如何理解電容？電容在電路中的作用及電容濾波原理
雖然知道電容可以充放電，電容兩端電壓不能突變，電容通高頻、阻低頻，但一直以來都沒有理順思路，覺得電容捉摸不透，我覺得電容應(yīng)該是可以用一些簡單的原理來解釋的，求高手來分享一下。電容器在電子電路中幾乎是不可缺少的儲能元件，它具有隔斷直流、連通交流、阻止低頻的特性。廣泛應(yīng)用在耦合、隔直、旁路、濾波、調(diào)諧、能量轉(zhuǎn)換和自動控制等電路中。熟悉電容器在不同電路中的名稱意義，有助于我們讀懂電子電路圖。
1、濾波電容：接在直流電源的正、負極之間，以濾除直流電源中不需要的交流成分，使直流電變平滑。
一般采用大容量的電解電容器或鉭電容，也可以在電路中同時并接其他類型的小容量電容以濾除高頻交流電。
2、去耦電容：幷接在放大電路的電源正、負極之間，防止由于電源內(nèi)阻形成的正反饋而引起的寄生震蕩。
3、耦合電容：接在交流信號處理電路中，用于連接信號源和信號處理電路或者作兩放大器的級間連接，用以隔斷直流，讓交流信號或脈沖信號通過，使前后級放大電路的直流工作點互不影響。
4、旁路電容：接在交、直流信號的電路中，將電容并接在電阻兩端或由電路的某點跨接到公共電位上，為交流信號或脈沖信號設(shè)置一條通路，避免交流信號成分因通過電阻產(chǎn)生壓降衰減。
5、調(diào)諧電容：連接在諧振電路的振蕩線圈兩端，起到選擇振蕩頻率的作用。
6、襯墊電容與諧振電容：主電容串聯(lián)的輔助性電容，調(diào)整它可使振蕩信號頻率范圍變小，幷能顯著地提高低頻端的振蕩頻率。
是當(dāng)?shù)剡x定襯墊電容的容量，可以將低端頻率曲線向上提升，接近于理想頻率跟蹤曲線。
7、補償電容：與諧振電路主電容并聯(lián)的輔助性電容，調(diào)整該電容能使振蕩信號頻率范圍擴大。
8、中和電容：并接在三極管放大器的基極與發(fā)射極之間，構(gòu)成負反饋網(wǎng)絡(luò)，以抑制三極管間電容造成的自激振蕩。
9、穩(wěn)頻電容：在振蕩電路中起穩(wěn)定振蕩頻率的作用。
10、定時電容：在RC時間常數(shù)電路中與電阻R串聯(lián)，共同決定充放電時間長短的電容。
11、加速電容：接在振蕩器反饋電路中，使正反饋過程加速，提高振蕩信號的幅度。
12、縮短電容：在UHF高頻頭電路中，為了縮短振蕩電感器長度而串接的電容。
13、克拉潑電容：在電容三點式振蕩電路中，與電感振蕩線圈串聯(lián)的電容，起到消除晶體管結(jié)電容對頻率穩(wěn)定性影響的作用。
14、錫拉電容：在電容三點式振蕩電路中，與電感振蕩線圈兩端并聯(lián)的電容，起到消除晶體管結(jié)電容的影響，使振蕩器在高頻端容易起振。
15、穩(wěn)幅電容：在鑒頻器中，用于穩(wěn)定輸出信號的幅度。
16、預(yù)加重電容：為了避免音頻調(diào)制信號在處理過程中造成對分頻量衰減和丟失，而設(shè)置的RC高頻分量提升網(wǎng)絡(luò)電容。
17、去加重電容：為恢復(fù)原伴音信號，要求對音頻信號中經(jīng)預(yù)加重所提升的高頻分量和噪聲一起衰減掉，設(shè)置在RC網(wǎng)絡(luò)中的電容。
18、移相電容：用于改變交流信號相位的電容。
19、反饋電容：跨接于放大器的輸入與輸出端之間，使輸出信號回輸?shù)捷斎攵说碾娙荨?/span>
20、降壓限流電容：串聯(lián)在交流電回路中，利用電容對交流電的容抗特性，對交流電進行限流，從而構(gòu)成分壓電路。
21、逆程電容：用于行掃描輸出電路，并接在行輸出管的集電極與發(fā)射極之間，以產(chǎn)生高壓行掃描鋸齒波逆程脈沖，其耐壓一般在1500V以上。
