电容器 on 张同的博客

1.电容器简介

Sun, 07 Sep 2025 22:59:00 +0800

电容器简介

Introduction to Capacitors

电容器是一种简单的无源器件，当连接到电压源时，能够在其极板上储存电荷。

在本电容器入门教程中，我们将看到，电容器是一种无源电子元件，由两个或多个导电材料组成，这些导电材料彼此分离，中间由绝缘材料隔开。电容器具有以电荷形式储存能量的能力，从而在其极板之间产生电位差（静电压），类似于一个小型可充电电池。

市面上有各种各样的电容器，从在谐振电路中使用的微小电容珠，到用于功率因数校正的大型电容器，但它们的功能都是相同的——储存电荷。

在最基本的形式中，电容器由两块或多块并列的导电（金属）极板组成，这些极板既不相互连接也不接触，而是通过空气或某种优良的绝缘材料电气隔开。该绝缘材料可以是蜡纸、云母、陶瓷、塑料，或者电解电容中使用的某种液体凝胶。这个位于极板之间的绝缘层通常称为介电质（Dielectric）。

由于该绝缘层，直流电流无法流过电容器，因为它将电流阻断，而以电荷的形式在极板之间产生电压。

电容器的导电金属极板可以是方形、圆形或矩形，也可以是圆柱形或球形；平行板电容器的形状、尺寸和结构取决于其应用和额定电压。

A Typical Capacitor

在直流（DC）电路中，电容器会充电至其电源电压，但会阻止电流通过电容器本身，因为电容器的介电质是不导电的、基本上是绝缘体。然而，当电容器连接到交流（AC）电路时，电流似乎可以毫无阻力地“通过”电容器。

电荷有两种形式：正电荷（质子）和负电荷（电子）。当在电容器两端施加直流电压时，正（+ve）电荷会迅速在一极板上累积，而对应且相反的负（−ve）电荷则累积在另一极板上。每有一个正（+ve）电荷到达一极板，便会有一个相同符号的电荷从负（−ve）极板离开。

此时，极板保持电中性，并在两极板间建立由此电荷引起的电位差。一旦电容器达到稳态，由于介电质的绝缘特性，电流无法流经电容器本身或环路。

电子流向极板的过程称为电容器的充电电流Charging Current，该电流持续流动，直到两极板（以及电容器）上的电压等于施加电压 V_c。此时，电容器被称为完全充电fully charged状态。

当极板完全放电（初始状态）时，该充电电流的强度或速率达到最大值；随着极板充电至与电源电压相等的电位差，电流逐渐减小至零。

电容器两极板上存在的电位差取决于电源电压所做的功在极板上沉积的电荷量，以及电容器的电容量大小，如下所示。

平行板电容器是电容器最简单的形式。它可由两块相互平行且保持一定距离的金属板或金属化箔板构成，其电容值（单位：法拉 F）由导电极板的表面积和它们之间的距离决定。改变上述任意两项参数都会改变其电容值，这也构成了可变电容器工作的基础。

此外，由于电容器以电荷形式在极板上储存电子的能量，极板面积越大和／或极板间距越小，在相同电压下电容器所能储存的电荷就越多。换言之，极板越大、距离越小，电容越大。

通过对电容器施加电压并测量极板上的电荷，将电荷 Q 与电压 V 的比值取出即能得到电容值，即

2.电容器的类型

Sun, 07 Sep 2025 22:58:00 +0800

电容器的类型

Types of Capacitor

市场上有各种各样的电容器，每种电容器都有其自身的特性和应用。

可用的电容器类型从用于振荡器或无线电电路中极其微小精密的调谐电容器，到用于高压无功补偿和平滑电路中的大型金属罐电力电容器，种类繁多。

不同类型电容器的比较通常是根据其板间所用的介质材料来进行的。与电阻器类似，也存在可变电容器，可用于射频或“频率调谐”电路中，通过调节其电容量来满足连续可变的需求。

商业化电容器通常由交错的金属箔和浸渍石蜡的纸张或 Mylar 薄片作为介质材料制成。有些电容器呈管状，这是因为金属箔板被卷成圆柱状，以在绝缘介质层间形成紧凑的封装。

小型电容器通常由陶瓷材料制成，然后浸入环氧树脂中进行密封。无论哪种结构，电容器在电子电路中都扮演着重要角色，以下是几种较为“常见”的电容器类型。

介质可变电容器

Dielectric Capacitor

介质可变电容器通常用于需要连续变化电容量的场合，如调谐发射机、接收机和晶体管收音机。可变介质电容器是多极板空气间隙类型，由一组固定板（定子极片）和一组可动板（转子极片）组成，可动板在固定板之间移动。

