電容器深入研究：電路保護(hù)、濾波和能量存儲(chǔ)

作者：Will Siffer

在電路設(shè)計(jì)方面，當(dāng)您只是嘗試構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的電路時(shí)，很容易忘記添加電容器。事實(shí)是，直到幾年前，我從未真正在我的項(xiàng)目中添加電容器，因?yàn)槲也淮_定我是否需要它們。最終，我在學(xué)校參加了一些課程，并獲得了一些關(guān)于何時(shí)使用電容器以及它們?nèi)绾喂ぷ鞯恼鎸?shí)示例。從電路保護(hù)到濾波，從能量存儲(chǔ)到傳感，我正在深入研究簡(jiǎn)單而復(fù)雜的電容器世界。

這些東西是如何運(yùn)作的？

事實(shí)上，構(gòu)成電容器的只是由絕緣體隔開的兩個(gè)導(dǎo)體。實(shí)際上，您甚至可以自己制作一個(gè)，將兩根電線并聯(lián)放置，中間放置一個(gè)絕緣體，甚至可以制作一個(gè)（非常弱的）電容器。但它是如何運(yùn)作的呢？如果兩側(cè)被絕緣體隔開，那電流怎么能流過呢？

答案就在于所謂的“電場(chǎng)”。想象一下電容器處于靜止?fàn)顟B(tài)，兩端都沒有電源。每個(gè)導(dǎo)體都具有相同的平衡電荷，并且板之間或板之外不會(huì)有電流。

該電容器處于靜止?fàn)顟B(tài)，沒有有效的能量存儲(chǔ)。當(dāng)你將它連接到電池時(shí)，奇跡就會(huì)發(fā)生。想象一下，現(xiàn)在我們采用相同的電容器，并將左側(cè)連接到正極，右側(cè)連接到接地?，F(xiàn)在，極板之間存在 電壓電勢(shì) ，并且由于極板非常靠近，因此它們實(shí)際上會(huì)相互影響。

現(xiàn)在注意到發(fā)生了什么嗎？電池充當(dāng)泵，將所有電子從電容器的一側(cè)推到另一側(cè)。在很短的一段時(shí)間內(nèi)，這種情況一開始發(fā)生得很快，因?yàn)橛懈嗟碾娮有枰苿?dòng)，但隨著電容器“充電”并且每個(gè)極板都帶有自己獨(dú)特的電荷，這種情況就會(huì)減慢。當(dāng)使用直流電池時(shí)，這種情況只會(huì)發(fā)生一次，直到電容器有機(jī)會(huì)恢復(fù)平衡為止，這是我在本博客后面討論應(yīng)用時(shí)要記住的一個(gè)非常重要的事實(shí)。

當(dāng)您從電容器中取出電池時(shí)，每個(gè)極板仍將攜帶之前的電荷，等待放電并返回到更穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。如果將兩條引線短接在一起，電容器的行為方式與充電時(shí)相同，但相反，很快恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，并且由于更少的電荷必須到達(dá)各自的一側(cè)而減慢速度。

這很酷，但基本上，我們所做的只是展示電容器如何像電池一樣可以快速充電和放電。這幾乎只在需要短時(shí)高能量爆發(fā)的應(yīng)用中有用，例如一次性相機(jī)閃光燈和電子煙花點(diǎn)火器。那么他們其他一些不太明顯的應(yīng)用呢？

交流應(yīng)用：濾波

我上面剛剛提到的相同原理可以應(yīng)用于其他應(yīng)用程序，但在這種情況下，我們將討論過濾頻率。考慮低頻信號(hào)；隨著頻率越來越低，信號(hào)最終看起來是一個(gè)簡(jiǎn)單的直流源。正如我們?cè)谏厦姘l(fā)現(xiàn)的，電容器不會(huì)讓直流源通過，因此如果我們想阻止低頻，我們可以簡(jiǎn)單地在設(shè)備的輸入端添加一個(gè)電容器，并且電容器將只允許信號(hào)的高頻部分通過。這稱為高通濾波器

高通濾波器示例

如果我們只想讓低頻通過怎么辦？那么，我們所要做的就是切換電容器和電阻器的順序，信號(hào)的高頻部分將短路接地，而低頻部分可以“浮動(dòng)”通過電容器到達(dá)輸出。這稱為 低通濾波器 。

低通濾波器示例

交流應(yīng)用 2：噪聲過濾

現(xiàn)在想象一下，您采用了與低通濾波器相同的想法，但只是用電容器將電源和接地連接在一起。起初，電容器會(huì)像短路一樣起作用，但很快就會(huì)充電，并且它只會(huì)允許電源的直流部分繼續(xù)，同時(shí)將任何高頻噪聲短路到地。這就是為什么在許多具有集成電路 (IC) 的電路中，建議在物理上靠近芯片的位置的電源和接地引腳之間放置一個(gè)電容器。這樣可以最大限度地減少進(jìn)入 IC 并影響其功能的噪聲。

獎(jiǎng)勵(lì)應(yīng)用：傳感

我想在這里討論的最后一個(gè)應(yīng)用是設(shè)備使用電容作為傳感器的能力。想象一下您的手機(jī)屏幕，或者現(xiàn)在花點(diǎn)時(shí)間看看它，也許您正在閱讀此博客并使用觸摸屏滾動(dòng)。手機(jī)屏幕內(nèi)部?jī)?nèi)置有一個(gè)大導(dǎo)體，每個(gè)角都通過電阻器連接到傳感電路。該層的頂部是液晶顯示屏，最終是玻璃表面。你的手指是導(dǎo)電的，你的身體形成了一條接地路徑。當(dāng)您觸摸屏幕時(shí)，感應(yīng)電路會(huì)感應(yīng)到大導(dǎo)電區(qū)域的電容變化，并且該電路可以使用該層的四個(gè)連接點(diǎn)，根據(jù)電流流經(jīng)每個(gè)位置的方式來確定您的手指必須位于屏幕上的哪個(gè)位置。

包起來

這絕不是關(guān)于電容器如何工作的完整列表或教育，但我希望本指南能夠?yàn)槟鷺?gòu)建下一個(gè)項(xiàng)目時(shí)提供一些有關(guān)該組件“原因”的見解。我發(fā)現(xiàn)有時(shí)“為什么”與如何使用某物的技術(shù)方面同樣重要，甚至更重要。

下次再見，我叫威爾，我希望你今天學(xué)到了一些新東西。

審核編輯 黃宇