22、校正電容：串接在偏轉(zhuǎn)線圈回路中，用于校正顯像管邊緣的延伸線性失真。
23、自舉升壓電容：利用電容器的充、放電儲能特性提升電路某點的電位，使該點電位達到供電端電壓值的2倍。
24、消亮點電容：設(shè)置在視放電路中，用于關(guān)機時消除顯像管上殘余亮點的電容。
25、軟啟動電容：一般接在開關(guān)電源的開關(guān)管基極上，防止在開啟電源時，過大的浪涌電流或過高的峰值電壓加到開關(guān)管基極上，導(dǎo)致開關(guān)管損壞。
26、啟動電容：串接在單相電動機的副繞組上，為電動機提供啟動移相交流電壓。在電動機正常運轉(zhuǎn)后與副繞組斷開。
27、運轉(zhuǎn)電容：與單相電動機的副繞組串聯(lián)，為電動機副繞組提供移相交流電流。在電動機正常運行時，與副繞組保持串接。
電容器在電子線路中的作用一般概括為：通交流、阻直流。電容器通常起濾波、旁路、耦合、去耦、轉(zhuǎn)相等電氣作用。用作貯能元件也是電容器的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，同電池等儲能元件相比，電容器可以瞬時充放電，并且充放電電流基本上不受限制，可以為某些設(shè)備提供大功率的瞬時脈沖電流。
1 、隔直流：作用是阻止直流而讓交流通過。
2 、旁路(去耦)：為交流電路中某些并聯(lián)的元件提供低阻抗通路。
3 、耦合：作為兩個電路之間的連接，允許交流信號通過并傳輸?shù)较乱患夒娐?/span>
4 、平滑或濾波：將整流以后的脈狀波變?yōu)榻咏绷鞯钠交ǎ驅(qū)⒓y波及干擾波慮除。
5 、溫度補償：針對其它元件對溫度的適應(yīng)性不夠帶來的影響，而進行補償，改善電路的溫度穩(wěn)定性。
6 、計時：電容器與電阻器配合使用，確定電路的時間常數(shù)。
7 、調(diào)諧：對與頻率相關(guān)的電路進行系統(tǒng)調(diào)諧，比如手機、收音機、電視機。
8 、儲能：儲能型電容器通過整流器收集電荷，并將存儲的能量通過變換器引線傳送至電源的輸出端。電壓額定值為 40 ～ 450VDC 、電容值在 220 ～ 150 000μF 之間的鋁電解電容器為較常見的規(guī)格。根據(jù)不同的電源要求，器件有時會采用串聯(lián)、并聯(lián)或其組合的形式， 對于功率級超過 10KW 的電源，通常采用體積較大的罐形螺旋端子電容器。
9、浪涌電壓保護：開關(guān)頻率很高的現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件易受潛在的損害性電壓尖峰脈沖的影響。跨接在功率半導(dǎo)體器件兩端的浪涌電壓保護電容器通過吸收電壓脈沖限制了峰值電壓，從而對半導(dǎo)體器件起到了保護作用，使得浪涌電壓保護電容器成為功率元件庫中的重要一員。
半導(dǎo)體器件的額定電壓和電流值及其開關(guān)頻率左右著浪涌電壓保護電容器的選擇。由于這些電容器承受著很陡的 dv/dt 值，因此，對于這種應(yīng)用而言，薄膜電容器是恰當(dāng)之選。不能僅根據(jù)電容值 / 電壓值來選擇電容器。在選擇浪涌電壓保護電容器時，還應(yīng)考慮所需的 dv/dt 值。
10 、 EMI/RFI 抑制：這些電容器連接在電源的輸入端，以減輕由半導(dǎo)體所產(chǎn)生的電磁或無線電干擾。由于直接與主輸入線相連，這些電容器易遭受到破壞性的過壓和瞬態(tài)電壓。采用塑膜技術(shù)的 X- 級和 Y- 級電容器提供了最為廉價的抑制方法之一。抑制電容器的阻抗隨著頻率的增加而減小，允許高頻電流通過電容器。X 電容器在線路之間對此電流提供“短路”， Y 電容器則在線路與接地設(shè)備之間對此電流提供“短路”。
