电容器这个词似乎暗示了…的意思能力，根据字典，这个词的意思是“持有某物的能力”。就是这样电容器的作用-它能携带电荷。但是，是什么使它成为几乎所有电子电路中的常见元件呢?让我们在这篇文章中分解电容器背后的东西来理解它的功能以及如何使用它们。

电容是什么?

电容器在其最原始的形式包括两个导电板由介电介质分开。电介质这个术语只是一个可以极化的绝缘体的花哨词，即在相反的表面上形成负电荷和正电荷。当电压施加在这两块板上时，电流就流过导电板。一边带正电(缺少电子)，另一边带负电(电子过剩)。我们都熟悉不同电荷相吸的事实，因为盘子上的电荷相反，所以盘子上的电荷相互吸引。

记住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)处于相互吸引的状态并保持不变。这就是电容器如何实现其最基本的功能——保持或储存电荷。

电容器符号

由于电容器有两个平行的金属板如上所述，它们的符号代表相同的。至少画起来很简单

在实际情况下，电容器不再只是两个之间有间隙的板，在铝电解的情况下，两个板采取金属箔的形式，在一个管中，它们之间有一个间隔。

第二组符号代表极化电容器，意思是通过内部设计定义了正负极的电容器。不小心倒转这些端子几乎肯定会导致惊人的故障(特别是对于较大的样本)，从故障地点喷出箔片和纸米，大多数时候气味非常难闻。

电容的容量和额定电压

电容器的测量单位是法拉；它是以英国著名的电化学家迈克尔·法拉第的名字命名的。电容单位，代表库仑每伏特库仑(发音为“库-罗姆”)是电荷的si单位，而伏特，正如我们所知，是电压或电位差的单位。法拉就是每伏特电位差所储存的电荷量。这种简单的从数学角度看待电容器的方法可以得到广泛的解释，表现为许多极其复杂的数学方程，如积分、指数和向量，这是我们工程师在处理电容器时将使用的，这超出了本文的范围。但是，在本文后面的部分中，我们将讨论一些有趣的数学问题，这将帮助我们设计带有电容器的电路

当然，对于大多数实际用途来说，法拉(每伏特一库仑)是一个非常大的单位(因为库仑本身就是一个相当大的电荷量，你可能已经知道了)，所以大多数电容器(除了非常大的电容器)都是以微法拉或百万分之一(0.000001)法拉来测量的。假设你的塑料外壳上有一个25V 10uF的电容器(“u”前缀代表微，它是希腊符号µ(“mu”)，意思是“微”)。由于电容帽(在电子世界中电容器的简称)的额定电压为10uF，它可以在其两端每伏电压上容纳10微库仑(即百万分之一库仑，0.000010 C)的电荷。这意味着，在25V的最大电压下，电容器可以容纳25V x 10uF的电荷，计算出来是0.000250库仑。

记得我说过“最大”电压。最大电压可能是电容器上最重要的额定值。它告诉你多少电压电容器可以处理在它的终端爆炸.........!

电容的工作

基本上，电容器内部发生的事情是，这些板之间的绝缘子正在经历一个称为“介电击穿”的过程，这意味着绝缘子不能再绝缘，因为绝缘子上的电压太高，无法保持绝缘体的状态。基本的物理学有些超出范围，但要理解为什么会发生这种情况，你只需要知道没有绝缘体是完美的，也就是说，在某一点上。如果超载，再坚固的桥也会倒塌。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，但这也需要一个权衡——减小电容，因为极板之间的距离更远，电荷的吸引力不如它们靠近时那么大——就像磁铁的行为一样。

一个好的经验法则是使用额定电压比你的电路可能期望看到的电压高50%的盖子。这就留下了很大的安全裕度。例如，如果你需要一个帽来解耦12V电源轨道(不用担心，文章后面会解释解耦)，你可以使用16V电容，但建议使用25V电容，因为它给了你一个很大的安全裕度。好吧，你发现了!!是的，25V当然不会比12V大25%，但18V不是标准电容值-你不会找到任何具有该电压等级的电容。最接近的是25V。

不同类型的电容器

击穿电压范围的原因是由于用作电介质的材料，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电容器的类型．它们装在带有塑料护套的独特金属罐中，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。这个名字来自于这样一个事实，就像上面提到的，“板”是由化学蚀刻铝箔制成的。蚀刻过程使铝多孔(很像海绵)，并大大增加其表面积，从而增加电容。电介质是一层薄薄的氧化铝。这些电容器充满了像电解质一样的油，因此得名。电解电容器因为它们的内部结构而极化。与电容器家族的其他成员相比，它们具有大容量，但电压要低得多。你可以期望看到电解质在0.1uF到100mF之间，额定电压在几伏到500V左右。然而，它们的内阻往往很高。

