，而另一個極板上也有 -Q庫侖的電荷存儲；其電荷量的單位爲 – 庫侖（C），則此電容器的電容量單位爲 – 法拉（F）

3、電容的定義式

由於電容器的總電場，在電容器兩端會出現電壓。電壓V和電容器一端的絕對電荷量Q成正比，而Q是流過電容器的電流對時間的積分。其數學式如下：

其中：

I 是流過電容器的電流，單位爲安培。

dV /dt 是電壓對時間的微分，單位是伏特/秒。

C 是電容器件的電容值，單位是法拉。

4、電容單位和轉換

電容的單位是法拉，簡稱 “法”，單位符號爲 “F”，是國際單位制導出單位。一般來說，1法拉算是很大的電容，大多數用於電子電路的電容器，其電容會小於法拉幾個數量級

常用的單位有：微法拉（microfarad，μF）、納法拉（nanofarad，nF）、皮法拉（picofarad，pF）

單位轉換：

5、電容種類

• 瓷片電容（可以耐高壓，通常用作安規電容）
• 積層陶瓷電容（其標準化封裝，尺寸小，適用於自動化高密度貼片生產）
• 鋁電解電容（優點：電容量大、額定電壓高、便宜；缺點：壽命較短、溫度特性不好、ESR和ESL較大）
• 鉭電容（頻率特性及溫度特比比鋁電解電容要好，但介電吸收及漏電流都較大）

一般地，陶瓷與聚酯薄膜類用於大多數不太重要的電路中；鉭電容用於需要較大電容量的場合，而電解質電容則用於電源濾波的場合

6、電容的串聯與並聯

• 並聯的數個電容有相同的電壓。其總電容（Ceq）如下：

  一般而言，電容並聯的目的是增加儲存的總能量。電容儲存的能量如下：

• 串聯的數個電容會流過相同電流，但各個電容的電勢差（電壓）可能不同，而電容的電壓的和會等於總電壓，電容串聯後的電容值如下：

• 在電容並聯時，電容電極的有效面積變大，因此電容值增加；而在電容串聯時，相當於電容電極的距離變大，因此電容值減小
• 電容串聯後，電容減小了，但是耐壓能力提高了，所以要承受較高的電壓，可以把電容串聯起來；電容並聯後，電容增大了，耐壓能力並沒有提高，所以在需要大電容時，可以把電容並聯起來

7、電容的代換注意

• 電容並聯時，每個電容所承受的工作電壓相等，並等於總電壓；因此，如果工作電壓不同的幾隻電容並聯，必須把其中最低的工作電壓作爲並聯後的工作電壓
• 電容串聯後，電容的工作電壓在電容量相等的條件下，等於每個電容的工作電壓之和；故串聯後的電容工作電壓升高

8、電容選型主要參數

• 電容值
• 允許誤差
• 額定電壓（一般要求比輸入電壓高 20%）

9、容性負載電壓電流的超前滯後

首先要提醒，相位的概念是針對正弦信號而言的，直流信號、非週期變化信號等都沒有相位的概念

由於 Sin[ωt]在求導或積分後會出現 Sin[ωt ± 90°]，所以對於接上了正弦波的容性負載，通過接上理想的直流電壓表、直流電流表，可以觀察到波形超前滯後的現象

如果還表現的還不夠生動，可以用動態圖演示，其用紅色表示電壓，藍色表示電流：

電壓的變化滯後於電流，電流的變化超前於電壓，所以若電容器通入交流的信號，相角爲 90度，亦即電流領先電壓 90度。電壓的大小和電流成正比，和頻率和電容量 C的乘積成反比

用不同的顏色描述電壓的大小，藍色>黃色>紅色；用不同的粗細和箭頭描述電流的大小和方向，電流最大時電容電場能最小

10、容抗

容抗的概念反映了交流電可以通過電容器這一特性，交流電頻率越高，容抗越小，即電容的阻礙作用越小。容抗同樣會引起電流與電容兩端電壓的相位差；當頻率等於零，容抗無限大，即直流電不能流過電容器。

容抗可由下面公式計算而來：

在交流電的複數分析中，容抗表示爲：

其中

• j 是複數單位
• Xc 是容抗，單位爲歐姆
• ω = 2πf 是角速度，單位爲 弧度/每秒
• f 是頻率，單位爲赫茲
• C 是電容，單位爲法拉

11、電容和頻率的關係

• 電容值越大，頻率點就越低

• 頻率點和電容的材質有關係

• 頻率點和溫度有關係

所以，通常我們說：電容 “通高阻低”，不能一概而論，要根據實際應用，和電容相關手冊

12、電容的 “通交阻直”分析

• 電容器接在交流電路中，由於交流電電壓的大小和方向隨時間不斷變化，致使電容器進行反覆充放電，電路中相應不斷出現交流電流，使得自由電子通過電路在電容器的兩個極板上來回運動，自由電子的相對運動形成電流，因此，交流電流能通過電容器，即通交流；這裏所指的交流電流是電容器反覆充放電所形成的電流，並非電荷直接通過電容器中的介質。

• 電容器接通直流電源時，僅僅在剛接通的短暫時間內發生充電過程，只在這一短暫過程電流流過電容器；此後由於直流電源電壓恆定不變，電容器兩端電壓也恆定不變，電容器與電源負極相連的極板上負電荷佔多數，並馬上達到電路中各個點的電勢都相等，沒有電位差，因此電容器中不會有電流流過，相當於電容器把直流電流隔斷，所以電容器可以起到隔直流的作用。

根據電容的電抗特性，電容可近似地看成一個依賴頻率的電阻元件，因此，所謂的 “通交阻直” 其實更多的是反應頻率的效果

13、電容的特性總結

• 隔直流通交流，通高頻阻低頻

• 電容兩端的電壓不能夠突變，電流能突變

• 大容值電容濾低頻噪聲，小容值電容濾高頻噪聲

• 電容在充放電過程中並不消耗能量

14、電容器的主要用途

• 電源濾波（幾乎所有的電源電路中都用到，通過電容以濾除直流電源中不需要的交流成分，使直流電變平滑）
• 去耦和旁路（基於的是電容的阻抗隨頻率升高而降低的原理）拓展一下：去耦電容和旁路電容都是起到抗干擾的作用。對於同一電路來說，旁路電容是把輸入信號中的高頻噪聲作爲濾除對象，把前級攜帶的高頻雜波濾除；而去耦電容也稱退耦電容，是把輸出信號的干擾作爲濾除對象。去耦電容用在放大電路中不需要交流的地方，用來消除自激，使放大器穩定工作
• 濾波器（低通濾波器、高通濾波器）
• LC諧振電路（帶通濾波、陷波濾波）
• 微分電路和積分電路
• 電路耦合

15、RC無源濾波器

• 低通濾波器

容許低頻信號通過，但減弱（或減少）頻率高於截止頻率信號通過的濾波器。對於不同濾波器而言，每個頻率的信號的減弱程度不同

• 高通濾波器

容許高頻信號通過、但減弱（或減少）頻率低於截止頻率信號通過的濾波器。對於不同濾波器而言，每個頻率的信號的減弱程度不同

高通、低通濾波器利用電容在頻率響應上的特點，將一個電容或電感與一個電阻相配合，產生一個分壓器，以將不需要的分量衰減掉，而容許所需的分量通過