11 、控制和邏輯電路 ：各類電容器均可能被應(yīng)用于電源控制電路中。除非是在惡劣環(huán)境條件的要求，否則這些電容器的選擇一般都是低電壓低損耗的通用型元件。
整流電路的輸出電壓不是純粹的直流，從示波器觀察整流電路的輸出，與直流相差很大，波形中含有較大的脈動成分，稱為紋波。為獲得比較理想的直流電壓，需要利用具有儲能作用的電抗性元件(如電容、電感)組成的濾波電路來濾除整流電路輸出電壓中的脈動成分以獲得直流電壓。
常用的濾波電路有無源濾波和有源濾波兩大類。無源濾波的主要形式有電容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波(包括倒L型、LC濾波、LCπ型濾波和RCπ型濾波等)。有源濾波的主要形式是有源RC濾波，也被稱作電子濾波器。直流電中的脈動成分的大小用脈動系數(shù)來表示，此值越大，則濾波器的濾波效果越差。
脈動系數(shù)(S)=輸出電壓交流分量的基波最大值/輸出電壓的直流分量
半波整流輸出電壓的脈動系數(shù)為S=1.57，全波整流和橋式整流的輸出電壓的脈動系數(shù)S≈O.67。對于全波和橋式整流電路采用C型濾波電路后，其脈動系數(shù)S=1/(4(RLC/T-1)。(T為整流輸出的直流脈動電壓的周期。)
電阻濾波電路
RC-π型濾波電路，實質(zhì)上是在電容濾波的基礎(chǔ)上再加一級RC濾波電路組成的。如圖1(B)RC濾波電路。若用S表示C1兩端電壓的脈動系數(shù)，則輸出電壓兩端的脈動系數(shù)S=(1/ωC2R)S。
由分析可知，電阻R的作用是將殘余的紋波電壓降落在電阻兩端，最后由C2再旁路掉。在ω值一定的情況下，R愈大，C2愈大，則脈動系數(shù)愈小，也就是濾波效果就越好。而R值增大時，電阻上的直流壓降會增大，這樣就增大了直流電源的內(nèi)部損耗;若增大C2的電容量，又會增大電容器的體積和重量，實現(xiàn)起來也不現(xiàn)實。這種電路一般用于負載電流比較小的場合.
電感濾波電路
根據(jù)電抗性元件對交、直流阻抗的不同，由電容C及電感L所組成的濾波電路的基本形式如圖1所示。因為電容器C對直流開路，對交流阻抗小，所以C并聯(lián)在負載兩端。電感器L對直流阻抗小，對交流阻抗大，因此L應(yīng)與負載串聯(lián)。
(A)電容濾波
(B) C-R-C或RC-π型電阻濾波 脈動系數(shù)S=(1/ωC2R')S'
(C) L-C電感濾波
(D) π型濾波或叫C-L-C濾波
圖1 無源濾波電路的基本形式
并聯(lián)的電容器C在輸入電壓升高時，給電容器充電，可把部分能量存儲在電容器中。而當(dāng)輸入電壓降低時，電容兩端電壓以指數(shù)規(guī)律放電，就可以把存儲的能量釋放出來。經(jīng)過濾波電路向負載放電，負載上得到的輸出電壓就比較平滑，起到了平波作用。若采用電感濾波，當(dāng)輸入電壓增高時，與負載串聯(lián)的電感L中的電流增加，因此電感L將存儲部分磁場能量，當(dāng)電流減小時，又將能量釋放出來，使負載電流變得平滑，因此，電感L也有平波作用。
利用儲能元件電感器L的電流不能突變的特點，在整流電路的負載回路中串聯(lián)一個電感，使輸出電流波形較為平滑。因為電感對直流的阻抗小，交流的阻抗大，因此能夠得到較好的濾波效果而直流損失小。電感濾波缺點是體積大,成本高.
