电路仿真中不可不知的3大交流电容知识

本文要点

·  什么是交流电容
·  交流电路中电容器的工作原理
·  交流电容器的实际应用

在新手时期，你是否见识过电容器爆炸？曾经好奇心驱使，笔者在交流电中连上了一个电容器，结果“啪”的一声巨响，一缕蘑菇状的烟雾冒出，电容器的残骸四处飞溅。这是因为当时连的是极化电解电容器，而非交流电容器。那么问题来了，交流电容是什么？

1. 交流电容的概念

每个电子设计人员对电容器都不陌生。电容器由两块导电板组成，中间隔着一层电介质。电容器的结构使其能够在电压施加到端子时存储电荷。

交流电容定义了电容器存储电荷的方式

电容器存储的电荷量与施加的电压之比称为电容。电容的单位是法拉 (F)，计算公式为：

C = Q/V

C 的数值越大，电容器在施加电压时能够存储的电荷就越多。在直流和交流电路中，电容值都是电子设计人员的关注对象。不过，在这两种电路中，电容器的行为有所不同。

2. 电容器在交流电路中的行为

当非极化电容器连接到交流电源时，电容器就像一个闭合电路，但会改变电压的相位。当交流电源接通时，正循环将从一个端子对电容器充电，直到电荷量等于电压。

一旦交流电压达到峰值并下降，电容器将开始放电以维持电压恒定。在这一阶段，电流从电容器流向不同的方向。

当交流电压转为负值时，将反过来对电容器充电。这一过程一直持续到负电压将电容器充满电为止。一旦电压达到负峰值，电压值就会上升。交流电容器的放电循环由此开始。

只要施加交流电源，放电循环就会持续进行。绘制电压和电流值时，会发现电流以 90° 的相位领先于电压。如下图所示：

在设计带电容器的交流电路时，电容并不是唯一需要关注的变量。除了交流电容，还需要了解电容电抗。

理想电容器在存储电荷时不会漏电。然而，由于存在一定的电阻，实际电容器确实存在一定的漏电。电容器中的电阻称为电容电抗，计算公式为：

XC = 1/2πfC

电容电抗与交流电压频率和电容值成反比。后两个参数的数值越大，电抗越小，漏电就越多。

3. 电容器在交流电路中的应用

交流电容器在电子设计中十分常见，可用于分相感应电机，以提高效率和改善次级绕组的相移。比如说，水泵和空调中通常会用到交流电容器。

空调中的交流电容器

电源设计中也会发现交流电容器的身影。电容器有助于抑制噪音和调节电压。交流电容器能够存储和释放电荷，可提高电力传输的效率。因此，带电感负载的系统也能从交流电容器中受益。交流电容器还有助于校正功率因数，补偿电感负载造成的电流滞后。

在设计带交流电容器的系统时，需要使用可靠的软件对交流电容器的行为进行仿真和分析，能够让设计工作事半功倍。

Cadence PSpice Simulator 提供精确的模型和仿真，其中数量达35,000 +的模型库涵盖广泛，可帮助我们确保各类型电容器在交流电路中发挥正常功能。

PSpice 的仿真分析结果达到了业界黄金标准，通过定义组件公差分析、可制造性、灵敏度等功能和与MATLAB/Simulink的联合仿真，PSpice 能准确提供设计人员所需的信息，确定设计下一步的发展方向。