2.3　電容

2.3.1　什么叫電容？

電容亦稱作“電容量”，是指在給定電位差下的電荷儲藏量，記為C，國際單位是法拉（F）。一般來說，電荷在電場中會受力而移動，當導體之間有了介質，則阻礙了電荷移動而使得電荷累積在導體上，造成電荷的累積儲存，儲存的電荷量則稱為電容（圖2-3-1）。

電容是指容納電荷的能力。任何靜電場都是由許多個電容組成，有靜電場就有電容，電容是用靜電場描述的。一般認為：孤立導體與無窮遠處構成電容，導體接地等效于接到無窮遠處，并與大地連接成整體。

電容（或稱電容量）是表現電容器容納電荷本領的物理量。電容從物理學上講，它是一種靜態電荷存儲介質，可能電荷會永久存在，這是它的特征。它的用途較廣，是電子、電力領域中不可缺少的電子元件。主要用于電源濾波、信號濾波、信號耦合、諧振、濾波、補償、充放電、儲能、隔直流等電路中。

2.3.2　電容的單位之間如何進行轉換？

在國際單位制里，電容的單位是法拉，簡稱法，符號是F，由于法拉這個單位太大，所以常用的電容單位有毫法（mF）、微法（μF）、納法（nF）和皮法（pF）等，換算關系是：

1法拉（F）=10³毫法（mF）=10⁶微法（μF）=10⁹納法（nF）=10¹²皮法（pF）

電容與電池容量的關系：

1V·A·h=1W·h=3600J

W=0.5CUU

2.3.3　電容的計算公式

一個電容器，如果帶1庫的電量時兩級間的電勢差是1V，這個電容器的電容就是1F，即：C=Q/U。但電容的大小不是由Q（帶電量）或U（電壓）決定的，即電容的決定式為：C=εS/4πkd。其中，ε是一個常數，S為電容極板的正對面積，d為電容極板的距離，k則是靜電力常量。常見的平行板電容器，電容為C=εS/d（ε為極板間介質的介電常數，S為極板面積，d為極板間的距離）。

定義式：

電容器的電勢能計算公式：E=CU²/2=QU/2=Q²/2C

多電容器并聯計算公式：C=C₁+C₂+C₃+…+C_n

多電容器串聯計算公式：1/C=1/C₁+1/C₂+…+1/C_n

三電容器串聯：C=（C₁·C₂·C₃）/（C₁·C₂+C₂·C₃+C₁·C₃）

2.3.4　電容的作用

（1）旁路　旁路電容是為本地器件提供能量的儲能器件，它能使穩壓器的輸出均勻化，降低負載需求。就像小型可充電電池一樣，旁路電容能夠被充電，并向器件進行放電。為盡量減少阻抗，旁路電容要盡量靠近負載器件的供電電源管腳和地管腳。這能夠很好地防止輸入值過大導致的地電位抬高和噪聲。地電位是地連接處在通過大電流毛刺時的電壓降。

（2）去耦　又稱解耦。從電路來說，總是可以區分為驅動的源和被驅動的負載。如果負載電容比較大，驅動電路要把電容充電、放電，才能完成信號的跳變，在上升沿比較陡峭的時候，電流比較大，這樣驅動的電流就會吸收很大的電源電流。由于電路中的電感（特別是芯片管腳上的電感），電阻會產生反彈，這種電流相對于正常情況來說實際上就是一種噪聲，會影響前級的正常工作，這就是所謂的“耦合”。

去耦電容就是起到一個“電池”的作用，滿足驅動電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾，在電路中進一步減小電源與參考地之間的高頻干擾阻抗。

將旁路電容和去耦電容結合起來將更容易理解。旁路電容實際也是去耦合的，只是旁路電容一般是指高頻旁路，也就是給高頻的開關噪聲提供一條低阻抗泄放途徑。高頻旁路電容一般比較小，根據諧振頻率一般取0.1μF、0.01μF等。而去耦合電容的容量一般較大，可能是10μF或者更大，依據電路中分布參數以及驅動電流的變化大小來確定。旁路是把輸入信號中的干擾作為濾除對象，而去耦是把輸出信號的干擾作為濾除對象，防止干擾信號返回電源。這應該是他們的本質區別。

（3）濾波　從理論上（即假設電容為純電容）說，電容越大，阻抗越小，通過的頻率也越高。但實際上超過1μF的電容大多為電解電容，有很大的電感成份，所以頻率高后反而阻抗會增大。有時會看到有一個電容量較大電解電容并聯了一個小電容，這時大電容濾低頻，小電容濾高頻。電容的作用就是通交流隔直流，通高頻阻低頻。電容越大高頻越容易通過。具體用在濾波中，大電容（1000μF）濾低頻，小電容（20pF）濾高頻。曾有人形象地將濾波電容比作“水塘”。電容的兩端電壓不會突變，由此可知，信號頻率越高則衰減越大，可很形象地說電容像個水塘，不會因幾滴水的加入或蒸發而引起水量的變化。它把電壓的變動轉化為電流的變化，頻率越高，峰值電流就越大，從而緩沖了電壓。濾波就是充電、放電的過程。

（4）儲能　儲能型電容通過整流器收集電荷，并將存儲的能量通過變換器引線傳送至電源的輸出端。電壓額定值為40～450V（DC）、電容值在220～150000μF之間的鋁電解電容是較為常用的。根據不同的電源要求，儲能型電容有時會采用串聯、并聯或其組合的形式，對于功率級超過10kW的電源，通常采用體積較大的罐形螺旋端子電容。

2.3.5　電容的檢測

用數字萬用表檢測電容器，可按以下方法進行。

（1）用電容擋直接檢測　某些數字萬用表具有測量電容的功能，其量程分為2000p、20n、200n、2μ和20μ五擋。測量時可將已放電的電容兩引腳直接插入表板上的Cx插孔，選取適當的量程后就可讀取顯示數據。

2000p擋，宜于測量小于2000pF的電容；20n擋，宜于測量2000pF至20nF之間的電容；200n擋，宜于測量20nF至200nF之間的電容；2μ擋，宜于測量200nF至2μF之間的電容；20μ擋，宜于測量2μF至20μF之間的電容。

經驗證明，有些型號的數字萬用表（例如DT890B+）在測量50pF以下的小容量電容時誤差較大，測量20pF以下電容時幾乎沒有參考價值。此時可采用串聯法測量小值電容。方法是：先找一只220pF左右的電容，用數字萬用表測出其實際容量C₁，然后把待測小電容與之并聯測出其總容量C₂，則兩者之差（C₁-C₂）即是待測小電容的容量。用此法測量1～20pF的小容量電容很準確。

（2）用電阻擋檢測　實踐證明，利用數字萬用表也可觀察電容的充電過程，這實際上是以離散的數字量反映充電電壓的變化情況。設數字萬用表的測量速率為n次/秒，則在觀察電容的充電過程中，每秒鐘即可看到n個彼此獨立且依次增大的讀數。根據數字萬用表的這一顯示特點，可以檢測電容的好壞和估測電容量的大小。下面介紹的是使用數字萬用表電阻擋檢測電容的方法，對于未設置電容擋的儀表很有實用價值。此方法適用于測量0.1至幾千微法的大容量電容。

（3）用電壓擋檢測　用數字萬用表直流電壓擋檢測電容，實際上是一種間接測量法，此法可測量220pF至1μF的小容量電容，并且能精確測出電容漏電流的大小。