橋式整流電感濾波電路如圖2所示。電感濾波的波形圖如圖2所示。根據(jù)電感的特點，當(dāng)輸出電流發(fā)生變化時，L中將感應(yīng)出一個反電勢，使整流管的導(dǎo)電角增大，其方向?qū)⒆柚闺娏靼l(fā)生變化。
圖2電感濾波電路
在橋式整流電路中，當(dāng)u2正半周時，D1、D3導(dǎo)電，電感中的電流將滯后u2不到90°。當(dāng)u2超過90°后開始下降，電感上的反電勢有助于D1、D3繼續(xù)導(dǎo)電。當(dāng)u2處于負半周時，D2、D4導(dǎo)電，變壓器副邊電壓全部加到D1、D3兩端，致使D1、D3反偏而截止，此時，電感中的電流將經(jīng)由D2、D4提供。由于橋式電路的對稱性和電感中電流的連續(xù)性，四個二極管D1、D3;D2、D4的導(dǎo)電角θ都是180°，這一點與電容濾波電路不同。
圖3電感濾波電路波形圖
已知橋式整流電路二極管的導(dǎo)通角是180°，整流輸出電壓是半個半個正弦波，其平均值約為 。電感濾波電路，二極管的導(dǎo)通角也是180°，當(dāng)忽略電感器L的電阻時，負載上輸出的電壓平均值也是 。如果考慮濾波電感的直流電阻R，則電感濾波電路輸出的電壓平均值為
要注意電感濾波電路的電流必須要足夠大，即RL不能太大，應(yīng)滿足wL>>RL，此時IO(AV)可用下式計算
由于電感的直流電阻小，交流阻抗很大，因此直流分量經(jīng)過電感后的損失很小，但是對于交流分量，在wL和 上分壓后，很大一部分交流分量降落在電感上，因而降低了輸出電壓中的脈動成分。電感L愈大，RL愈小，則濾波效果愈好，所以電感濾波適用于負載電流比較大且變化比較大的場合。采用電感濾波以后，延長了整流管的導(dǎo)電角，從而避免了過大的沖擊電流。
電容濾波原理詳解
1.空載時的情況
當(dāng)電路采用電容濾波，輸出端空載，如圖4(a)所示，設(shè)初始時電容電壓uC為零。接入電源后，當(dāng)u2在正半周時，通過D1、D3向電容器C充電;當(dāng)在u2的負半周時，通過D2、D4向電容器C充電，充電時間常數(shù)為
(a)電路圖 (b)波形圖
圖4 空載時橋式整流電容濾波電路
式中 包括變壓器副邊繞組的直流電阻和二極管的正向?qū)娮琛Ｓ捎?/span> 一般很小，電容器很快就充到交流電壓u2的最大值 ，如波形圖2(b) 的時刻。此后，u2開始下降，由于電路輸出端沒接負載，電容器沒有放電回路，所以電容電壓值uC不變，此時，uC>u2，二極管兩端承受反向電壓，處于截止狀態(tài)，電路的輸出電壓
，電路輸出維持一個恒定值。實際上電路總要帶一定的負載，有負載的情況如下。
2.帶載時的情況
圖5給出了電容濾波電路在帶電阻負載后的工作情況。接通交流電源后，二極管導(dǎo)通，整流電源同時向電容充電和向負載提供電流,輸出電壓的波形是正弦形。在 時刻，即達到u2 90°峰值時，u2開始以正弦規(guī)律下降，此時二極管是否關(guān)斷，取決于二極管承受的是正向電壓還是反向電壓。