可动板相对于固定板的位置决定了整体电容量。当两组极片完全啮合时，电容量通常最大。高压型调谐电容器的极板间距较大，气隙击穿电压可达数千伏。

可变电容器符号

Variable Capacitor Symbol

除了连续可变电容器之外，还有一种称为“预置可变电容器”（Trimmer）的可变电容器。这类电容器通常体积很小，可借助小螺丝刀将电容量预先调节到特定值，其电容量非常小，可达 500\text{pF} 或更低，并且为无极性结构。

膜式电容器类型

Film Capacitor Type

膜式电容器是所有电容器中最常见的一大类，其差异主要体现在所用介质材料上。这些介质包括聚酯（Mylar）、聚苯乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、金属化纸、聚四氟乙烯（Teflon）等。根据具体类型及耐压等级，膜式电容器的电容量范围可从 5\text{pF} 一直到 100\mu\text{F} 不等。膜式电容器的外形和封装样式多种多样，主要包括：

3.电容器特性

Sun, 07 Sep 2025 22:57:00 +0800

电容器特性

Capacitor Characteristics

电容器的特性定义了其温度、额定电压和电容范围，以及其在特定应用中的用途。电容器的特性和规格种类繁多，阅读印在电容器本体上的信息有时会令人难以理解，尤其是当使用颜色或数字编码时。

每个电容器家族（如陶瓷、电容薄膜、塑料或电解电容）都有其独特的特性和识别系统，有些系统易于理解，而有些则使用误导性的字母、颜色或符号。

要弄清标签所示的电容器特性，最好的方法是首先确定该电容器属于哪种家族，然后再根据该家族的标识方式来解读具体特性。

即使两个电容器具有完全相同的电容值，它们的额定电压也可能不同。如果用额定电压较低的电容器替换额定电压较高的电容器，则可能因电压过高而损坏额定电压较低的电容器。

此外，我们从上一个教程了解到，对于极性电解电容，其正极引脚必须接到电路的正极，负极引脚必须接到电路的负极，否则也可能造成损坏。因此，用与原规格完全相同类型的电容器来替换旧的或损坏的电容器，总是最安全的做法。下面给出了一个电容器标记的示例。

电容器特性

Capacitor Characteristics

电容器与其他电子元件一样，具有一系列定义其温度、额定电压和电容范围以及在特定应用中用途的特性。这些电容器特性总是可以在制造商提供的数据手册中找到，下面仅列出其中一些更重要的。

电容器特性——标称电容（C）

Capacitor Characteristics – Nominal Capacitance, (C)

标称电容值 C 是所有电容器特性中最重要的一项。该值以皮法（\mathrm{pF}）、纳法（\mathrm{nF}）或微法（\mu\mathrm{F}）为单位，并通常以数字、字母或彩色环印刻在电容器本体上。

电容值会随电路频率（Hz）和环境温度的变化而改变。较小的陶瓷电容器标称电容可低至 1\\mathrm{pF}，而较大的电解电容器标称电容可达 1\\mathrm{F}。

所有电容器都有一个宽容度（Tolerance）等级，对于铝电解电容，该值可从 -20% 到 +80% 不等，影响其实际电容值。电容值的选择由电路结构决定，但电容器侧面标出的值不一定就是其实际值。

4.电容与电荷

Sun, 07 Sep 2025 22:56:00 +0800

电容与电荷

Capacitance and Charge

电容器以电荷的形式在其极板上储存电能。

电容（capacitance）是衡量电容器储存电荷能力的量值。该电容值也取决于用于分隔两块平行极板的电介质材料的介电常数。电容的单位是法拉（\mathrm{F}），以迈克尔·法拉第命名。

电容器由两块平行的导电极板（通常为金属）组成，它们由称为“电介质”的绝缘材料隔开，防止彼此接触。当电压施加到这些极板上时，会产生电流，使一块极板带相对于电源电压的正电荷，而另一块极板带等量相反的负电荷。

因此，电容器能够储存电荷 Q（单位库仑，\mathrm{C}）。当电容器充满电后，其极板之间会存在电势差（p.d.）。极板面积越大和／或极板间距离（称为“极板间距”）越小，电容器所能储存的电荷越多，其电容也越大。

