电容器的作用和规律

关键的外卖

• 从多个角度分析电容器。

• 电容和电感的比较。

• 电路中电容器的实际例子。

形式服从功能，电容器有多种形式。

就像语言一样，电路设计由重复和不可分割的字符组成，这些字符可以无限地组合在一起，在当前技术限制范围内创建任何可行的响应。可以说，这些元素中最普遍的是电容器，这是大多数设计师在第一块电路板之后所熟悉的设备。了解电容器在整个设计中实现各种各样的关键功能可能并不令人惊讶。在讨论这些角色之前，回顾电容器操作背后的一些术语和理论是有益的。

电容器:任何设计的关键部分

电容器的简单构造掩盖了它在整个电路中的广泛用途。虽然现代电容器具有最先进的制造技术和材料科学，但该设备是两个带电板，其核心被介电材料隔开。正如库仑定律所描述的，由于电流是正电荷的流动(或相反，与电子迁移方向相反的流动)，电容器的板开始带电，吸引不同的电荷，排斥相似的电荷。只要有电荷存在，描述带电表面势场的电场也就存在;在这种情况下，它是高度集中在电容器的板之间。

介电构成了电容器电荷存储能力的基础:因为在带电板之间放置了一种材料，在给定电压下，电容会提高。这种改进是由于介电常数——或材料在电场存在下极化的有效程度——而产生的。从本质上讲，材料吸收电荷的能力的提高而不影响电容器的运行(直到电介质击穿)有助于优化，这是考虑电路板可能包含的电容器绝对数量的一个关键因素。

然而，电容器不是魔法:存在一个最大的能力，以抑制两个板之间的电荷。达到这个值意味着绝缘体迅速切换到导体，由于底层材料特性的变化，这通常是不可逆的。不太极端的情况可能会导致放电事件，不会从根本上改变电容器的未来性能，但会损坏周围的电子设备。

电容器通常可以根据其结构中使用的材料进行划分，但这并不一定意味着不同的格式会产生不同的性能。制造过程在不同的风格之间达到一些最好的特征。主要有三种电容器的材料类型:

• 陶瓷-由金属导体和陶瓷材料交替层组成，后者与含有增强电磁化率参数的某些金属混合。
  • ◯用途-线路阻塞，高频耦合，滤波，旁路等。
• 电影- - -含有绝缘塑料作为电介质。这些电容器可以在一定程度上从金属层之间的介电击穿中恢复，与其他类型的电容器相比，在类似的封装尺寸下具有更大的电容。
  • ◯使用- - - - - -回扫，怠慢，时机。
• 电解-电介质中增加的表面积和更大的介电常数意味着这些电容器可以提供绝对最高的电容值，但存在布局/制造/组装方面的问题。
  • ◯用途-大功率电流转换器，缓冲。

如果不提到极性，关于一般电容器特性的讨论是不完整的。在上述列表中，只有电解帽是极化的-这些是在包装上包含一些视觉指示器的电容器，用于定位安装。虽然非极化电容器可以放在任何一个方向，但向后安装电解电容器将导致组件故障，并且在足够大的电容中，会对周围环境造成破坏。因此，设计师在地面图案创建过程中应该非常小心，以确保引脚1指示器和其他极性标记在最终图例准备过程中可见且不被遮盖。

电容器，瞬态和时间常数

像许多设备一样，电容器的操作取决于源电流以及电路的瞬态性质。工程师使用开关，通常以微型晶体管的形式，为电路的行为提供一个结构，类似于根据工程师想要选择的条件写出代码块的潜在情况。在这些情况下，有必要了解电容器将对不断变化的条件作出反应。在直流充电循环开始时，电容器类似于短路，因为它允许电流通过并建立空能量存储。当电容器慢慢被电荷饱和时，它提供了一个更高的阻抗通路，最终导致充满电时的开路。在放电周期中，电容器希望保持其相对于时间常数的电压变化，并将存储的电荷用于电流以实现这一目标，最终在足够长的时间内耗尽电容器并重新开始这个过程。