先設(shè)達到90°后，二極管關(guān)斷，那么只有濾波電容以指數(shù)規(guī)律向負載放電，從而維持一定的負載電流。但是90°后指數(shù)規(guī)律下降的速率快，而正弦波下降的速率小，所以超過90°以后有一段時間二極管仍然承受正向電壓，二極管導(dǎo)通。隨著u2的下降，正弦波的下降速率越來越快，uC 的下降速率越來越慢。所以在超過90°后的某一點，例如圖5(b)中的t2時刻，二極管開始承受反向電壓，二極管關(guān)斷。此后只有電容器C向負載以指數(shù)規(guī)律放電的形式提供電流，直至下一個半周的正弦波來到，u2再次超過uC，如圖5(b)中的t3時刻，二極管重又導(dǎo)電。
以上過程電容器的放電時間常數(shù)為
電容濾波一般負載電流較小，可以滿足td較大的條件，所以輸出電壓波形的放電段比較平緩，紋波較小，輸出脈動系數(shù)S小，輸出平均電壓UO(AV)大，具有較好的濾波特性。
(a)電路圖 (b)波形圖
圖5帶載時橋式整流濾波電路
以上濾波電路都有一個共性,那就是需要很大的電容容量才能滿足要求,這樣一來大容量電容在加電瞬間很有很大的短路電流,這個電流對整流二極管,變壓器沖擊很大,所以現(xiàn)在一般的做法是在整流前加一的功率型NTC熱敏電阻來維持平衡,因NTC熱敏電阻在常溫下電阻很大,加電后隨著溫度升高，電阻阻值迅速減小,這個電路叫軟起動電路。這種電路缺點是：斷電后，在熱時間常數(shù)內(nèi)， NTC熱敏電阻沒有恢復(fù)到零功率電阻值，所以不宜頻繁的開啟。
為什么整流后加上濾波電容在不帶負載時電壓為何升高?這是因為加上濾波測得的電壓是含有脈動成分的峰值電壓，加上負載后就是平均值，計算：峰值電壓=1.414×理論輸出電壓。
有源濾波-電子電路濾波
電阻濾波本身有很多矛盾,電感濾波成本又高,故一般線路常采用有源濾波電路,電路如圖6。它是由C1、R、C2組成的π型RC濾波電路與有源器件晶體管T組成的射極輸出器連接而成的電路。由圖6可知，流過R的電流IR=IE/(1+β)=IRL/(1+β)。流過電阻R的電流僅為負載電流的1/(1+β).所以可以采用較大的R，與C2配合以獲得較好的濾波效果，以使C2兩端的電壓的脈動成分減小，輸出電壓和C2兩端的電壓基本相等，因此輸出電壓的脈動成分也得到了削減。
從RL負載電阻兩端看，基極回路的濾波元件R、C2折合到射極回路，相當(dāng)于R減小了(1+β)倍，而C2增大了(1+β)倍。這樣所需的電容C2只是一般RCπ型濾波器所需電容的1/β，比如晶體管的直流放大系數(shù)β=50，如果用一般RCπ型濾波器所需電容容量為1000μF，如采用電子濾波器，那么電容只需要20μF就滿足要求了。采用此電路可以選擇較大的電阻和較小的電容而達到同樣的濾波效果，因此被廣泛地用于一些小型電子設(shè)備的電源之中。
電容自諧振頻率表
根據(jù)LC電路串聯(lián)諧振的原理，諧振點不僅與電感有關(guān)，還與電容值有關(guān)，電容越大，諧振點越低。許多人認為電容器的容值越大，濾波效果越好，這是一 種誤解。電容越大對低頻干擾的旁路效果雖然好，但是由于電容在較低的頻率發(fā)生了諧振，阻抗開始隨頻率的升高而增加，因此對高頻噪聲的旁路效果變差。表1是 不同容量瓷片電容器的自諧振頻率，電容的引線長度是1.6mm(你使用的電容的引線有這么短嗎?)。
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