注:电容器的内阻是由电容器帽的材料构成的，例如铝箔的电阻或引线的电阻。

陶瓷电容器

这些是陶瓷电介质的盖子。由于陶瓷电介质的击穿极限相当高，您可以期望看到具有10kV这样疯狂击穿电压的陶瓷帽。然而，电容往往很低，在皮法拉(0.000000000001F)到几十微法拉的范围内。它们通常比其他类型的电容器，如图所示。它们的内阻也很小。

识别陶瓷电容器

一个陶瓷的电容值就不直接提了陶瓷电容器．总是会有一个三位数的数字跟在一个变量后面;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。

您可以注意到，这三个数字被分成了两个数字，第三个数字是乘数。在本例中，68是数字，3是乘数。68应该乘以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.注意单位应该总是pF.类似地，一个电容的220代码意味着它是22 Pico farad，因为10^0是0。

电容器的额定电压可以通过使用本代码下的行找到。如果有线，则电压值为50/100V，如果没有线，则电压值为500V。

下面给出了最常用的电容值及其在Pico Farad, Nano Farad和microfarad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一种塑料薄膜，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特性，高击穿电压(由于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，但它们往往略大。内阻与陶瓷帽相当。

钽和铌电容器

这些电容器在技术上属于电解电容器的范畴。这里的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，然而与其他类型相比(陶瓷是最好的)，它们对过电压的免疫能力较差，并且往往在没有太多警告的情况下发生故障，并产生大量令人讨厌的黑烟。

特殊用途电容器

这些包括银云母帽，X和Y级帽等。例如，X和Y额定电容器是为线路滤波而设计的-更坚固的结构和更高的电压额定值，也低电容，以减少在施加交流电压时通过它的电流，并限制在施加直流电压时存储在帽中的能量。

超级电容器和超级电容器

它们使电容器达到了一个全新的水平，大大增加了电容，有时在数百法拉的范围内!这是可能的，因为一些巧妙的化学反应。超级电容器和超级电容器弥补了电容器和化学电池之间的差距。然而，它们的电压非常低。

这些几乎都是常见类型的电容器你可能在电子世界中经常遇到。

电容器在电路中的表现如何

第一个有用的任务是学习如何计算电容器中的能量储存，它由公式给出，

E = 1/2cv²

其中E是储存的能量，单位是焦耳，C是电容，单位是法拉，V是电压，单位是伏特。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，电容为1000uF的电容帽，在满50V时存储的能量将是:

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

计算出来，这是一个微不足道的1.25J的存储能量。

这揭示了一个主要的电容器作为储能器件的缺点-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，电池帽的内阻比化学电池低得多，这使得它们能够迅速释放所有储存的能量。电池短路只会导致电池发热，因为内阻会消耗能量，但电容器短路只会产生一些火花，因为所有的电荷都是一次性倾倒的，而不会损坏电容器。

其次，还有一个关于电压、电流和电容的简洁公式:

I/C = dV/dt

其中I是电容的电流，单位是安培，C是电容，单位是法拉，dV/dt是电容两端的电压变化率。在给定电流和电容的情况下，考虑它的单位-每秒伏特。不用担心小d，它只是一种表示“到极限0”的数学方法。

假设你有一个电源，在1mA的恒定电流下输出5V的恒定电压，然后重新排列方程，我们可以找到将100uF电容充电到5V所需的时间:

dt = CdV/I

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

Dt = 0.5秒

所以电容器可以在0.5秒内充电到5V。(请记住，电容器只能充电到提供给它的最大电压，永远不能超过，他们不能神奇地“创造”电压。)

电容器的这种可预测的行为使得它在产生时间延迟时非常有用，例如，使用一点额外的电路。你可以重新排列这个方程来得到时间。

现在是好东西-实际的电容器电路!

电路中的电容行为

让我们从简单的开始-电容器可以连接在一起的不同方式。这是非常相同的连接两个电阻-你可以串联或并联它们。

并联电容器

下图显示了三个并联的电容器，所有各自的正负极连接在一起(假设帽是极化的)。这种排列的总电容就是电路中所有电容的总和。这是有意义的，因为并联电容器板增加了表面积，增加了电容。

这种排列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共同的。

一个例子可以解释这一点。假设你有两个电容器，一个额定值为25V 470uF，另一个额定值为35V 1000uF。总电容为470uf + 1000uF = 1470uF。然而，你可以在这个组上施加的最大电压(一堆连接在一起的电容器可以称为电容器“组”)将只有25V。如果你把比这更高的东西放到对岸，就会有火花，因为你超过了最大值。电压的25V电容器。

串联电容器

当你想要一个大的电容而你只有很小的值时，并联电容器特别有用。如果你注意到电压，将这些较小的值上限并行地放在一起，最终会得到较大的值并完成工作。

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是电路中使用的每个电容器的电容。

银行现在能处理的电压是所有额定电压的和。

如果你有一个额定值为10V 1uF的盖子和一个额定值为50V 10uF的盖子，那么银行可以串联处理的电压是10V + 50V = 60V。电容计算出来为0.9091uF。

电容电压与时间

如果我们想给电容器充电呢?我们可以把它连接到电压源上，如下图所示。这里会发生的是，电压源连接的那一刻，假设帽完全放电，电荷冲到板上积累，导致一个非常大的(理论上，无限!)电流峰值，只受电容内阻的限制。当然，如果你的电源恰好是电池之类的东西，这是不可取的。一个明智的想法是在电容器和电压源中添加一个电阻来限制电流，如图所示，瞧!你有工程师称之为RC电路的东西，“R”代表电阻，“C”代表电容器!

