电容

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电容通常也被称为“电容器”。

电容是电子/电路中用于收集和发射电力的部件。它的另一个名称是电容器,有时缩写为“c”。(以下统称“电容器”)容量单位为法拉(F),以迈克尔·法拉第命名。1F定义为施加1V电压时保持1C电荷的能力。这是电子电路中非常大的单位,因此在测量日常生活中有用的小量时,使用SI 前缀。

通常,陶瓷、云母或薄膜电容器没有极性,但电解电容器的长部分是阳极(+极),短极是阴极(-极),当腿被切断时,白色带是阴极(-极)。由于钽电容的阳极位于带条的一侧,因此插入时必须注意极性。电解电容器在反方向安装或施加过电压时会爆炸,但钽电容器会爆炸,并像鞭炮一样发出火焰。这是因为钽电容本身是由类似于鞭炮的结构和材料制成的。当钽电容器爆炸时,其内部会发生短路。

任何曾经使用过旧相机闪光灯的人都会记得相机在收集电力以进行闪光时发出的“嘟嘟”声。这是电容器中集电时发出的声音。当然,这不是电本身发出的声音,而是电容器元件振动发出的声音。除颤器还包含电容器,当它们收集电力放电时会发出独特的“嘟嘟”声。

在创意作品中出现的电容器中,以《回到未来》系列电影中时间机器的关键部件“磁通电容器”而闻名。它是实现时间旅行的重要部件,由于需要1.21吉瓦的巨大电力,因此必须使用钚、闪电或核聚变来储存。


功能

当电压高时,电荷被收集(充电),当电压低时,电荷被释放(放电),以保持与电源电压相同大小的电势差。因此,当连接到直流电源时,在充电过程中,电流大小会在短时间内减小,最终电流停止流动。换句话说,这意味着它可以抵抗电压的变化,防止电压突然变化。相应的电感器(线圈)的作用是通过抵抗电流的变化来防止电流的突然变化。

其作用是利用绝缘体的介电极化现象产生电场来存储电能。这意味着当电容器充电时,正电荷和负电荷分离,此时产生电场,电荷获得势能。


目的

电容是收集和释放电荷以提供稳定电力的组件。电池通过化学反应产生电荷。二次电池在充电时接收电荷,以化学能的形式储存起来,放电时通过引起化学反应释放电荷。但与电池不同的是,电容器本身储存电荷。没有限制只要有电阻支持,充电/放电速度就可以。因此,如果您创建一个低电阻的 RC 电路并将其短路,则会立即释放大量能量。

由于蓄电池具有储存电荷的功能,因此可用于多种用途。通常,它可用于一次释放大量电荷,例如除颤器或闪光灯(相机)。 爆炸物是代表性的例子。

当蓄电池串联到直流电路中时,它通过施加反向电压来阻止电流的流动。连接电源的电容器充电后,与同极连接同电压电池时的状态相同。,所以直流电不流动。然而,当噪声出现时,电源和电容器之间的电压平衡被打破,导致电流流动,但从串联电路的角度来看,会出现一种情况,即它不发送应有的电流。应该发送,但只发送噪音。

另一方面,在交流电路中,它充当滤波器。与线圈不同,它具有阻挡低频而允许高频通过的特性,因此在声音方面它是均衡器和分频器的重要组成部分。

因此,一般用作旁路和稳定平滑电路的元件,通过制作低频通滤波器来去除噪声。噪声是指电压瞬间朝不希望的方向波动。当电容器并联到电路中时,就像并联了一个额外的电池。当电压高时,电容器充电,当电压下降时,电容器被充电,通过释放电荷,电压变得稳定。因此,电压波动不会超过一定水平。总的来说,个人层面广泛使用的是电解电容和陶瓷电容,电解电容有利于去除低频噪声,陶瓷电容有利于去除高频噪声。这是因为容量越大,通过低频信号的能力就越好。还有一种称为去耦电容的功能,可以减少电源两端与GND之间出现的瞬间压降。

在电子电路中,由于高频信号传输信息,因此可以用电容器来阻挡直流电。使用电容器和二极管的整流电路将进入家庭的交流电转换为直流电。二极管仅施加正向电压,此时电压处于锯齿状状态,但如上所述,电容器稳定了电压,因此转换为直流电。

