探索電容器充放電特性在電路中應(yīng)用

劉睿（寶雞鐵路技師學(xué)院 陜西寶雞 735000）

?

探索電容器充放電特性在電路中應(yīng)用

劉睿（寶雞鐵路技師學(xué)院 陜西寶雞 735000）

摘 要：電容器在電工技術(shù)和電子電路中的應(yīng)用極為廣泛。它具有特殊的的電磁性能，被用來完成特定的功能。如電力系統(tǒng)中的功率補償，電子技術(shù)中的調(diào)諧、濾波、耦合等。本文主要介紹了電容器的濾波、去耦、旁路、儲能、耦合、計時等這些源于電容器充放電特性基礎(chǔ)上的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電容器；充電；放電；應(yīng)用

【DOI】10.19312/j.cnki.61-1499/c.2016.05.102

電容器是電路中的基本元件，它是在給定電位差下的電荷儲藏量；它是一種以電場形式儲存能量的無源器件。通常電荷在電場中會受到電場力的作用而移動，當(dāng)導(dǎo)體之間加入絕緣介質(zhì)，則會阻礙電荷的移動而使電荷積累。任何兩個彼此靠近而且又相互絕緣的導(dǎo)體都可以構(gòu)成電容器。雖然各種電容器的結(jié)構(gòu)和大小不同，但其原理基本相同。

電容器不是一個耗能元件，是個具有記憶作用的儲能元件。在弱電領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用于調(diào)諧、濾波、耦合、旁路、隔直通交；在強(qiáng)電領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用于移相、提高功率因數(shù)和單相電動機(jī)的啟動等。因此，電容器是一種應(yīng)用非常廣泛的電工元件，而以上功能主要源于電容器的充放電特性。

一、電容器的充放電特性

在外加直流電壓的作用下電容器儲存電荷的過程叫做充電，通過負(fù)載釋放電荷的過程叫做放電。電容器具有充放電的特性形成了電容器應(yīng)用于電路的基本原理。

1.電容器的充電

電源向電容器充電。開始時燈泡較亮，然后逐漸變暗，說明電路中充電電流在變化。從電流表上可觀察到充電電流在減小，從電壓表上的讀數(shù)可知電容器兩端電壓UC上升。經(jīng)過一段時間后，電燈熄滅了，電流表的讀數(shù)減小至零，電壓表的讀數(shù)上升至電源電動勢。電容器充電完畢。

由于電容器充電完畢后，電路中再沒有電流流動；所以在直流電路中電容器可等效為開路，即電阻值趨近于無窮大，電容器兩端的電壓不能突變。

2.電容器的放電

電容器充電結(jié)束后，電容器上建立了電壓UC，且等于電源電動勢E。此時，電容器可看成一個等效電源，并通過電阻進(jìn)行放電?？梢杂^察到燈泡是由亮變暗，最后熄滅；同時電流表指針有偏轉(zhuǎn)，說明電路中有電流流過，而且由大到小。由電壓表可觀察到，電容器上的電壓是由大到小逐漸下降，經(jīng)過一段時間后下降為零。電容器放電完畢。

二、電容器的應(yīng)用

在電子產(chǎn)品中，電容器是必不可少的電子器件，它在電子設(shè)備中充當(dāng)整流器的平滑濾波、電源的退耦、交流信號的旁路、交直流電路的耦合等。

1.電容器的濾波應(yīng)用

在直流穩(wěn)壓電源電路中，整流電路利用二極管的單向?qū)щ娦詫⒔涣麟妷鹤優(yōu)槊}動的直流電壓。這種大小變化的脈動直流電壓，除含有直流分量外，還有不同頻率的交流分量，稱為紋波電壓；因此遠(yuǎn)不能滿足大多數(shù)電子設(shè)備對電源的要求。為了改善整流輸出電壓的脈動程度，提高其平滑性；在整流電路后，要加接濾波電路。通常情況是在整流電路輸出端與負(fù)載間并聯(lián)一個較大容量的電解電容，利用其充放電特性來濾除交流分量，從而得到比較平滑的直流電壓。由于大容量的電解電容器有一定的電感，對高頻及脈沖干擾信號不能有效地濾除，故在其兩端并聯(lián)一個容量較小的電容器，以濾除高頻及脈沖干擾。這時大電容器通低頻，小電容器通高頻。電容器的作用就是通高頻阻低頻。

舉個日常生活中的例子，有時我們用整流電源聽隨身聽時耳機(jī)會發(fā)出嗡嗡的聲音，這是廠家為了節(jié)約成本使用了小容量的濾波電容器。如果我們在電源兩端并接一個較大容量的電解電容器，通?？梢愿纳菩Ч?。

