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原创 电子元器件基础知识——电容篇

2017-8-20 22:41 412 0 分类: 模拟

今天我们就来说说电容.参考资料依然是<电子工程师必备--元器件宝典> 在实验室中我经常见到的电容有三个样子,普通电容,独石电容和电解电容.

普通电容是这个样子

独石电容是这个样子

               


电解电容又是这个样子

  普通电容和独石电容都是没有极性的,也就是说,在电路制作过程中你想怎么接就怎么接,正接,反接,随你便~只要不超过额定电压就行.

  而电解电容呢?前两天和同学聊天,他问我电解电容存在的意义是什么.我想了想,好像电解电容除了有个极性之外剩下的就和普通电容没啥区别了哎.于是我回答:”首先它有极性,说明它不能反接.这样的话你在电路中看到电解电容立马就明白这一块是直流电,电解电容是滤波的,起到方便辨认的作用吧”.今天一翻书还真是这样,电解电容的高频特性很差,你一反接搞不好还会爆炸.所以怎么说呢,万事互相效力.圣经中的话语真是神奇啊!

  好啦,接下来就说说电容表面的标号所代表的含义是什么吧.电解电容就不用说了,上面直接标出了它的容量和额定电压.普通电容和独石电容都是3个数字.比如101,它的电容大小就是10*(10^1)pF,就是100pF.比如683,它的电容大小就是68*(10^3)pF,就是0.068uF.ABC就是AB*(10^C)pF.很简单吧~

  电容的根本特性就是它的充放电特性.也就是说电容能存储电荷.这个是其最基础最根本的特性.为了说明为什么电容可以通交流阻直流我在这有必要详细说明一下电容的充放电特性.

如图:

  电路为开路,电容上没通过任何电流.

  当开关闭合的瞬间,充电还没有开始,电容内部还没有电荷,电容的电压为0V,这个时候电容如饥似渴得想要喝电流,吃电荷来满足自己的胃.因为电容的电压与电容内部的电荷量成正比:U=Q/C.所以没有电荷就没有电压,如同一个没吃饭的肚子,一点弹性都没有.

  闭合之后电容上下端开始充入电荷,上端为正电荷,下端为负电荷.电容两端电压连续地上升,它的肚子开始逐渐地膨胀.

  当电荷充满了之后,电容喝饱了,给电流说:我不喝了!看把我肚子(电压)胀得大的.于是,电流就算想流也流不进去啦.这个时候直流就很苦逼地被电容那副有弹性的大肚皮"腾"地一声弹得好远.电容呵呵一笑:"我乃英俊风流的天篷元帅!"

  这个时候如果开关一断,天篷(电容)就非常想上WC,可不是嘛,一个光吃不拉的人真的很难想像会不会把肚皮给撑爆了.如果电路中有回路供电容放电,说明天篷就找到了WC,于是天篷就扑通扑通...哎算了,有点恶心.... 如果没有回路供电容放电,那么天篷只好憋着,自叹猪生之苦.

  那么如果电流如果是交流电呢?鉴于用天篷的比喻实在是让我写不下去.大家可以自行脑补坐在马桶上吃饭的场景.不过这个比喻并不是很恰当,因为交流电有正向的电流也有反向的电流.这就好比一根弹簧,你用一个单向的力量来压它,总有你压不动的时候,但是如果你等幅地来回拉弹簧的话那就不同了,这个可是十分轻松的喔.所以电容它隔直流通交流.那么问题来了,频率为1HZ的是交流,频率为100HZ的也是交流,照这么说电容难道不会区别对待么?这下就得提出一个重要的量:"容抗".计算公式为Xc = 1/(2π*fC),f就是频率,也就是说,频率越高,容抗越小.这个容抗和电阻有一定的相似之处.就好比你慢慢地推弹簧再慢慢地拉回来,这个时候你受到的阻力是比较大的,但是你如果推拉得快,阻力就小了.至少你感觉没有那么累了.什么?这个计算公式是怎么来的?为什么分母要乘2π?嗯....这个就涉及到了复变函数与积分变换,把电容从时域变换到s域...数学上的东西估计写下来既没人看,以后我自己看的时候都会跳过.所以证明过程我还是不写了.喜欢刨根究底的人可以看看李瀚荪的<电路分析基础下篇>.

  提到电容的充放电,就必须得说一个重要的常数:时间常数τ


  如图,τ=R1*C1.它越大,电容充电的速度就越快,天篷吃饱的用的时间就越短.这个量又是咋来的?其实是人为规定的,就好比我给自己博客起名叫Titus,源于圣经中的一个传道人的名字.只是方便我和面包板社区的其他博主区分开而已.有意义吗?当然有咯.有区分的意义嘛~

  电容的串并联分析也很容易,因为它的容抗为Xc = 1/(2π*fC).所以在同频率的情况下,两个电容串联就相当于电阻并联在一块一样,同理,你一并就相当于把电阻串联在一块.这一块很容易,不再赘述啦.

  电容构成的典型电路有RC滤波器,低通的高通的都可.

  如图,这是一个RC低通滤波器


  如果是输入是直流,那么Ui就等于Uo,如果是频率非常高的交流,电流全部从电容就流入地了.频率为0的电流通过,频率为无穷大的电流过不去,低通.频率低就通.

如图,这是一个高通滤波器.


  继续运用极限的思想,如果电流频率为0,那么电容直接就把输入电流给隔开了,输出肯定为0,但如果频率为无穷大呢,这个时候输出的就是电阻上方的电压,还记得在电阻篇中电阻可以起到隔离的作用吧?

在电路分析中,如果你不清楚一个器件存在的意义是什么,那么你就尝试不要它了,看电路会不会有啥变化.如果有变化,说明这个器件还是很有用滴,没变化的话说明设计这个电路的人脑子里可能不是很清楚自己是在干什么,当然一般情况设计电路的人头脑都是比较清醒的.多用一些极端的情况来试,比如上面我用频率为0和频率为无穷大这两种极端情况来试,只需瞅一眼就明白这个电路是低通还是高通.在学校有人还专門记低通电路和高通电路的电路图.实际上根本没必要,做个思想实验一下子就出来了.


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