在电力传输中,用于提高功率因数或降低电压降。

此外,利用其储存和释放电荷的能力,它可以用于各种用途。例如,通过重复电容器的充电和放电并结合晶体管的开关功能来使LED闪烁......电容式非接触键盘是利用电容器原理制成的产品。电容式麦克风也是如此。触摸屏基本上也是使用电容的产品。它还可用于根据电容器是否充电来存储信息,通常用于DRAM。


充放电

电路的中心有一个电容电路,A点和灯,即电池的方向,固定在电容上。⊗假设沿方向的开关连接点B以随机循环连接A和B。 这里,开关的位置决定电容器是充电还是放电。

  • 当开关处于 A 档时,来自电池的电子存储在电容器的负极中。这称为充电。
  • 当电容器内部的电流值变为0(缓冲)时,电压值变得小于电容器当前的充电电压(电压不足),或者电荷达到电路可以产生的最大值(从另一个电容器转移电荷) ,电容器处于完全充电状态。
  • 当开关位于B处时,存储在电容器的-极中的电子移动到电容器的+极并到达灯。这称为放电。
  • 当电容器内部积累的电荷全部被放电消耗并且不能产生电压时,放电结束。此时,如果灯具有可建模为电阻元件的负载,则放电过程与电阻值成比例地减慢。另外,假设上述电路中还有另一个开关,当开关打开时,电容器的放电停止。

电容器充电或放电情况下的电流、电压和电荷量随时间以指数函数的形式收敛到0或收敛到PC电路的最大电压、电荷值(或电流)。


电容器的种类

电解电容

它是一种金属阳极包含在阴极电解质中的结构,金属表面形成氧化膜,起到绝缘体和电介质的作用。与下面的薄膜电容器相比,由于电介质厚度较薄,可以获得更高的容量。常见的电气特性包括与体积/重量相比中等容量。线性度高,串联电阻值也大。不过价格有点贵,而且最小尺寸很大。也就是说,小容量的电解电容根本就卖不出去。此外,当向相反方向施加电压时,它通常会爆炸,因此必须始终有直流偏置才能将其用于交流电。也有可以施加双向电压的电解电容器,但它们的用处不大,因为最好使用其他东西而不是使用这样的东西。最后,容易制作,高电压+高容量,ESR这个值相当高,因此非常适合在高压电源中使用。陶瓷不存在振动问题,这个问题将在后面讨论。

当旧电子产品无法正常工作时,这也是导致大部分问题的部分。基本上,它是一个消耗部件,所以在较旧的设备中,电解电容器常常已达到其寿命或磨损。因此,如果旧设备出现故障或根本不工作,很难确定电解电容器的故障原因。原因,首先将电解电容更换为新的,最好全部更换后再开始修复。在处理 MIDI、复古电脑和游戏机等旧电子设备的俱乐部中,这通常称为“电容器更换”,它被认为是维修和保养的几乎必不可少的措施。

铝电解电容器

是最常见的电容器之一,由于其寿命和电气特性随质量的不同而有所不同,因此有些人坚持使用配备日本制造电解电容器的高端主板。然而,松下的产品只是性价比更高,质量本身却很差。对于同一公司的产品,105度的产品比85度的产品寿命更长。接近寿命末期的电容器可能会出现顶部膨胀或底部膨胀,这称为妊娠,应尽快更换。如果放任不管,电解液可能会流出并腐蚀 PCB。在上面的示例图中,顶部是 DIP 型器件,底部是 SMD 安装型器件。一定尺寸或更大的铝电容器顶部有一个十字形或Y形凹槽,据说这是一种安全装置,旨在让气体在电解液蒸发时突破相对较弱的上部凹槽而排出。 。如果不存在这些凹槽,压力就会积聚并存在强烈爆炸的风险。

  • 高压铝电解电容器是一种耐压较高的电解电容器,通常为200~450V。有些产品可以在高达600V的电压下使用,也有数千μF以上的大容量产品,比饮料罐还大。用于SMPS的电源输入整流电路和一次性相机的闪光电路。
  • 聚合物电解电容器-也称为固态电容器。在 2010 年代初期到中期之后发布的主板上,它们比铝电解电容器更常见。因此,它比现有的电解电容寿命更长,更稳定,不易因发热或过流而爆炸,但随着电流容量的增加,价格也比普通电解电容贵,体积也不可避免地变大。比普通电解电容器大几倍。这就是为什么铝电解电容器仍然用于需要大电流容量的产品,例如电源。PC Engine Duo 中使用的聚合物电容器因长期失效而闻名。
  • 无极性电解电容器——这是一种没有极性区分的电解电容器,因此可以沿相反方向施加电压。它可以通过交流电而无需直流偏置,主要用于音频电路。
  • 固体钽电解电容器 - 由于它们可以安装在 SMD 上,因此通常用于智能手机等高科技小型电子设备。但必须小心处理,如果极性连接错误,甚至施加轻微的过电压,很容易爆炸。另外,虽然是固态电容,但爆裂时电解液会流出,所以在清理爆裂的钽电容时,一定要注意不要让电解液接触到皮肤,并彻底清洁PCB。
  • 固体铌电解电容器 -这是一种用铌代替稀有冲突矿物钽的电容器。外观与钽电容相同。它比钽电容器不太常见。