2.電容器的去耦應(yīng)用

一般來說電路可以分為驅(qū)動的電源和被驅(qū)動的負(fù)載。如果負(fù)載電容比較大，驅(qū)動電路要把電容器充電、放電，才能完成信號的跳變；在上升沿比較陡峭的時候，電流也比較大，這樣驅(qū)動的電流就會吸收很大的電源電流。這種電流相對于正常情況來說實際上就是一種噪音。此時電容器相當(dāng)于一個“電池”的作用，滿足驅(qū)動電路電流的變化，在電路中進(jìn)一步減小電源與參考地之間的高頻干擾阻抗。

例如在數(shù)字電路中，當(dāng)電路從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一個狀態(tài)時就會在電源線上產(chǎn)生一個很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓，如果配置去耦電容器后，就可以抑制因負(fù)載變化而產(chǎn)生的噪聲。

3.電容器的旁路應(yīng)用

旁路電容器是為本地器件提供能量的儲能器件，它能使穩(wěn)壓器的輸出均勻化，降低負(fù)載要求。為盡量減小阻抗，旁路電容器要盡量靠近負(fù)載器件的供電電源管腳和地管腳。這樣能夠很好地防止輸入值過大而導(dǎo)致地電位抬高和噪音。

舉個例子來講，在分壓式電流負(fù)反饋偏置電路中，晶體管放大器發(fā)射極有一個實現(xiàn)電流負(fù)反饋的電阻，它同時又使輸出信號產(chǎn)生壓降反饋到輸入端，這個電阻就是產(chǎn)生反饋的元件，如果在這個電阻兩端并聯(lián)一個容量較大的電容器，它對交流信號相當(dāng)于短路，用以消除交流信號在電阻上產(chǎn)生的負(fù)反饋作用，以避免減小放大倍數(shù)。

4.電容器的儲能應(yīng)用

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，用于必要的時候釋放。

舉個日常生活中經(jīng)常見到的例子，我們看到市場銷售的整流電源在拔下插頭后，上面的發(fā)光二極管還會繼續(xù)亮一會兒，然后逐漸熄滅，就是因為里面的電容器先前存儲了電能，然后釋放了。還有我們?nèi)粘Ｉ钪杏玫降恼障鄼C(jī)的閃光燈、加熱設(shè)備等等都是電容器的儲能應(yīng)用。如今某些電容器的儲能水平已經(jīng)接近鋰電池的水準(zhǔn)，一個電容器儲存的電能可以供一個手機(jī)使用一天。

5.電容器的耦合應(yīng)用

在低頻信號的傳遞與放大過程中，為了防止前后兩級電路的靜態(tài)工作點相互影響常采用耦合，為了防止信號中低頻分量損失過大，一般總采用容量較大的電解電容器進(jìn)行耦合。

例如多級放大器的阻容耦合電路中，就是利用電阻和電容元件將兩個單級的放大器連接起來，組成多級放大器。這樣前級的輸出信號通過電容器耦合給后一級，適當(dāng)?shù)厝‰娙葜悼梢员ＷC交流信號順利耦合到下一級。

6.電容器的計時應(yīng)用

電容器與電阻配合使用，確定電路的時間常數(shù)。常見的是RC串聯(lián)構(gòu)成的積分電路。當(dāng)輸入信號電壓加在輸入端時，電容器C上的電壓逐漸上升，而其充電電流則隨著電壓的上升而減小。

7.電容器的其它應(yīng)用

電容器除了上述應(yīng)用以外，還有移相、提高功率因數(shù)和單相電動機(jī)啟動等等應(yīng)用。例如洗衣機(jī)的電機(jī)上要接一個電容器，否則電機(jī)就轉(zhuǎn)不起來?？梢哉f任何家用電器里面都用到電容器，比如電腦、電視機(jī)、收音機(jī)等等，可見它的應(yīng)用是相當(dāng)廣泛的。

總之，電容器是電路中很重要的一種器件，它有多種用途，主要有：濾波，顯卡上的電容器基本都是這個作用；旁路，為交流電路中某些并聯(lián)的元件提供低阻抗通路；耦合，作為兩個電路之間的連接；儲能，儲存電能，用于必要的時候釋放；計時，電容器與電阻配合使用，確定電路的時間常數(shù)；調(diào)諧，對與頻率相關(guān)的電路進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)諧，比如收音機(jī)、手機(jī)、電視機(jī)等等。因此，電容器是一種應(yīng)用非常廣泛的電工元件。

參考文獻(xiàn)：

[1]《電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)》.第四版.中國勞動社會保障出版社.

[2]《電工技術(shù)基礎(chǔ)》.第四版.中國勞動社會保障出版社.

[3]《電子技術(shù)基礎(chǔ)》.第四版.中國勞動社會保障出版社.