电容器 及其在电路中的使用方法

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电容器 及其在电路中的使用方法

大多数关于 电容器 使用的书籍中都是这样写的:电容器本身存储电荷,并在需要时将其放电。 我们需要知道的是电容器什么时候应该充电,什么时候应该放电,这怎么可能?

因此,首先我们必须知道电容器通过接通电流所进行的动作:

假设我们要将一个电容器连接到一个电源,并用一个负载电阻作为限流器。

在连接电源之前,电容器的电压(其引脚之间)和电流为零。

在开始连接电容器的两个引脚时,电压为零,电流处于最大速率。 换句话说,电容器的作用就像一根电线。

经过每个步骤/级别 (τ) 后,电容器的电压增加到其先前值的 63.7%,并且不会让 63.7% 的电流通过。

经过5步(5τ)后,电容器几乎充满电,并且电容器不会让电流通过。

由此可以得出结论,电容器在直流电面前就像一个开关,一段时间后就不通过电流了。

该时间甚至可以小于 0.001 秒,具体取决于电容器的容量和通过的电流量。

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电容器 的种类及其容量

电容器有不同类型如:透镜电容器、电解电容器、陶瓷电容器、云母电容器等。

原理图中容量单位为法拉(F),电容器用C表示。

透镜电容器通常用于较低容量。

电解电容器用于高容量,因为它们是圆柱形的并且具有更多的平行板。

镜头电容:

flat capacitor 电容器
flat cap 电容器

电解电容(极化):

electrolytic capacitor 电容器
electrolytic cap
polarized cap

当使用极化电容器时,其正极必须连接到较高电压(电流输入),其负极必须连接到较低电压(电流输出/例如接地)。 在这些电容器中,负极引脚(较短的引脚)在主体上标记为引脚上方的符号“-”。

  • 在空间有限的电路中,例如计算机和移动设备内部的电路板,会使用 ( SMD ) 电容器、二极管电阻器 和晶体管。
  • SMD 零件的容量都写在零件上。 这样最后一位数字表示第一位数字前面零的个数,其单位也是最小的可能单位; 例如,在电容器中,其值为 1 皮法 (pF)。

为了计算容量,我们需要电压和负载。

为了获得负载,应使用特殊的公式。

通常,我们有了容量和电压,我们通过以下公式得到电容器中存储的电荷:

capacitor calculation 电容器

市场上电容器可用容量值的标准与电阻器E12和E24标准相同。

电容器 存储能量的计算

计算电容器中存储的能量可能不是很有用,但可以利用其关系获得其他值。

电能用U表示,单位为焦耳(j),按下式计算:

energy capacitor 电容器

上述关系中,Δ表示差值,电能差为ΔU,ΔV为管脚之间或时刻(V2-V1)之间的电压或电位差。

将电容器连接在一起

与电阻器一样,电容器可以通过以下 3 种方式相互连接:

1-并行

2-系列

3-并联和串联

  • 除了总容量之外,这些方法中的每一种都对电容器中存储的电压和电荷有效。

并行方法:

在这种方法中,整个电路中存储的电荷等于每个电容器中存储的电荷之和,总容量等于电容器容量之和。

parallel capacitor 电容器

V=V1=V2=V3

C=C1+C2+C3

q=q1+q2+q3

系列法:

在该方法中,整个电路中的电势差等于每个电容器中的V之和,并且总容量的倒数等于每个电容器容量的倒数之和。

series cap 电容器
cap cal

q=q1=q2=q3

V=V1+V2+V3

串并联法:

在这种方法中,像电阻一样,我们首先简化电路,然后利用关系式得到所需的值。

  • 尽量避免串联电容器并仅使用一个电容器,但并联电容器有助于消除电流噪声。

短路和电容充电时间计算

如果电容器的两个引脚通过导线连接,则会发生短路,电流会流过导线。

短路也会导致电容器放电。

cap short

电容器充电所需的时间取决于其容量以及输入电流(每秒通过的电荷量)和电压。

例如,一个可以容纳0.001库仑电荷的电容器,当它在0.001秒内放电时,就会有1安培的电流通过它。

根据短路导线的电阻,确定放电时间。

capacitor dicharge 电容器

电容器的充电时间可能会比这个值长(取决于充电源),但大致上我们可以说这个值是正确的。 借助先进的实验室设备可以进行准确的时间计算。

如果我们并联多个电容器,由于容量增加,充电时间会更长,如果串联,由于容量减少,充电时间会更少。

如果希望充电后电流不被完全切断,则需要与电容并联一个电阻。

在这种情况下,电容器充满电后,电流仅流过电阻器。

cap resistor  电容器

将电容器相互连接

如果将两个电容器连接在一起,它们的电压将相等,并且取决于以下因素:

1- 每个电容器的容量

2-如何连接电容器的引脚

3- 每个电容器中存储的电压

电容器的容量是已知的,我们也知道每个电容器中存储的电压; 但引脚可以通过以下两种方式相互连接:

1-同极连接销:

在这种情况下,为了计算电压,我们将两个电容器中存储的电荷总和除以电容器的容量总和:

caps 电容器

2- 不同极性的连接销:

在这种情况下,我们将电荷相减的绝对值除以电容器的总容量:

cap poles 电容器
  • 此功能可用于将电荷转移到电容器。

用电容器将半波信号转换为直流电

正如二极管文章中提到的,二极管从变压器产生的直流电流不断变化,从零电压到最大电压。 为了固定该电流,应使用电容器(通常是极化的)。

adapter
half wave

使用电容器的原因是其充电功率。

这样,当电压达到最大值时,它自身存储一部分电流,当电流达到最小值,即为零时,它在这段时间内逐渐释放电流。

下图显示了 100 微法拉电容器在频率 50 Hz 和 10 伏电压下产生的电压。

capacitor signal

该图是用 示波器 绘制的。

为了实现电流延续的作用,我们需要将电容器与输入并联。

下图展示了这个过程。

adapter capacitor
  • 如果是电解电容,必须正确连接其两极。

如果频率为50Hz,则根据电路的电压要求可以使用以下值来确定电容器的值。 这些值也是在示波器的帮助下获得的。

从2伏到12伏,100微法的电容下降约1伏,电流几乎变成直流。

从2伏到12伏,10纳法下降不到0.5伏,最大和最小电流差更大。

从这些值可以得出结论,容量越高,获得的电流越直接,压降也越高。

  • 建议同时使用高容量和低容量以降低噪音。

电流稳定器

您必须使用齐纳二极管来稳定电流。

如前所述,齐纳二极管在反向偏置时的作用类似于电阻器。

当电压变化时,齐纳电阻的值也会变化。

在齐纳管之后,为了确保电流是直流的,可以在输出电流上并联一个电容器。

下图展示了稳压二极管的使用方法:

zener cap
zener signal
  • 如果您的电源电流消耗超过齐纳限制,请使用稳压器。
  • 齐纳二极管将降低最终输出电压,例如,9v 输入应通过齐纳二极管降低至 8.2v。

交流电流及滤波电路中的电容器

交流电路输入中电容器的性能和特点与直流不同。

电容器可以通过交流电流,但仅限于特殊条件。

以下关系确定输入电阻与通过频率之间的比率:

capacitor xc 电容器

上式中,R为电路电阻,C为滤波电容容量,2π为圆周率(2*3.1415),F为最大频率(并联电容时)或最小频率(串联电容时) 使用电容器)。

在最初的时刻,电容器第一极板后面积累的正电荷在相对极板上产生负风,然后,随着交流输入电源的相位变化,正电荷从第一极板放电 并被负电荷取代,这导致让正电荷取代对面板上的负电荷。

这种变化会导致交流电流耗尽,但相位差为 90 度。 也就是说,当正弦波在电容器的第一极板中上升时,它在第二极板中下降。

但电容器的电容限制了电流消耗,这会在电容器中产生一种电阻。 这种电阻不是散热型的。 不需要计算功率,但必须在两板间电容极限耐压之下。

此功能也可用于过滤器。

如果我们将电容器的输出连接到用电设备,如果电容器的输入频率低于截止频率,通过降低频率,漏极电流将变弱,直到达到零。 这称为高通滤波器。

如果电容器的一个引脚连接到用电设备的输入,而另一个引脚连接到负极,则在截止频率下,可以防止电流进入用电设备(例如并联电阻),并且如果输入频率 低于截止频率,将释放较少的电流,直到达到最小电阻。 这称为低通滤波器。

在接下来的文章中,我们还将学习声音过滤器(均衡器)。

下图显示了两种类型的过滤器。

low pass high pass capacitor filters 电容器

您可以以任何其他方式使用电容器的这一有趣特性作为滤波器。

滤波器也可用作非通(两个滤波器并联)和中通(两个滤波器连续)。

电容式稳压器

有些零件需要饱和电压,或者为了使交流电流完全通过,需要使负半波变为正半波的电压和电流(特别是通过电容器之后),例如晶体管,这是其一个例子 应用在音频放大中,因此必须通过电阻器向组件的输入提供电流。

一般振荡可能会导致电路运行出现问题,因此可以通过与电阻并联的电容器来避免这些额外的振荡。

以下电路是该过程的示例(R3 是消费者):

cap stabilizer 电容器

下图显示了上述电路如何防止振荡:

signal 电容器

在A信号中,使用了电容器,而在B信号中,没有稳定器电容。 正如你所看到的,一开始,由于电容器的充电,电压不断增加,然后A的电压波动小于B。

电容器 的实际使用

单 LED 闪烁电路:

所需设备:12V电源、开关、LED、180和470欧姆电阻、1毫法电容、5V继电器、一些电线。

led flash light relay cap 电容器

如果你按照原理图安装上面的电路,你会看到连接开关后,LED开始亮灭。

电路分析:

电流从电源正极进入电路,然后进入连接在电容器之前的导线,到达继电器的NC引脚,通过它的电流到达180欧姆电阻的后面。

电流经过电阻后,进入继电器线圈引脚,继电器动作,使继电器的NO引脚耗尽电流,灯亮。

这是电容器开始充电的地方。

电容充电后,继电器断开,灯也熄灭,同时两个电容引脚通过继电器的NC引脚相互连接,发生短路(可以用一个 附加电阻,例如 22 欧姆以减少放电时间)。

电容器放电后,该操作再次开始。

  • 以上电路仅供火车使用,长时间使用可能会损坏电容器和继电器。

使用交流发电机制作交流转直流适配器:

图中,VG表示交流发电机。

ad dc simple adapter 电容器

您可以在该电路中添加一块电池,并根据您目前所学到的知识进行充电。

 

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