电容器深入研究：电路保护、滤波和能量存储

作者：Will Siffer

在电路设计方面，当您只是尝试构建一个简单的电路时，很容易忘记添加电容器。事实是，直到几年前，我从未真正在我的项目中添加电容器，因为我不确定我是否需要它们。最终，我在学校参加了一些课程，并获得了一些关于何时使用电容器以及它们如何工作的真实示例。从电路保护到滤波，从能量存储到传感，我正在深入研究简单而复杂的电容器世界。

这些东西是如何运作的？

事实上，构成电容器的只是由绝缘体隔开的两个导体。实际上，您甚至可以自己制作一个，将两根电线并联放置，中间放置一个绝缘体，甚至可以制作一个（非常弱的）电容器。但它是如何运作的呢？如果两侧被绝缘体隔开，那电流怎么能流过呢？

答案就在于所谓的“电场”。想象一下电容器处于静止状态，两端都没有电源。每个导体都具有相同的平衡电荷，并且板之间或板之外不会有电流。

该电容器处于静止状态，没有有效的能量存储。当你将它连接到电池时，奇迹就会发生。想象一下，现在我们采用相同的电容器，并将左侧连接到正极，右侧连接到接地。现在，极板之间存在 电压电势 ，并且由于极板非常靠近，因此它们实际上会相互影响。

现在注意到发生了什么吗？电池充当泵，将所有电子从电容器的一侧推到另一侧。在很短的一段时间内，这种情况一开始发生得很快，因为有更多的电子需要移动，但随着电容器“充电”并且每个极板都带有自己独特的电荷，这种情况就会减慢。当使用直流电池时，这种情况只会发生一次，直到电容器有机会恢复平衡为止，这是我在本博客后面讨论应用时要记住的一个非常重要的事实。

当您从电容器中取出电池时，每个极板仍将携带之前的电荷，等待放电并返回到更稳定的平衡状态。如果将两条引线短接在一起，电容器的行为方式与充电时相同，但相反，很快恢复到稳定状态，并且由于更少的电荷必须到达各自的一侧而减慢速度。

这很酷，但基本上，我们所做的只是展示电容器如何像电池一样可以快速充电和放电。这几乎只在需要短时高能量爆发的应用中有用，例如一次性相机闪光灯和电子烟花点火器。那么他们其他一些不太明显的应用呢？

交流应用：滤波

我上面刚刚提到的相同原理可以应用于其他应用程序，但在这种情况下，我们将讨论过滤频率。考虑低频信号；随着频率越来越低，信号最终看起来是一个简单的直流源。正如我们在上面发现的，电容器不会让直流源通过，因此如果我们想阻止低频，我们可以简单地在设备的输入端添加一个电容器，并且电容器将只允许信号的高频部分通过。这称为高通滤波器

高通滤波器示例

如果我们只想让低频通过怎么办？那么，我们所要做的就是切换电容器和电阻器的顺序，信号的高频部分将短路接地，而低频部分可以“浮动”通过电容器到达输出。这称为 低通滤波器 。

低通滤波器示例

交流应用 2：噪声过滤

现在想象一下，您采用了与低通滤波器相同的想法，但只是用电容器将电源和接地连接在一起。起初，电容器会像短路一样起作用，但很快就会充电，并且它只会允许电源的直流部分继续，同时将任何高频噪声短路到地。这就是为什么在许多具有集成电路 (IC) 的电路中，建议在物理上靠近芯片的位置的电源和接地引脚之间放置一个电容器。这样可以最大限度地减少进入 IC 并影响其功能的噪声。

奖励应用：传感

我想在这里讨论的最后一个应用是设备使用电容作为传感器的能力。想象一下您的手机屏幕，或者现在花点时间看看它，也许您正在阅读此博客并使用触摸屏滚动。手机屏幕内部内置有一个大导体，每个角都通过电阻器连接到传感电路。该层的顶部是液晶显示屏，最终是玻璃表面。你的手指是导电的，你的身体形成了一条接地路径。当您触摸屏幕时，感应电路会感应到大导电区域的电容变化，并且该电路可以使用该层的四个连接点，根据电流流经每个位置的方式来确定您的手指必须位于屏幕上的哪个位置。

包起来

这绝不是关于电容器如何工作的完整列表或教育，但我希望本指南能够为您构建下一个项目时提供一些有关该组件“原因”的见解。我发现有时“为什么”与如何使用某物的技术方面同样重要，甚至更重要。

下次再见，我叫威尔，我希望你今天学到了一些新东西。

审核编辑 黄宇