电容q值详解
电容的Q值(或称为电荷量)是指电容器中存储的电荷量。电容器存储的电荷量与电容器的电容量C和电压V有关,可以用以下公式来表示:Q=C?V 其中,Q表示电荷量,C表示电容量,V表示电压。
这个公式的意义是,电容器的电荷量与电容量成正比,电压成比例。可以理解为,电容器的电荷量取决于两个因素:其本身的电容量和所施加的电压。
如果电容量较大,电容器能存储的电荷量就越多;如果电压较高,电容器中存储的电荷量也会随之增加。需要注意的是,电容器内的电荷量可以随着时间的变化而变化,具体取决于电路中的电流。当电容器接入电路中后,电荷量会随着时间的推移而增加或减少,直到达到稳态。
电容的基本原理
电容的功能就是以电场能的形式储存电能量。以平行板电容器为例,简单介绍下电容的基本原理。
上图所示,在两块距离较近、相互平行的金属平板上(平板之间为电介质)加载一个直流电压;稳定后,与电压正极相连的金属平板将呈现一定量的正电荷,而与电压负极相连的金属平板将呈现相等量的负电荷;这样,两个金属平板之间就会形成一个静电场,所以电容是以电场能的形式储存电能量,储存的电荷量为Q。
电容储存的电荷量Q与电压U和自身属性(也就是电容值C)有关,也就是Q=U*C。根据理论推导,平行板电容器的电容公式如下:
理想电容内部是介质(Dielectric),没有自由电荷,不可能产生电荷移动也就是电流,那么理想电容是如何通交流的呢?
通交流
电压可以在电容内部形成一个电场,而交流电压就会产生交变电场。根据麦克斯韦方程组中的全电流定律:
即电流或变化的电场都可以产生磁场,麦克斯韦将ε(?E/?t)定义为位移电流,是一个等效电流,代表着电场的变化。(这里电流代表电流密度,即J)
设交流电压为正弦变化,即:
实际位移电流等于电流密度乘以面积:
所以电容的容抗为1/ωC,频率很高时,电容容抗会很小,也就是通高频。
电容在通交流的时候,内部的电场和磁场在相互转换。
隔直流
直流电压不随时间变化,位移电流ε(?E/?t)为0,直流分量无法通过。
实际电容等效模型
实际电容的特性都是非理想的,有一些寄生效应;因此,需要用一个较为复杂的模型来表示实际电容,常用的等效模型如下:
由于介质都不是绝对绝缘的,都存在着一定的导电能力;因此,任何电容都存在着漏电流,以等效电阻Rleak表示;
电容器的导线、电极具有一定的电阻率,电介质存在一定的介电损耗;这些损耗统一以等效串联电阻ESR表示;
电容器的导线存在着一定的电感,在高频时影响较大,以等效串联电感ESL表示;
另外,任何介质都存在着一定电滞现象,就是电容在快速放电后,突然断开电压,电容会恢复部分电荷量,以一个串联RC电路表示。
大多数时候,主要关注电容的ESR和ESL。
品质因数(Quality Factor)
和电感一样,可以定义电容的品质因数,也就是Q值,也就是电容的储存功率与损耗功率的比:
Qc=(1/ωC)/ESR
Q值对高频电容是比较重要的参数。
自谐振频率(Self-Resonance Frequency)
由于ESL的存在,与C一起构成了一个谐振电路,其谐振频率便是电容的自谐振频率。在自谐振频率前,电容的阻抗随着频率增加而变小;在自谐振频率后,电容的阻抗随着频率增加而变小,就呈现感性。
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