Altifigence Academy

9 / 32 · 概念

电容将电压变化与电流联系起来

一致地使用电容、电荷、能量和初始条件。

没有电流冲激,电压不能突变

理想电容按照 q=CVq=CV 存储电荷,在无源符号约定下,电流为 i=C dV/dti=C\,dV/dt。它阻碍电压瞬时改变,因为这需要电流冲激。它并不阻碍电压本身:充电后的电容可以保持非零电压,同时直流电流为零。

在稳定直流工作点,理想电容为开路。转换期间,它是动态元件,不能直接移除。初始电压很重要。真实电容还具有漏电、等效串联电阻、介质效应和额定电压。在这些性质与计算相关之前,理想模型有意省略它们。

斜坡与能量计算示例

用恒定 1 mA 电流驱动 1 μF 电容。则 dV/dt=0.001/0.000001=1000dV/dt=0.001/0.000001=1000 V/s,即 1 V/ms。从 0 V 开始,如果电流源能在所需电压下保持该电流,电容在 2 ms 后达到 2 V。电荷为 2 μC。储能为 E=CV2/2=2E=CV^2/2=2 μJ。

能量结果不同于电荷:电荷随电压线性变化,能量随电压平方变化。电压加倍到 4 V,电荷加倍,但储能变为四倍,即 8 μJ。单位清楚地表达差别:库仑不是焦耳。

初始条件属于问题的一部分

同样 1 mA 电流下,已经处于 1 V 的 1 μF 电容只需 1 ms 就达到 2 V。突然连接两个已充电电容,不能用“两者在直流下都开路”来解释;必须建立转换过程和导线电阻模型。同样,短接已充电电容可能产生超过电源普通稳态电流的脉冲。

课程计算中,明确电容值、初始电压、施加电流或周围电阻,以及时间间隔。真实低压测量前,检查有极性器件的极性,并通过合适电阻释放存储电荷。对于变化信号,应先考虑电流和时间,再使用稳态简化。

自己试试

要通过线性电压斜坡,在 30 μs 内使 100 nF 电容电压变化 3 V,需要多大电流?

阅读解释

i = C ΔV/Δt = 100 nF × 3 V / 30 μs = 10 mA。这是斜坡电流预测,不含寄生电阻和电源限制。

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