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电容在交流电路中如何工作?

时间:2021-02-07 作者:Andrew Carter,EEWeb 阅读:
向电容施加交流电会发生什么事?电容的行为与电阻不同——在电阻中,电子的流动与电压降成正比;在电容中,在将它充电或放电至新的电压水平时,它会透过吸收或释放电流来抵抗电压的变化…
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向电容施加交流电(AC)会发生什么事?电容的行为与电阻不同——在电阻中,电子的流动与电压降成正比;在电容中,在将它充电或放电至新的电压水平时,它会透过吸收或释放电流来抵抗电压的变化。

在对电容提供直流电(DC)时,只要电源电压存在,它就会像个临时储能器一样被充电至所加电压的值,然后无限期地保持或维持这一电荷。若电压上有任何的变化,电容中就会有充电电流流入而抵抗这个变化,其速率与电容极板上电荷的变化率相等。

如图1所示,以下研究仅存在电容和交流电源的电路。事实证明,电流和电压之间存在90°的相位差,电流到达峰值比电压到达峰值超前90° (1/4周期)。交流电源会产生振荡电压,电容值越大,为了在极板上建立特定的电压,就必须流动越多的电荷,因此电流也就越大。电压频率越高,改变电压可用的时间就越短,因此电流也就必须更大。因此,电流会随着电容和频率的增加而增加。

图1 仅含电容和交流电源的电路及其工作原理。

电容性交流电路

纯电容性交流电路是只包含交流电源和电容的电路,如图2所示。电容直接跨接在交流电源压的两端,随着电源电压的增加和减少,电容会随之进行充电和放电。电流将首先以一个方向流过电路,然后再以另一个方向流过,但是,电容实际上没有电流流过。电子在一个极板上积聚,然后从一个极板迅速连续地排出,给人的感觉就是,电流流过了分隔极板的绝缘体。

图2 纯电容性交流电路。

电容性电抗

电容中流过的电流与电容两端电压的变化率成正比。纯电容电路中的容抗对交流电路中的电流起了阻碍作用。由于与电阻一样,电抗的计量单位也是奥姆,因此,为了将之与纯电阻值进行区分,电抗用符号X表示。由于容抗取决于电容的值(以法拉为单位),以及交流波形的频率,因此可以用下列公式对其进行表示。

该公式显示,如果将频率或电容值增大,则总的容抗就会减小。与理想导体类似,当频率接近于无穷大时,电容的容抗将减小到零。

责编:Yvonne Geng

(参考原文:How Capacitors Behave in AC Circuits,by Andrew Carter)

本文同步刊登于EDN Taiwan 2021年2月刊杂志

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