电子元器件学习笔记（3）

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2025-04-29

10:14:29 PM

一、电容元件

1、电容器

  （1）结构

    由两个彼此靠近又相互绝缘的导体组成，一般中间夹有绝缘材质用于提高电容器的性能（两个导体称为电容器的极板，夹在中间的绝缘材质称为电介质）

  （2）种类

    电容器按其电容量是否可变，可分为固定电容器和可变电容器，可变电容器还包括半可变电容器。固定电容器的电容量是固定不变的，它的性能和用途与两极板间的介质有关。一般常用的介质有

  云母、陶瓷、金属氧化膜、纸介质、铝电解质等。（电解电容器是有正负极之分的，使用时不可将极性接反或接到交流电路中，否则会将电解电容器击穿。）电容量在一定范围内可调的电容器叫可变电容器。

  半可变电容器又叫微调电容器。

  （3） 作用

    电容器是储存和容纳电荷的装置，也是储存电场能量的装置。电容器一个极板上所储存的电荷的量叫电容器的电量（电容器两端带的分别是正电荷和负电荷。而正电荷和负电荷的数量是一致的，我们说

  的电荷量就是指某一端的。）

将电容器两个极板分别接到电源的正负极上，使电容器两极板分别带上等量异号电荷，这个过程叫电容器的充电过程。
电容器充电后，极板间有电场和电压。用一根导线将电容两板相连，两极板上正负电荷中和，电容器失去电量，这个过程称为电容器的放电过程。 

  （4）电容的决定式

    

  （5）电容的定义式

  Q = CU

判断理想电容是否是线性元件？
1>线性元件的定义：
    线性元件需满足两个数学条件：
        齐次性（Homogeneity）：输入放大k倍，输出也放大k倍。
        
        叠加性（Superposition）：多个输入共同作用时的输出，等于各输入单独作用时输出的代数和。
        
    数学上，若元件的电压-电流关系（V-I特性）满足 线性微分方程 或 线性代数方程 ，则为线性元件。
    
2>理想电容的电流-电压关系由以下微分方程描述：
            i(t) = C * du(t) / dt
    其中C是常数，与i(t)和u(t)无关。满足以下式子：

齐次性与叠加性均满足：若电压放大 k 倍，电流也放大k 倍；多个电压共同作用时，电流响应为各电压单独作用的叠加。
因此，理想电容的数学模型完全符合线性元件的定义。

  （6）单位、换算关系、符号和参数

    标准单位：法拉（F），⽤来衡量单位电压下，电容的储电能力。 （1F 的含义：如果在电容器两端加上 1V 的电压，该电容器能刚好够储存1库伦的电荷，那该电容器的容值就是 1F 。 ）

    换算关系：进位为1000，例如： 1F = 1000mF ， 1mF = 1000μF

    电路符号：

    

    参数：

    （1）容值：表示电容器在单位电压下，存储电荷的能力。

    （2）额定电压：电容器在正常工作状态下，能承受的最大电压。

    （3）精度：实际容值与标称容值之间的误差范围，精度越高，实际值就越接近标称值。

    （4）极性：有些电容器（如电解电容）是有极性的，必须将正负极正确的接入电路。

  （7）常见电容

    1、陶瓷电容

      以陶瓷为电介质的电容器，通常无极性的，是电⼦设备中使⽤最多的⼀种电容器

      工艺：在陶瓷基板上涂覆金属层（通常为银或镍），形成电极，常⻅为圆片状，表面有引脚（插件）或焊盘（贴片形式）。 

        

      优势：成本低、稳定性高、耐高温、耐高压、损耗较小。

      适用于：高频电路、噪声去除、过滤杂波、等场景。

	瓷片电容	MLCC（电子工业大米）
体积	大（和MLCC相比）	小
额定电压	高（可达到几百伏、几干伏）	低（通常都是100伏以下）
容值	较小 (0.5pF~ 1uF)	较大(0.5pf~100uF)

    2、电解电容

      其内部填充有电解质（电解质是导电的，可以是固体或液体 ），是⼀种有极性的电容器。 

      工艺：通常由铝或钽制成，通过电化学反应在其表⾯形成⼀层氧化膜，作为电解电容的介质。 

    

      优势:
        1. 容值通常都很大(0.5pF～10000uF）

        2. 额定电压 2.5V~500V

        3.储能密度高（同样体积下存储的能量更多）

        4.电解质会随时间蒸发掉，影响其寿命

        5.有极性，不能直接在交流电中使用

      适用于：对低频直流进行滤波、闪光灯、汽车安全气囊、电机启动

      电路符号：

          

