电容器-这个词似乎暗示了这个意思能力，根据字典，它的意思是“持有某物的能力”。这正是电容器的作用-它携带电荷。但是是什么让它成为几乎所有电子电路的通用元件呢?让我们在这篇文章中分解电容器背后的东西，以理解它的作用以及如何使用它们。

什么是电容器?

电容器最原始的形式是由由介电介质隔开的两块导电板组成。电介质这个术语只是一个可以极化的绝缘体的花哨词，即在相反的面上形成负电荷和正电荷。当电压施加在这两块极板上时，电流就流过导电极板。一边带正电荷(缺少电子)，另一边带负电荷(多余电子)。我们都熟悉这样一个事实:不同的电荷相互吸引，所以由于平板上的电荷是相反的，所以平板上的电荷相互吸引。

记住这里有一个绝缘子在两个板块之间，所以电荷不能“流动”来平衡彼此，(理想情况下)处于一种相互吸引的状态，保持不变。这就是电容器如何实现其最基本的功能-保持或存储电荷。

电容器的象征

由于电容器有两个平行的金属板如上所述，它们的符号表示相同。至少它很容易画

在实际情况下，电容器不再只是两个板之间有一个间隙，在铝电解的情况下，两个板采取的形式，金属箔卷起来，在他们之间的间隔在管。

第二组符号代表极化电容器，表示由内部设计确定正负极的电容器。不小心颠倒这些端子几乎肯定会导致巨大的失败(特别是对较大的标本)，从失败的地方喷出一些箔片和纸米，大多数时候闻起来非常难闻。

电容器的电容和额定电压

电容是用法拉；它是以著名的英国电化学家迈克尔·法拉第的名字命名的。电容单位，表示库仑/伏特库仑(发音为“kooo -lom”)是电荷的单位，而伏特，我们知道，是电压或电位差的单位。这使得法拉德是每伏特电位差储存的电荷量。这种简单的方法，从数学角度看电容器，使其具有广泛的解释范围，通过许多致命的复杂数学方程的东西，如积分、指数和向量，我们的工程师将使用电容器，这是超出本文范围的东西。然而，我们将在后面的文章中讨论一些有趣的数学问题，它们将帮助我们设计带有电容的电路

当然，法拉(一库仑每伏特)是一个非常大的单位在大多数实际用途(因为库仑本身是一个相当大的电荷量，你可能已经知道)，所以大多数电容器(除了非常大的)是测量微法拉，或百万分之一(0.000001)法拉。假设你有一个容量为25V 10uF的电容器(前缀“u”代表“micro”，这是希腊符号“μ”(“mu”表示“micro”)在塑料外壳上的变形。由于电容(电子世界中对电容器的简称)的额定容量为10uF，它可以在其两端每伏电压中容纳10微库仑(即0.000010 C的百万分之一库仑)的电荷。也就是说，在25V的最大电压下，电容器可以容纳25V × 10uF的电量，也就是0.000250库仑。

记住我说的是“最大”电压。最大电压可能是电容器最重要的额定值。它告诉你一个电容可以处理多少电压在它爆炸前，.........!

电容器的工作原理

基本上，电容器内部发生的事情是，这些板之间的绝缘体正在经历一个被称为“介电击穿”的过程，这意味着绝缘体不能再绝缘，因为通过绝缘体的电压太高，它能够保持绝缘体。基本的物理原理有点偏离范围，但你只需要知道为什么会发生这种情况，因为没有一个绝缘体是完美的，也就是说，在某个特定的点上。即使是最坚固的桥，超载也会垮塌。这里发生的情况与此类似。为了减少击穿，你可能会增加两个极板之间的间隙，但这需要权衡——减少电容，因为极板之间的距离更远，电荷不像靠近时那样吸引那么多——就像磁铁的行为方式一样。

一个好的经验法则是使用额定电压比您的电路可能期望看到的高50%的帽。这就留下了很大的安全边际。例如，如果你需要一个盖子去解耦(不用担心，解耦在后面的文章中会解释)12V电源轨道，你可以使用16V电容，但推荐使用25V电容，因为它给你一个很大的安全裕度。好吧，你发现了!!是的，25V当然不是比12V大25%，但18V不是一个标准电容值-你不会找到任何与该电压等级。最近的是25V。

不同类型的电容器

击穿电压范围的原因是由于所使用的材料是介质，这也是电容器分类的基础:

铝电解电容器

这些可能是最容易辨认的类型的电容器．它们装在独特的金属罐子里，有一个塑料外壳，上面有明确的电压和电容额定值，还有一个白色的带来指示阴极。这个名字来源于这样一个事实，就像上面提到的，“板”是由化学腐蚀的铝箔制成的。蚀刻工艺使铝多孔(很像海绵)，并大大增加其表面积，因此增加了电容。电介质是一层薄薄的氧化铝。这些电容器充满了像电解液一样的油，因此得名。电解电容器两极分化是因为他们的内部结构。与电容器家族的其他成员相比，它们的电容大，但电压低得多。你可以看到电解液在0.1uF到100mF之间，额定电压在几伏特到500V左右。然而，它们的内部阻力往往很高。

注:电容器的内阻是由电容器帽的材料造成的，例如铝箔的电阻或引线的电阻。

陶瓷电容器

这些是带有陶瓷电介质的瓶盖。由于陶瓷介质的击穿极限是相当高的，你可以期待看到陶瓷帽疯狂的击穿电压像10kV。然而，电容往往很低，在皮法拉(0.000000000001F)到几十个微法拉的范围内。它们通常比其他类型电容器，如图所示。它们的内阻也很小。

确定陶瓷电容器

陶瓷电容的值将不会直接提到陶瓷电容器．总是会有一个三位数后面跟着一个变量;让我们学习如何使用这些数字来识别值。考虑下面的电容器。

正如你所注意到的，这三个数字被分成了两个数字，第三个数字是乘数。在这种情况下，68是数字，3是乘数。所以68要乘以10^3。简单来说就是68后面跟着3个0。因此，这个电容的值将是68000 pF。注意，单位应该始终是pF。类似地，一个代码为220的电容意味着它是22 Pico farad，因为10^0是0。

电容器的额定电压可以通过使用下面的线路找到。如果有线路，则电压值为50/100V，如果没有线路，则为500V。

下面给出了最常用的电容值及其在Pico法拉、纳米法拉和微法拉中的转换。

代码	微微法拉(pF)	毫微法拉(nF)	微法拉(超滤)
One hundred.	10	0.01	0.00001
150	15	0．015	0.000015
220	22	0.022	0.000022
330	33	0.033	0.000033
470	47	0.047	0.000047
331	330	0.33	0.00033
821	820	0.82	0.00082
102	1000	1．0	0.001
152	1500	1．5	0.0015
202	2000	2．0	0.002
502	5000	5．0	0.005
103	10000	10	0.01
683	68000	68	0.068
104	100000	One hundred.	0．1
154	150000	150	0.15
334	330000	330	0.33
684	680000	680	0.68
105	1000000	1000	1．0
335	3300000	3300	3．3

薄膜电容器

顾名思义，这些电容器中的电介质是塑料薄膜，通常是我们熟悉的塑料，如聚酯薄膜和聚酯。它们具有与陶瓷帽相同的性能，高击穿电压(因为塑料聚合物的行为方式)和低电容。唯一的区别是，虽然表面上看起来像陶瓷帽，但它们往往会稍微大一些。内阻可与陶瓷帽相媲美。

钽和铌电容器

这些电容在技术上属于电解电容器的范畴。在这里，电解液是由钽或铌氧化物制成的固体材料。对于给定的电容，它们具有非常低的内阻，但与其他类型相比，它们对过电压的免疫力较低(陶瓷是最好的)，往往会在没有太多预警的情况下失效，并伴随大量的黑烟。

特殊目的的电容器

这些包括银云母帽，X和Y级帽，等。例如，X和Y额定电容器用于线路滤波——结构更坚固，额定电压更高，电容也更低，如果施加交流电压，可以减少通过它的电流，如果施加直流电压，可以限制存储在电容帽中的能量。

超级电容器,超级电容

它们将电容提升到一个全新的水平，极大地增加了电容，有时可以达到数百法拉的范围!这是可能的，因为一些巧妙的化学方法。超级电容器和超级电容器是电容器和化学电池之间的桥梁。然而，它们的电压很低。

这些差不多都是常用类型的电容器你可能在电子领域经常遇到。

电容器在电路中的表现

一个有用的第一项任务是学习如何计算电容中的能量存储，它由下面的公式给出，

E = 1/2CV²

其中E是能量，单位为焦耳，C是电容，单位为法拉，V是电压，单位为伏特。请注意，这个方程采用了许多其他牛顿能量方程的形式，一个整洁的复活节彩蛋!