薄膜电容器

它是由重叠的金属薄膜和绝缘体交替连接到两个极数次而制成的。这就是你在高中物理课上学到的结构。由于阳极为全金属且结构简单,线性度、ESR、温度系数、容量精度均优异。但绝缘体很难做得很薄,因此价格昂贵且容量小。有时在高频电路中看起来像陶瓷,也出现在要求精度的电路中。例如,测试设备或音频设备。

它相当大,所以如果可能的话我不使用它。通常的形状是有两条腿的长方体或圆柱体。

正如下面的油电容器部分所提到的,以这种方式制造并通过浸油完成的产品也存在用于音频用途。

  • 聚酯薄膜电容器(通常称为 Mylar 电容器;Mylar 是薄膜的品牌名称。)
  • 聚丙烯薄膜电容器
  • 金属化聚丙烯电容器
  • 聚苯乙烯电容器(也称为苯乙烯或苯乙烯电容器)


陶瓷电容器

它的结构与薄膜电容器类似,但采用陶瓷作为绝缘体。所使用的陶瓷具有顺电(1类,顺电)或铁电(2类,铁电)特性,在特定电压范围内表现出高介电常数,并由此呈现出高电容(或电容量)。他的地位类似于现代赛道之王。首先,与体积/重量相比,容量非常高。在某些情况下,其功率比电解型强 10 至 100 倍。优点不仅如此,ESR和ESL极低。首先,因为它很小……

但是,由于所使用的陶瓷的电气特性,存在一些缺点。首先,线性度很差。我的意思是,假设有一个陶瓷电容器可以将电压提高到 6.3 伏。如果直流电压为0时电容为100,那么在3.3伏时电容约为90,当升到极限电压6.3伏时,严重时可能会下降到10。这意味着,如果您插入高压正弦波之类的东西,另一侧就会出现尖锐的三角波。因此,在某些情况下它不用于高频无线电或音频应用。为了克服这个问题,使用了极限电压远高于设计电压的电容器。反正也没那么贵,而且线性度的下降实际上是根据极限电压的比率而下降的。

不仅如此,它们大多数都具有极高的温度系数。50% 到 200% 之间有很多差异。最后,当施加交流电压或电流时,陶瓷绝缘体会膨胀和收缩,称为压电效应。该信号直接传输到电路板并产生声音。这种情况也发生在电感器上,所以人们不喜欢它们,但事实上,陶瓷电容器也会产生噪音。电感器的膨胀和收缩运动与电流成正比,而陶瓷与高电压、小电流的交流电路成比例,声音特别好。尤其是像 CCFL 背光这样的东西。

然而,如上所述,根据所使用的陶瓷的不同,其优缺点也有所不同。陶瓷电容器根据陶瓷的类型和电容器的特性分为几类,一般使用1类和2类。每类都有一个英文缩写,大致代表容量误差率、工作温度、温度系数,常用的有NP0、X5R、X7R。就1级NP0而言,它与薄膜一样表现出高线性度和低温度系数,但容量较差。另一方面,2 类 X7R 具有非常高的容量,但具有非常高的温度系数和较差的线性度。然而,一般来说,ESR/ESL 非常低。