存储元件的充放电量子化速率，称为时间常数，告诉设计者电容器的响应有多敏捷。更大的电容意味着更大的存储容量，但更慢的充放电速率，反之亦然。这导致电容器使用的两个重要方面，第一个是调整去耦电容器尺寸部分基于相关电路的需求，其次是它们的空间位置。对于有许多相关联的去耦电容的大型集成电路，最小的电容应放置在离各自电源引脚最近的位置，以获得最低的阻抗(因此响应时间最快)。较大的电容器仍然应该放置在这些引脚附近，但他们的时间常数决定了他们不需要如此接近，仍然提供合适的性能。

检查电容器/电感二元性

电容器是电路的组成部分，就像电阻和电感一样。这三种组合具有一些关键特征，即无源线性成分。即使在这些相似之处中，电容器也显得有点古怪:它们的串联和并联组合与电阻和电感的组合相反。电阻器和电感器是串联的和，是并联的和的倒数，而电容器是反向的。

尽管有这种怪癖，电容器和电感是三个设备中更紧密相连的一对。两者都代表了理想化电学理论的二元性:一边的电容器代表电，另一边的电感代表磁。回忆一种设备的特征最简单的方法之一是记住理想化的它们几乎是相反的。两者都是电抗的两个方面，电抗是电阻的假想对应物，它们结合在一起形成阻抗，从而导致电压和电流波形之间的相移。这部分阻抗是无损的，但在现实中，不可能遇到零电阻阻抗。

为了进一步建立电感和电容器之间的连接，下表显示了这两个器件在许多核心方面相互充当箔:

一组并联电解电容器可以为高端电压要求提供有效的解决方案。

电容器的几种利用方法

就纯功能而言，没有其他分立元件能提供与电容器一样多的电路性能。虽然电容器和电感分别为电场和磁场提供场存储，但前者的场要容易对付得多。虽然电感有自己的位置，但电容器作为全面的电荷存储设备占据主导地位，能够在整体网络性能下降时提供瞬时功率。这减轻了跨越电路板(有时是数千个独立设备)的关键电网的负载;然而，电容器可以提供更多的作用:

• 信号耦合-出于各种原因，设计人员应该能够分离交流和直流信号，用于调谐电路或清理板外信号以进行额外处理。电容器可以通过只传递交流或直流信号来满足这一需求，这取决于特定电容器或电容器网络的电容。

• 开关电源-SMPS的一个关键部件是在电源开关之间传递能量的存储设备。这些器件比通过电阻损耗转换电压的基本线性稳压器更节能，增加了大量的热量，对输出-输入电压跨度有显著的实施限制。相反，SMPS的高度模块化特性意味着输入电压或电流甚至可以建立并以大于源的值传递给负载。

• 信号调理——通过在开关周期中充当电源的临时替代品，电容器用于平滑电源传输电路中的间隙。这不仅确保了不间断的电力输送到设备，而且还确保了所输送的电压接近恒定，以防止性能问题的变化。

• 过滤器设计-高通和低通滤波器可用于(分别)衰减低于或高于截止频率的频率，同时允许低于或低于的信号频率继续不减。这两种滤波器设计都可以用电容器和电路的其他基本构件简单而廉价地构建。

• 阻尼器-类似于保险丝的概念，缓冲电容器提供了一个更安全的路径，以使过高的电压峰值通过。与保险丝不同，缓冲器不一定是牺牲的，允许电路运行继续，因为它与可以产生潜在的大源尖峰的电路并联。

• 传感器,电容器的操作可以倒置，使用不同的物理参数来诱导器件性能的变化，允许间接测量各种各样的现象。

某些电容和电压额定值将适合于比其他更好的作用。

电容器是一种迷人的器件，几乎适用于任何电路，具有各种使用条件，使用模型的实践可以帮助阐明其中的一些功能。为此，凯蒂丝的PCB设计与分析工具为在设计的任何阶段进行评估提供了健壮而全面的功能包。为布局，把你的工作带入OrCAD PCB Designer无缝集成和加快从原理图到电路板文件的转换时间。