已知电容为 C（单位 \mathrm{F}）时，电容器在极板间储存的电荷 Q 与施加电压 V 成正比：

Q \propto V

注意，电容 C 始终为正值，绝不为负值。

施加的电压越大，电容器极板上存储的电荷越多；反之，施加的电压越小，存储的电荷越少。因此，电容器极板上的实际电荷 Q 可以通过以下公式计算：

电容器上的电荷 (Q)

Q = C \times V

其中：

Q\ (\text{电荷，单位库仑}) = C\ (\text{电容，单位法拉}) \times V\ (\text{电压，单位伏特})

5.电容器色环码

Sun, 07 Sep 2025 22:55:00 +0800

电容器色环码

Capacitor Colour Codes

电容器色环码是一种简单有效的视觉方法，用于识别电容器的电容量值。

识别电容器电容值有两种常见方法：使用数字万用表测量，或读取印在电容器上的色环码。这些色带按照色码系统表示电容值，同时也可能包含电压额定值和公差信息。

有时，电容器的电容量、电压或公差会以字母数字字符形式直接标注在其外壳上。但当电容量为小数值时，“小数点”往往不易识别，容易导致对实际电容量的误读。因此，人们通常用字母来替代小数点，既表明小数点的位置，又指示数字的量级。例如：

n47 表示 0.47\\mathrm{nF}
4n7 表示 4.7\\mathrm{nF}
47n 表示 47\\mathrm{nF}

此外，有时电容器还会用大写字母 K 来表示一千皮法（10^3\\mathrm{pF}），例如：

100K 即 100\times1000\\mathrm{pF}，也就是 100\\mathrm{nF}。

为了减少字母、数字和小数点混用所带来的混淆，多年前人们制定了一套国际色码方案，以色环（按光谱顺序）来标识电容值和公差。它通常被称为“电容器色环码系统”，其含义如下：

电容器色环码表

Capacitor Colour Code Table


Band Colour	Digit A	Digit B	Multiplier (D)	Tolerance (T) > 10 pF	Tolerance (T) < 10 pF	Temperature Coefficient (TC)
Black	0	0	x1	±20%	±2.0 pF
Brown	1	1	x10	±1%	±0.1 pF	−33×10⁻⁶
Red	2	2	x100	±2%	±0.25 pF	−75×10⁻⁶
Orange	3	3	x1,000	±3%		−150×10⁻⁶
Yellow	4	4	x10,000	±4%		−220×10⁻⁶
Green	5	5	x100,000	±5%	±0.5 pF	−330×10⁻⁶
Blue	6	6	x1,000,000			−470×10⁻⁶
Violet	7	7				−750×10⁻⁶
Grey	8	8	x0.01	+80%, −20%
White	9	9	x0.1	±10%	±1.0 pF
Gold			x0.1	±5%
Silver			x0.01	±10%

电容器电压色环表

Capacitor Voltage Colour Code Table

6.并联电容器

Sun, 07 Sep 2025 22:54:00 +0800

并联电容器

Capacitors in Parallel

当电容器并联连接时，其两个端子都分别与另一电容器的对应端子相连。

并联连接的所有电容器两端所加的电压 (V_c) 相同。因此，并联电容器具有共同的电压，其表达式为：

V_{C1} = V_{C2} = V_{C3} = V_{AB} = 12\\mathrm{V}

在下图电路中，电容 C_1、C_2 和 C_3 均作为并联支路连接在 A 点和 B 点之间，如下所示。

当电容器并联连接时，电路中的总电容或等效电容 C_T 等于所有单个电容器电容值之和。其原因在于电容 C_1 的上极板连接到 C_2 的上极板，后者又连接到 C_3 的上极板，以此类推。