  • 多层陶瓷电容器 (MLCC)是一种直接安装在电路板上的陶瓷电容器 ( SMD )。大多数电路板上都可以找到,如果是一个有两个电极的小长方形,颜色为白-黄-深棕色,则很可能是MLCC,如果是黑色,则很可能是小型SMD电感器而不是电容器。与贴片电阻不同,电容值不会在表面标明,所以如果电容未知,必须用单独的仪器测量。它的颜色通常是赭石色,但容量越高,颜色越深。如果容量很低(几十到几百pF),它可能会呈现白色。
  • * 阵列多层陶瓷电容器——这是一种将多个相同陶瓷电容器封装成一个的元件。
  • 云母电容器
  • * 银云母电容器
  • 高压陶瓷电容器 - 具有数百伏或更高阈值电压的陶瓷电容器。还有高压电容器,可以在数千至数万伏甚至更高的电压下使用。
  • * Y级安全陶瓷电容器用于消除SMPS等有触电风险的电压与用户可接触的低压电路共存的电路中的噪声。这些地方使用的电容器必须特别安全,因为如果因故障而短路,就有触电的危险。Y级电容器的设计目的是在因过电压等损坏时断开电路而不是造成短路。如果仔细观察这些电容器的表面,可以看到不仅标注了电容器的容量,还有各种安全认证标志,包括KC认证。Y2类在电源与地之间,Y1类是最安全的类,可用于电源与地之间或电源与不接地的低压电路之间。

油浸电容器

顾名思义,绝缘体是油。首先,油是一种流体,因此它的优点是可以通过泵或对流等方式移动。当充电板变热时,油会吸收热量,并且可以通过对流将油发送到散热器以将其冷却并放回原处。同样,还有充油变压器,其用途不是为了其电气性能,而是为了防止异物进入和冷却目的。它通常用于高能量商业电气设备(电机或变电站)。此外,由于其温暖的复古音频音色,它经常被用作音频的耦合电容器。

  • 纸油电容器:过去使用的一种方法。用纸包裹作为绝缘体来分隔电极,然后将整个电容器浸入油的方法。看名字就知道了,但这是一种相当古老的方法。然而,对 Western Electric 等老式音响充满热情的爱好者会转而寻找新的、未使用过的产品。带宽感觉有点窄,但独特的复古和温暖的音色很吸引人。如果你看看 50 年代和 60 年代破损的电子管收音机或扩音器,你会发现它们大多数都因为里面的油被污染、蒸发或泄漏而损坏。由于电气特性与当时的电气特性相似,因此认为更换为相同容量的薄膜材料就合适,这是错误的。还有一些带有复古声音的独立薄膜电容,比如Orange Drop,已经生产很长时间了,所以购买前需要看看音频评论。目前市场上的大多数音频薄膜电容产品与油电容时代的产品不同,因为它们追求宽带化、高分辨率的音色,所以它们的音色也与当时的产品不同。如果你想同时保持音调和带宽,你可能需要购买Jensen的纯银油电容(0.47微法拉zeforms,通常用于耦合)。

还有使用聚丙烯薄膜代替纸的油浸电容器。据说它的音色与纸油电容器相似,并且具有很宽的带宽。

有很多观点认为,这些产品需要相当长的时间才能适应其原始声音(所谓的老化)。有故事说这花了一年的时间。

可变电容器

也称为巴里康。正式名称是可变电容器或可变电容器。缩写为VC。 这是一种通过调整电容公式中的变量中与横截面积相对应的部分,可以任意调整电容的装置。根据用作电介质的材料不同,可分为以下几种。

  • Air Varicon:一种由金属制成的可变电容器,使用空气作为电介质。直到 20 世纪 70 年代,它还被广泛用作台式收音机等中的频率控制旋钮,但现在已经很难见到了。
  • Polyvaricon:由塑料膜和铝膜重叠而成的可变电容器,2015年以后所有用旋钮调节频率的收音机在DSP转换之前都使用了这个部件。但由于近期纯无线电接收机需求下降、部分国产bariccons(特别是NCE产品)质量较差的问题以及DSP接收机(包括数字广播无线电接收机)的普及,需求前景并不乐观。预计到 2030 年代它将几乎灭绝。1955年世界上首次开发并量产Polyvaricon的日本公司Mitsumi(并没有倒闭,只是停止了Polyvaricon的生产。同年被一家轴承公司收购),结束了截至 2017 年的 Polyvaricon 产量。


超级电容器(ultracapacitor)

也称为超级电容。从字面上看,它就是一个大容量的电容器。与一般二次电池相比,容量较小,但其优点是充放电速度非常快。由于这些特性,它主要用作交通运输工具的高输出动力辅助。顶部的1F层是基本的,也有3400F层的。现在出现的超级电容器根本不是超级的,有两种类型:EDLC(双电层电容器)和赝电容器。EDLC 范围从最小 1F 到最大 3600F,伪范围高达 10kF。需要注意的是,通常为 10k 的电容器用于实验目的,而不是实际使用,并且很可能是 LIC(锂离子电容器)或混合电容器,而不是纯 EDLC。