    3、空气电容

      以空气作为电介质的电容器，通常都是以可调电容器的形式出现，⼀般有⼀个调节装置可以调节两个极片之间的相对⾯积，从⽽达到调节电容大小的目的。

                          

      优势

        1. 容值较小(100pF～1nF之间）

        2.空气的介电强度不是很高，一般不会出现在高压电路中

        3. 良好的抗磁性

      适用：高频电路（无线电调谐、广播设备），医疗设备（核磁）

    4、超级电容

        

                  

       （1）静电双层电容器EDLC（Electrostatic Double Layer Capacitor）

              

              

	超级电容	锂电池
储能密度	低 (10 Wh/kg ~ 20 Wh/kg)	高 (100 Wh/kg~265 Wh/kg)
比功率	2W/g~10W/g	0.3W/g ~1.5W/g
充电循环	10万次~100万次	500次~1万次
寿命	5年~10年	3年~5年

      适用：一些短时高功率、频繁充放电等场景，例如：UPS电源、新能源汽车的动能回收

UPS（不间断电源）：一种在断电时提供临时电力支持的设备，能确保设备不受断电的影响。（超级电容能够提供非常迅速的电力支援，填补锂电池反应时间）

动能回收：减速时，将机械能转化为电能，对超级电容进行充电，随后车辆加速时，再用超级电容去给车辆供能，相当于一个“能量弹簧”。

  （8）电容的容值识别

    1、直接标注法

      指标法常⽤于电解电容的标记，容值在表⾯直接标注：

      

    2、乘方数表示法

      ⼀般陶瓷电容⽤三位数字表示容值。它的⾸位和第⼆位为有效数字，第三位表示在有效数字后⾯所加“0”的个数。拼接完的容值单位是pF。 

      

      

    3、字母表示法

      这是国际电工会推荐标注的方法，使⽤的标注字⺟有4个，即p、n、µ、m，分别表示pF、nF、µF、mF，字母前为容量的整数，字母后为容量的⼩数。

      

    4、贴片电解电容（有一些独特的表示方法）

      一般默认的单位是µF

      

      

  （9）电容的特点

  电容的核⼼特点是：充电（储能特性）、放电、隔直通交、通高阻低。

直接体现为：电容两端（A与B点的）的 相对电压 不能突变，只要电容不充电或者不放电，电容两端的电压就不变（但是两端的电压可以同时突变）

  （1）电容的充放电：

  

  充电时，u(t)和i(t)的波形：

  

  

  放电时，u(t)和i(t)的波形：

  

  （2）电容的隔直通交以及通高阻低：

    由电容的定义式可以推出结论

          i(t) = C * du(t) / dt 

2、容抗

1、虽然电容器能“通交”，但交流电穿过电容时，会有损失（因为随着电子被不断推入极板，电子会产生堆积，会对后续的电子有阻碍）
且交流电的频率越慢，电容对电流的阻碍越大。
2、对比电阻与电容，二者阻碍电流的区别是：电阻会发热，电容不发热；所以交流电中，常用电容来进行限流，例如：交流电风扇，一
般都通过电容调整电流，进而控制转速。

  （1）容抗的决定式：

    

  （2）阻抗的概念

  电路中的总“阻力”，描述的是电路中多种因素对电流的总阻碍作用。

  电阻、容抗、感抗，这三者在交流电路中的综合表现称为阻抗。一句话总结，阻抗是：电阻、容抗、感抗综合作用的结果，描述了电路中多种因素对电流的总阻碍。

电阻	表示材料或元器件对电流的固定阻碍，主要是能量的耗散（发热）。	单位 欧姆 Ω
容抗	由电容产生的对电流的“动态阻碍”，随频率增加而减少。
感抗	由电感产生的对电流的“动态阻碍”，随频率增加而增加。

    ⼀个简单的比喻：电阻是路上的固定减速带（阻碍不变）；容抗、感抗是可变的坡道，坡度大小随频率不同而变化（动态阻碍），它们共同决定了车辆（电流）的通过速度。

 3、电容的应用

  （1）利用电容的储能特性可以实现延时上电和关断延时

  

  （2）利用电容可以实现稳定电压的作用

 

  （3）利用电容可以实现滤波功能

滤波和整流的定义：