探索電容器充放電特性在電路中應用

劉睿（寶雞鐵路技師學院 陜西寶雞 735000）

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探索電容器充放電特性在電路中應用

劉睿（寶雞鐵路技師學院 陜西寶雞 735000）

摘 要：電容器在電工技術和電子電路中的應用極為廣泛。它具有特殊的的電磁性能，被用來完成特定的功能。如電力系統中的功率補償，電子技術中的調諧、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上的具體應用。

關鍵詞：電容器；充電；放電；應用

【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，當導體之間加入絕緣介質，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體都可以構成電容器。雖然各種電容器的結構和大小不同，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。在弱電領域中被廣泛應用于調諧、濾波、耦合、旁路、隔直通交；在強電領域中被廣泛應用于移相、提高功率因數和單相電動機的啟動等。因此，電容器是一種應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，從電壓表上的讀數可知電容器兩端電壓UC上升。經過一段時間后，電燈熄滅了，電流表的讀數減小至零，電壓表的讀數上升至電源電動勢。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，并通過電阻進行放電。可以觀察到燈泡是由亮變暗，最后熄滅；同時電流表指針有偏轉，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，經過一段時間后下降為零。電容器放電完畢。

二、電容器的應用

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

1.電容器的濾波應用

在直流穩壓電源電路中，整流電路利用二極管的單向導電性將交流電壓變為脈動的直流電壓。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；因此遠不能滿足大多數電子設備對電源的要求。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載間并聯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會發出嗡嗡的聲音，這是廠家為了節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，通常可以改善效果。

2.電容器的去耦應用

一般來說電路可以分為驅動的電源和被驅動的負載。如果負載電容比較大，驅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。此時電容器相當于一個“電池”的作用，滿足驅動電路電流的變化，在電路中進一步減小電源與參考地之間的高頻干擾阻抗。

例如在數字電路中，當電路從一個狀態轉換為另一個狀態時就會在電源線上產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，就可以抑制因負載變化而產生的噪聲。

3.電容器的旁路應用

旁路電容器是為本地器件提供能量的儲能器件，它能使穩壓器的輸出均勻化，降低負載要求。為盡量減小阻抗，旁路電容器要盡量靠近負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致地電位抬高和噪音。

舉個例子來講，在分壓式電流負反饋偏置電路中，晶體管放大器發射極有一個實現電流負反饋的電阻，它同時又使輸出信號產生壓降反饋到輸入端，這個電阻就是產生反饋的元件，如果在這個電阻兩端并聯一個容量較大的電容器，它對交流信號相當于短路，用以消除交流信號在電阻上產生的負反饋作用，以避免減小放大倍數。

4.電容器的儲能應用

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，上面的發光二極管還會繼續亮一會兒，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。還有我們日常生活中用到的照相機的閃光燈、加熱設備等等都是電容器的儲能應用。如今某些電容器的儲能水平已經接近鋰電池的水準，一個電容器儲存的電能可以供一個手機使用一天。

5.電容器的耦合應用

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，適當地取電容值可以保證交流信號順利耦合到下一級。

6.電容器的計時應用

電容器與電阻配合使用，確定電路的時間常數。常見的是RC串聯構成的積分電路。當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.電容器的其它應用

電容器除了上述應用以外，還有移相、提高功率因數和單相電動機啟動等等應用。例如洗衣機的電機上要接一個電容器，否則電機就轉不起來。可以說任何家用電器里面都用到電容器，比如電腦、電視機、收音機等等，可見它的應用是相當廣泛的。

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；調諧，對與頻率相關的電路進行系統調諧，比如收音機、手機、電視機等等。因此，電容器是一種應用非常廣泛的電工元件。

參考文獻：

[1]《電工與電子技術基礎》.第四版.中國勞動社會保障出版社.

[2]《電工技術基礎》.第四版.中國勞動社會保障出版社.

[3]《電子技術基礎》.第四版.中國勞動社會保障出版社.