假设你有一个额定电压为50V的电容和1000uF的电容，在满50V时存储的能量为:

1/2 * 0.001000f * 50v * 50v

这只需要区区1.25J的储存能量。

这揭示了一个主要的电容器作为储能设备的缺点-给定尺寸的存储能量非常低，相同尺寸的电池至少有1000倍的存储能量!然而，与化学电池相比，电容的内阻要低得多，这使得它们能够快速释放所有储存的能量。短路电池只会导致它发热，因为内部电阻耗散的功率，但短路电容器只会产生几个火花，因为所有的电荷被倾倒一次，而不会损坏电容器。

其次，还有另一个关于电压、电流和电容的简洁公式:

I / C = dV / dt

其中I是供给电容器的电流，单位为安培，C是电容，单位为法拉，dV/dt是电压在电容器两端的变化率。考虑到它的单位-伏特每秒给定的电流和电容。不用担心这个小d，它只是数学上的“到极限0”的一种说法。

假设你有一个恒定电压为5V、恒定电流为1mA的电源，那么重新整理这个公式，我们可以找到为一个100uF电容充电5V所需的时间:

dt = CdV /我

dt = (0.000100F * 5V)/0.001A

Dt = 0.5秒

因此，电容器可以在0.5秒内充电5V。(请记住，电容器只能充电到最大电压提供给它，永远不会更多，他们不能神奇地“创造”电压。)

电容的这种可预测的行为使得它对于产生时间延迟非常有用，例如，用一点额外的电路。你可以重新整理方程得到时间。

现在为好东西-实际的电容电路!

电路中的电容器行为

让我们从简单的开始——不同的电容连接方式。这和连接两个电阻差不多——你可以串联或并联。

并联电容器

下图显示了三个电容并联连接，所有各自的正负极连接在一起(假设帽是极化的)。这种布置的总电容就是电路中所有电容的总电容之和。这是有道理的，因为并联电容器板增加了表面积，增加了电容。

这种排列方式所能处理的最大电压是最小电容的电压，因为所有电容的电压都是相同的。

一个示例应该可以澄清这一点。假设你有两个电容，一个额定电压为25V 470uF，另一个为35V 1000uF。总电容为470uf + 1000uF = 1470uF。然而，你可以通过这个电池组(一堆电容器连接在一起可以被称为电容器“电池组”)的最大电压将只有25V。如果你在这条河上放比这更高的东西，就会溅起火花，因为你超过了最大值。25V电容的电压。

电容串联

当你想要一个大的电容而你只有一个小的值时，并联电容器是特别有用的。将这些较小的值上限并联在一起，最终会得到较大的值并完成工作，前提是你要考虑电压。

现在把电容器串联起来有点复杂。电容由公式给出:

1/Ctotal = 1/C1 + 1/C2 +…+ 1/Cn

其中C1、C2、Cn为电路中使用的每个电容的电容。

银行现在可以处理的电压是所有额定电压的总和。

如果给您一个10V 1uF的电容和一个50V 10uF的电容，那么银行可以串联处理的电压为10V + 50V = 60V。计算出电容为0.9091uF。

电容电压与时间

如果我们想给电容器充电怎么办?我们可以把它连接到电压源上，就像下图一样。这里会发生的是，电压源连接的瞬间，假设帽完全放电，电荷冲在板上积累，导致一个非常大的(理论上，无限!)电流尖峰只受限于电容的内阻。当然，如果你的电源恰好是电池之类的东西，这是不可取的。一个明智的想法是添加一个电阻串联电容和电压源，以限制电流，如图所示，瞧!你有一种工程师称之为RC电路的东西，“R”代表电阻，“C”代表电容!

这个电路显示了一些有趣的行为。当电压连接到标有“I”的电阻一侧时，由于电流有限，电容器上的电压缓慢上升。图表是这样的:

更懂数学的观众会认出斜率的形状——它类似于指数函数的形状!

还记得我说过上限可以用来产生时间延迟吗?这是一种不需要恒流源(这需要一些额外的电路)的方法。因为如果我们知道电容、电压和电阻，达到特定电压所需的时间是可以预测的，所以我们可以创建延时电路。

电阻和电容的乘积RC就是电路的时间常数。这个参数在准确地确定到达给定电压的时间方面非常有用，如下图所示。

从图中可以看出，电容器在一个时间常数内达到施加电压的63%，以此类推。

这是全赛季555计时器使用的原则，尽管设计公式略有不同。

另一个有趣的应用RC电路是信号滤波，即从电路中去除不需要的频率的电信号。RC电路需要一定的时间从一个源充放电。如果我们应用一个时间周期大于RC的周期波，那么同样的信号会出现在输出上，失真很小。然而，随着频率的增加，信号的极性变化的速度比电路充放电的速度要快，最终在某个点之后，信号消失，剩下的就是干净的直流了!这被称为信号衰减。正如你所看到的，RC电路的作用就像一个过滤器，阻止交流信号(甚至是叠加在直流上的信号，即有一个直流偏移)超过一定的频率。这种滤波器被称为低通滤波器，也就是说，它让低频通过，但不让高频通过。

