電容的基本原理

　　電容，和電感、電阻一起，是電子學(xué)三大基本無(wú)源器件;電容的功能就是以電場(chǎng)能的形式儲(chǔ)存電能量。

　　以平行板電容器為例，簡(jiǎn)單介紹下電容的基本原理

　　如上圖所示，在兩塊距離較近、相互平行的金屬平板上(平板之間為電介質(zhì))加載一個(gè)直流電壓;穩(wěn)定后，與電壓正極相連的金屬平板將呈現(xiàn)一定量的正電荷，而與電壓負(fù)極相連的金屬平板將呈現(xiàn)相等量的負(fù)電荷;這樣，兩個(gè)金屬平板之間就會(huì)形成一個(gè)靜電場(chǎng)，所以電容是以電場(chǎng)能的形式儲(chǔ)存電能量，儲(chǔ)存的電荷量為Q。

　　電容儲(chǔ)存的電荷量Q與電壓U和自身屬性(也就是電容值C)有關(guān)，也就是Q=U*C。根據(jù)理論推導(dǎo)，平行板電容器的電容公式如下：

　　理想電容內(nèi)部是介質(zhì)(Dielectric)，沒有自由電荷，不可能產(chǎn)生電荷移動(dòng)也就是電流，那么理想電容是如何通交流的呢?

　　通交流

　　電壓可以在電容內(nèi)部形成一個(gè)電場(chǎng)，而交流電壓就會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。根據(jù)麥克斯韋方程組中的全電流定律：

　　即電流或變化的電場(chǎng)都可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，麥克斯韋將ε(?E/?t)定義為位移電流，是一個(gè)等效電流，代表著電場(chǎng)的變化。(這里電流代表電流密度，即 J )

　　設(shè)交流電壓為正弦變化，即：

　　實(shí)際位移電流等于電流密度乘以面積：

　　所以電容的容抗為1/ωC，頻率很高時(shí)，電容容抗會(huì)很小，也就是通高頻。

　　下圖是利用ANSYS HFSS仿真的平行板電容器內(nèi)部的電磁場(chǎng)的變化。

　　橫截面電場(chǎng)變化

　　縱斷面磁場(chǎng)變化

　　也就是說(shuō)電容在通交流的時(shí)候，內(nèi)部的電場(chǎng)和磁場(chǎng)在相互轉(zhuǎn)換。

　　隔直流

　　直流電壓不隨時(shí)間變化，位移電流ε(?E/?t)為0，直流分量無(wú)法通過。

　　實(shí)際電容等效模型

　　實(shí)際電容的特性都是非理想的，有一些寄生效應(yīng);因此，需要用一個(gè)較為復(fù)雜的模型來(lái)表示實(shí)際電容，常用的等效模型如下：

　　● 由于介質(zhì)都不是絕對(duì)絕緣的，都存在著一定的導(dǎo)電能力;因此，任何電容都存在著漏電流，以等效電阻Rleak表示;

　　● 電容器的導(dǎo)線、電極具有一定的電阻率，電介質(zhì)存在一定的介電損耗;這些損耗統(tǒng)一以等效串聯(lián)電阻ESR表示;

　　● 電容器的導(dǎo)線存在著一定的電感，在高頻時(shí)影響較大，以等效串聯(lián)電感ESL表示;

　　● 另外，任何介質(zhì)都存在著一定電滯現(xiàn)象，就是電容在快速放電后，突然斷開電壓，電容會(huì)恢復(fù)部分電荷量，以一個(gè)串聯(lián)RC電路表示。

　　● 大多數(shù)時(shí)候，主要關(guān)注電容的ESR和ESL。