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9 / 32 · 概念

電容將電壓變化與電流連結

一致地使用電容量、電荷、能量與初始條件。

沒有脈衝,電壓就無法跳變

理想電容依 q=CVq=CV 儲存電荷,在被動符號慣例下,電流為 i=C dV/dti=C\,dV/dt。它抵抗瞬間電壓變化,因為那需要電流脈衝。它並不抵抗電壓本身:已充電電容可以保持非零電壓,同時直流電流為零。

穩定的直流工作點下,理想電容為開路。轉換期間,它是動態元件,不能直接移除。初始電壓有影響。實際電容還有漏電、等效串聯電阻、介電效應與額定電壓。理想模型刻意省略這些性質,直到計算需要納入它們。

斜坡與能量計算範例

以固定 1 mA 電流驅動 1 μF 電容。則 dV/dt=0.001/0.000001=1000dV/dt=0.001/0.000001=1000 V/s,也就是 1 V/ms。由 0 V 起,電容在 2 ms 後到達 2 V,前提是電流源能在所需電壓下維持此電流。電荷為 2 μC。儲存能量為 E=CV2/2=2E=CV^2/2=2 μJ。

能量結果不同於電荷:電荷與電壓成正比,能量則與電壓平方成正比。將電壓加倍至 4 V,電荷加倍,儲存能量則增加四倍至 8 μJ。單位清楚顯示差異:庫侖不是焦耳。

初始條件也是問題的一部分

1 μF 電容若已在 1 V,相同 1 mA 電流只需 1 ms 就能到達 2 V。突然連接兩個已充電電容,不能以兩者「直流時開路」解釋;必須模擬轉換過程與接線電阻。同樣地,短路已充電電容可能產生超過電源一般穩態電流的脈衝。

課程計算應寫明電容量、初始電壓、施加電流或周圍電阻,以及時間區間。實際低電壓量測前,確認有極性元件的方向,並透過適當電阻釋放儲存電荷。面對變動訊號,先考慮電流與時間,再套用穩態捷徑。

自己試試看

以線性電壓斜坡,讓 100 nF 在 30 μs 改變 3 V,需要多少電流?

查看解說

i = C ΔV/Δt = 100 nF × 3 V / 30 μs = 10 mA。這是斜坡電流預測,不含寄生電阻與電源限制。

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