交流电路中的电容器

电容器放置在交流电路中表现出一种有趣的方式。从信号的角度来看，它们可以被认为是频率相关的电阻。正如上面看到的，RC电路从一个信号屏蔽所有的交流，但是当一个电容与一个交流电压源串联时，会发生什么?恰恰相反!

由于电容器只是由绝缘体隔开的两块金属板，它不让任何直流电通过它。然而，交流信号的电压是不断变化的，所以一个极板看到一个变化的电压，就会在另一个极板上感应到相反的电荷，如图所示:

这具有让电流“通过”电容器在相对高频率的整体效果。在输出端并联加一个电阻就形成了一个高通滤波器，也就是说，这个滤波器只允许高频通过，并屏蔽所有的直流信号。

电容器的“交流电阻”或阻抗由以下公式给出:

XC = 1 /(2 *π* f * C)

式中XC为容性电抗或阻抗，f为频率，C为电容。你可以用这个公式来计算一个电容在交流电路中的虚拟“电阻”。

电容器在野外的哪里

好了，理论讲够了。让我们看看其中的许多电容器的使用．

首先你可能会看到电容器在各种电源中作为滤波器和解耦。它们充当充电水库，在负载需要时提供快速电流。

这里有两个示波器镜头，显示了在电源的引线上没有电容和有电容的影响。正如你所看到的，电容器大大减少了电源轨道上的“噪音”，从而保护脆弱的部件免受突然的电压尖峰。

他们也被称为“脱钩”电容器，因为它们将安装在其中的电路部分与电源“解耦”。有时，电路板上的电源引线可能很长，并且具有很高的电感和电阻。这可能导致它们提供比平常更少的电流。在电源线的末端安装一个电容就像在设备上安装了一个较小的临时“电池”，在需要的时候提供电流，并在设备消耗低功率时充电。

您可以使用公式I/C = dV/dt来计算从电源端子消除“纹波”电压所需的电容。

假设你有一个电力供应它的电压变化从11.5V到12V(纹波)每10ms，这是常见的市电供电设备，由于50Hz的频率，你需要在端子上放置一个帽来平滑电压。如果这种情况下负载电流为1A，那么我们可以这样重新排列公式来求出电容:

(我* dt) / dV

式中，I为负载电流，dt为噪声产生的时间段，dV为纹波电压。将这些值代入，我们发现我们需要一个20000uF的电容。这看起来很多，但你可以用更少的钱。所得值仅供参考。

在现实生活中，你可能会在功率轨迹上发现多种类型和值的电容器，这是为了减少许多频率上的噪声含量，并有尽可能平滑的电压。

电容器的另一个用途是在复杂的滤波器中，比如下面这个:

但更简单的过滤器是RC滤波器，这里描述了一个有趣的过滤器。

每个人都知道的Arduino单片机板．一个多功能的工具，但你有没有想过为什么模拟输出输出数字PWM信号?这是因为它们被设计为与外部滤波网络一起使用，以将PWM电压平滑到真正的模拟电压。这可以通过一个1K电阻和一个10uF电容这样简单的部件来完成。试一试!

另一个用法，就像上面提到的，是计时。一个简单的振荡器可以用一个非与门(试着弄清楚为什么与门不起作用)，一个电阻和一个电容来构建。

假设电容上最初没有电压，NAND输入(连接在一起)接近0V，然后打开输出。盖子现在通过电阻器充电。当它达到栅极的“高”阈值时，输出翻转低，现在盖子放电。这个循环继续产生一个方波输出，其频率依赖于R和C的值。

最后，电容器的另一个有趣用途是能量存储。当然，电容器不是电池的对手，但对于一些需要快速消耗能量的应用，盖子是最好的选择。

等设备coilguns(更多可以在网上找到)需要大的电流脉冲来加速弹丸，所以高压电容器用于这种目的，通常额定为450V 1500uF，可以储存大量的能量。

结论

所以有!你们现在对电容器的了解比开始时多得多。您现在能够设计简单的电容电路。记住，还有很多东西需要学习，不要切换电源端子!