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有源可控电容器
电容器作为一种无源被动元件，它的容量与极板面积、极板间距离及其间的介质有关，这三个要素一旦确定，其容量通常是固定不变的（变容二极管除外），也是不可控的。本文给出一种有源可控电容器。 一 概念： 在电介质增大电容的演示实验中（1），人们发现在平行板电容器的两个极板间插入电介质板可起到增大电容的作用，简单地说，其机理在于电介质板的两边被感应出了极化电荷。 如果以两个平行导体板取代上述电介质板，并且用导线将这两个平行导体板连接起来，那么，在这两个导体板的外表面一样会被感应出“极化电荷”来；进一步地，如果把连接两平行导体板的导线割断并在这两个导体板间加上电压，毫无疑问，电容器的容量会随着所加电压的不同而改变。 如果把平行板电容器的两个极板称作使用极的话，在其间插入的两个平行导体板就可称作控制极。这实际上就是一种有源可控电容器。在外观上，它与普通电容器不同，有四个引脚。原则上，控制极与使用极可以互换。 二 分析 如图1所示，A、B为有源可控电容器的使用极，C、D为有源可控电容器的控制极。事实上，不光A、B间是电容结构，C、D间也是电容结构，此外A、C以及D、B也都是电容结构。 在理论上分析这样一种电容结构的控制（使用）特性是比较复杂和困难的，还需要实验的验证和支持，这里不多讨论。但可以肯定的是，如果将A、B作为控制极而将C、D作为使用极，会有更好的控制（使用）特性。 为了简化对有源可控电容器的分析计算，并给出其容量与使用电压和控制电压间的关系式，可以拉大C、D（A、B）间的距离，使之远大于A、C及D、B间的距离。于是，上述有源可控电容器可等效为两个电容器C1（由A、C组成）、C2（由D、B组成），A、B为使用极，C、D为控制极（如图2所示）；不妨称之为“简化有源可控电容器”。 三 关于“简化有源可控电容器”的计算 设使用极（A、B）间所加的电压为V1，控制极（C、D）间所加的电压为V2，且此时C1上的压降为U1，C2上的压降为U2（方向如图2示）。则有： U1+U2=V1+V2 。。。。。。。。。。。。（1） U1C1=U2C2 。。。。。。。。。。。。（2） 解方程组可得： U1=（V1+V2）C2/(C1+C2) 。。。。。。。。。。。。。。（3） U2=（V1+V2）C1/( C1+C2) 。。。。。。。。。。。。。。（4） 不难写出任何一个电容极板上的电荷量表达式： Q= U1C1=U2C2 =（V1+V2）C1C2/(C1+C2)。。。。。。。。。。。。。。。。（5） 于是： （V1+V2）C1C2 C使用=Q/V1=------------------------- 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。（6） (C1+C2)V1 （V1+V2）C1C2 C控制=Q/V2=-------------------------- 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。（7） (C1+C2)V2 四 讨论 “简化有源可控电容器”的使用（控制）特性，即其容量与使用电压和控制电压间的关系，由（6）式给出，不难发现，这种电容器将会有许多新的特性： （a） 如果保持控制端电压V2不变，那么C使用将会随着V1的变化而变化； （b） 如果使V2随V1变化而变化，并使V2/V1为一确定值，那么C使用为一常数，可作为普通电容而使用；精确调整V2/V1的值，即可实现高精度电容；调整V2/V1在一定范围内变化，即可实现C使用的电容值在一个范围内变化； （c） 调整V2随V1变化的关系，可以实现电容器充电时电容值增大，电容器放电时，使电容值变小，甚至使电容器的值为负数； （a） 电容器具有储藏能量的作用，它之所以不能取代化学电池是因为在它释放能量的同时，它的端电压跟着下降；而有源可控电容器则可实现电容器输出电压的稳定；这为物理电池的实现奠定了基础。物理电池的实现有赖于超大容量电容器的发展和与有源可控电容器相关的电子控制技术的发展，至少，可以实现物理电池与化学电池的结合，大大延长目前电池的使用寿命。 有源可控电容器的耐压特性，可根据（3）、（4）式及C1、C2的耐压值确定。 转自 我是中国人[ysg.xilubbs.com] |