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。图表看起来是这样的:

更倾向于数学的观众会认出斜率的形状——它类似于指数函数!

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(需要一些额外的电路)的方法。如果我们知道电容、电压和电阻，到达特定电压所需的时间是可以预测的，因此我们可以创建延时电路。

电阻和电容的乘积RC被称为电路的时间常数。该参数在实际确定精确达到给定电压的时间时非常有用，如下图所示。

从图中可以看到，电容器在一个时间常数内达到施加电压的63%，等等。

这就是全季节555计时器使用的原理，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频率的电信号。RC电路从一个电源充电和放电需要一定的时间。如果我们施加一个时间周期大于RC的周期波，那么同样的信号将出现在输出上，失真很小。然而，随着频率的增加，信号的极性变化速度比电路充电和放电的速度更快，最终在某一点之后，信号消失了，剩下的就是干净的直流!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滤波器，可以阻止超出特定频率的交流信号(甚至是叠加在DC上的信号，即具有DC偏移)。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

当电容器放在交流电路中时，它的表现很有趣。从信号的角度来看，它们可以被认为是频率相关的电阻。如上所示，RC电路从信号中屏蔽了所有的交流，但当电容器与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，它不让任何直流电流通过它。然而，交流信号的电压是不断变化的，所以一个极板看到电压的变化，就会在另一个极板上产生相反的电荷，如图所示:

这具有让电流以相对较高的频率“通过”电容器的总体效果。与输出并联的电阻器构成了高通滤波器，即只允许通过高频而阻塞所有直流信号的滤波器。

电容器的“交流电阻”或阻抗由以下公式给出:

XC = 1/(2*π*f*C)

其中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电容器在交流电路中的虚拟“电阻”。

电容器在野外哪里被发现

好了，理论讲完了。让我们深入研究一下电容器的用途．

首先你可能会在各种各样的电源中看到电容器作为滤波器和去耦。它们充当电荷蓄水池，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和有电容的影响。正如你所看到的，电容器极大地降低了电源轨道上的“噪音”，从而保护脆弱的部件不受突然电压峰值的影响。

它们也被称为“脱钩”电容器，因为它们将安装它们的电路部分与电源“解耦”。有时电路板上的电源引线可能相当长，具有很高的电感和电阻。这可能导致它们提供的电流比平时少。在电源线的末端安装一个电容器，就像在设备上安装一个较小的临时“电池”，在需要时提供电流，在设备功耗低时充电。

您可以使用公式I/C = dV/dt来计算必要的电容，以消除电源端子的“纹波”电压。

假设你有一个电力供应它的电压每10毫秒从11.5V到12V(纹波)变化，这在市电供电设备中很常见，因为频率为50Hz，你需要在端子上放一个帽来平滑电压。如果在这种情况下，负载电流是1A，那么我们可以这样重新排列公式来计算电容:

(I * dt)/dV

其中I为负载电流，dt为噪声的时段，dV为纹波电压。将数值代入，我们发现我们需要20000uF的电容。这可能看起来很多，但你可以用更少的钱。得到的值仅作为参考。

在现实生活中，您可能会在电源走线上发现多种类型和值的电容器，这是为了降低许多频率上的噪声含量，并具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:

但是一个更简单的过滤器是RC滤波器，这里描述了一个有趣的过滤器。

每个人都知道Arduino微控制器板．一个多功能的工具，但你有没有想过为什么模拟输出吐出数字PWM信号?这是因为它们被设计成与外部滤波网络一起使用，以使PWM电压平滑到真正的模拟电压。这可以用一个1K电阻和一个10uF电容器这样简单的部件来完成。试一试!

另一个用途，就像上面提到的，是计时。一个简单的振荡器可以用一个NAND门(试着弄清楚为什么AND门不起作用)，一个电阻和一个电容器来构建。

假设最初电容之间没有电压，NAND输入(绑在一起)看到接近0V，并打开输出。瓶盖现在通过电阻器充电。当它达到门的“高”阈值时，输出翻转低，盖子现在放电。这个循环继续产生方波输出，其频率取决于R和C的值。

最后，电容器的另一个有趣的用途是储能。当然，电容器不是电池的对手，但对于一些快速需要能量的应用，盖子是最好的工作。

等设备coilguns(更多可以在网上找到)需要一个大电流脉冲来加速弹丸，所以高压电容器被用于这样的目的，通常额定值为450V 1500uF，可以存储大量的能量。

结论

原来如此!你现在知道更多的电容比你开始的时候。你现在能够设计简单的电容器电路。记住，要学的东西还有很多，不要随意切换电源端子!