7.串联电容器

Sun, 07 Sep 2025 22:53:00 +0800

串联电容器

Capacitors in Series

当多个电容器首尾相连成一条直线时，就称这些电容器为串联连接。

在串联连接中，流经各电容器的充电电流 i_C 是相同的，因为电流只有一条路径可走。

因此，串联电容器中的电流相等，即

i_T = i_1 = i_2 = i_3 = \dots

每只电容器的极板上所存储的电荷量 Q 也相同，与其电容量无关。这是因为任一电容器极板上的电荷必须来自其相邻电容器的极板。因此，串联的电容器必定具有相同的电荷。

8.在交流电路中的电容

Sun, 07 Sep 2025 22:52:00 +0800

在交流电路中的电容

Capacitance in AC Circuits

当电容器连接到正弦电源时，由于电源频率和电容器容量的影响，会产生一种称为容性电抗（capacitive reactance）的效应。

在交流电路中，电容器电流随时间变化，并相对于电源电压超前 90^\circ ，这种现象就称为容性电抗。

当电容器接在直流（DC）电源上时，其两极板会充电直到电容器两端的电压等于外加电压。只要外加电压保持不变，电容器就会一直保持这一电荷，充当一种临时的储能装置。

在这个充电过程中，会有电流 i 流入电容器，使其极板开始存储静电电荷。由于极板间的静电场会以与极板上电荷变化率相同的速率来抵抗电压变化，电容器的充电电流并非瞬时或线性的：当电容器极板未充电时，充电电流最大；随着极板电荷的累积，电流呈指数方式减小，直到电容器完全充电为止。

9.电容器教程总结

Sun, 07 Sep 2025 22:51:00 +0800

电容器教程总结

Capacitor Tutorial Summary

电容器由两块金属板与介质隔开组成。

正如我们将在本电容器教程中看到的那样，电容器是一种能储存电荷的能量存储器件。由于它们能够在板间储存电荷，电容器因此储存能量；理想电容器不会丢失其储存的能量。

最简单的电容器结构是用两块平行的金属导电板，通过一层绝缘材料将它们隔开。该绝缘材料称为“介质”。介质在电容器的电气特性中起着重要作用，本教程中我们可将其要点总结如下：

10.电容分压器

Sun, 07 Sep 2025 22:49:00 +0800

电容分压器

Capacitive Voltage Divider

电压分压电路可以像使用定值电阻那样，使用电抗元件来构建。

但与电阻分压电路一样，电容分压网络不会受到电源频率变化的影响，尽管它们使用的是电容器这一电抗元件，因为串联链中每个电容器都同样受到频率变化的影响。

在深入研究电容分压电路之前，我们需要了解更多关于电容电抗的知识，以及它如何在不同频率下影响电容器。

在我们第一节关于电容器的教程中，我们看到电容器由两块平行导电板和它们之间的绝缘介质组成，一块板带正电（+），另一块则带相反的负电（–）。

我们还了解到，当电容器连接到直流（DC）电源时，一旦电容器充满电，这个称为介电质的绝缘体就会阻止电流通过。

电容器像电阻一样会阻碍电流流动，但与将多余能量以热量形式消散的电阻不同，电容器在充电时将能量存储在电极板上，而在放电时将能量释放回所连接的电路中。

电容器通过在电极板上存储电荷来“抵抗”电流流动的能力称为“电抗”，当这种电抗与电容器相关时，我们称之为电容电抗（X_C）。与电阻一样，电抗也以欧姆（\Omega）为单位。

当一个完全放电的电容器被连接到直流电源（如电池或电源）时，由于电容器初始电抗极低，最大电流会在很短时间内通过电容器流过，同时电容器电极板以指数方式充电。

在约 5RC（5 个时间常数）后，电容器的电极板充电完毕，电压等于电源电压，电流停止流动。这时电容器对直流电流的电抗达到最大值，处于兆欧级，几乎相当于开路，这就是电容器阻隔直流的原因。

如果将电容器连接到不断反转极性的交流（AC）电源，它的电极板就会根据所施加的交流电压不断地充放电。

这意味着充电和放电电流会持续在电容器的电极板间流动，既然存在电流，就必然存在用于抵抗该电流的电抗。那么，这个电抗值是多少？哪些因素决定了电容电抗的大小？

在关于电容和电荷的教程中，我们看到电容器电极板上的电荷量（Q）与所加电压V_s和电容值C成正比。由于所加交流电压（V_s）在不断变化，电极板上的电荷量亦随之变化。

如果电容值更大，则在相同电阻R下，充电时间常数为\tau = RC更大，意味着充电电流持续流动的时间更长。对于给定频率而言，较大的电容值会导致较小的电容电抗X_C。

11.超级电容器

Sun, 07 Sep 2025 22:48:00 +0800

超级电容器

Ultracapacitors

超级电容器是一种电能存储装置，具有存储大量电荷的能力。

作为能量存储装置的超级电容器

Ultracapacitors As Energy Storage Devices

与以热量形式消耗能量的电阻不同，理想的超级电容器不会损失其存储的能量。我们也知道，电容器的最简单形式是两块平行的导电金属板，它们由如空气、云母、纸、陶瓷等绝缘材料（称为介电质）隔开一段距离 d。