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电容的底层原理分析和理解

Author:Haimen Sancon Electronics Co.Ltd Click:

要明白这一点,我们需要从底层开始对电容的相关特性和数学模型进行分析和计算。


为啥我们能很容易接受电阻

无非就是这个表达式很简洁,可以直接得到一个常数来代替电阻的I-V关系

分析电路中的元器件时关注的就是I-V的关系

那电容的I-V关系

和电感的I-V关系

就很好接受,多出来的就是包含了一个时间参数


时域分析关注的是瞬时下系统输出与输入的关系,因为是瞬时状态,所以表达式里往往包含时间参量t

对于电路来说,关注的是V-t或者I-t与时间的关系。

对于纯电阻电路,因为I-V关系是一个常数,所以表达式非常简单;

而对于电容电感来说,I-V关系是个微分表达式

而且电路一复杂起来,解微分方程组可以解很长很长永无止境

频域分析,则是关注特定频率下系统输出与输入的关系,关注稳态,而不是某个瞬间,所以表达式里不含时间了(这是在分析时不变系统)。

频域分析时,一般把信号分解成正弦级数,正余弦函数比较有意思,对它积分或者微分,得到的还是正余弦函数。

也就是说一个正弦电压信号经过纯电抗以后,其电流是一个余弦信号。

既然电压电流的形状没有改变,只是振幅和相位发生了变化,那是不是可以按照欧姆定律,定义一个特定频率下的“电阻”?

所以就有了容抗感抗这样的阻抗,方便我们直接用欧姆定律计算特定频率下的I-V关系,有

为什么带

因为这个“电阻”跟频率有关。为什么带j

因为这个“电阻”不是真正的电阻,电压电流有相位差,它不会消耗能量,只是为了方便我们做代数运算,把它当成了“电阻”。

所以,本来时域要解微分方程,现在频域下只需要代数运算就可以计算出来结果了。再加上工程上分析的系统大多是线性时不变系统,所以只需要把时域信号进行傅里叶分解,把每一个频率分量带入频域分析得到输出,再线性叠加成时域的输出表达式,这下不用解微分方程组也可以得到时域输出的表达式了,是不是很方便。

回到前面的三个小问题。

所谓直流成分,就是

或者

代入得到


这就是说直流电压无法通过电容,直流电流在电感上不产生压降。

而上电的瞬间,我们通常认为

或者

信号变化率无穷大,通常意味着信号包含的频率分量无穷大,

所以无穷大,所以电容的容抗为0,电感的感抗为无穷大。

电容两端电压不能突变,电感电流不能突变,把I-V关系对时间积分就明白了,积分区间无穷小的时候,电压或者电流的变化量也无穷小,所谓不能突变就是指这种情况


电容的底层原理分析和理解
在电容的应用过程中,经常需要对电容动态的分析,比如一个电源只接一个电容,如果电源中既有直流成分又有交流成分,那么电容会怎么样,电容电压会怎么样,跟电源一致吗?
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