刘睿（宝鸡铁路技师学院 陕西宝鸡 735000）



探索电容器充放电特性在电路中应用

刘睿（宝鸡铁路技师学院 陕西宝鸡 735000）

摘 要：电容器在电工技术和电子电路中的应用极为广泛。它具有特殊的的电磁性能，被用来完成特定的功能。如电力系统中的功率补偿，电子技术中的调谐、滤波、耦合等。本文主要介绍了电容器的滤波、去耦、旁路、储能、耦合、计时等这些源于电容器充放电特性基础上的具体应用。

关键词：电容器；充电；放电；应用

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

电容器是电路中的基本元件，它是在给定电位差下的电荷储藏量；它是一种以电场形式储存能量的无源器件。通常电荷在电场中会受到电场力的作用而移动，当导体之间加入绝缘介质，则会阻碍电荷的移动而使电荷积累。任何两个彼此靠近而且又相互绝缘的导体都可以构成电容器。虽然各种电容器的结构和大小不同，但其原理基本相同。

电容器不是一个耗能元件，是个具有记忆作用的储能元件。在弱电领域中被广泛应用于调谐、滤波、耦合、旁路、隔直通交；在强电领域中被广泛应用于移相、提高功率因数和单相电动机的启动等。因此，电容器是一种应用非常广泛的电工元件，而以上功能主要源于电容器的充放电特性。

一、电容器的充放电特性

在外加直流电压的作用下电容器储存电荷的过程叫做充电，通过负载释放电荷的过程叫做放电。电容器具有充放电的特性形成了电容器应用于电路的基本原理。

1.电容器的充电

电源向电容器充电。开始时灯泡较亮，然后逐渐变暗，说明电路中充电电流在变化。从电流表上可观察到充电电流在减小，从电压表上的读数可知电容器两端电压UC上升。经过一段时间后，电灯熄灭了，电流表的读数减小至零，电压表的读数上升至电源电动势。电容器充电完毕。

由于电容器充电完毕后，电路中再没有电流流动；所以在直流电路中电容器可等效为开路，即电阻值趋近于无穷大，电容器两端的电压不能突变。

2.电容器的放电

电容器充电结束后，电容器上建立了电压UC，且等于电源电动势E。此时，电容器可看成一个等效电源，并通过电阻进行放电。可以观察到灯泡是由亮变暗，最后熄灭；同时电流表指针有偏转，说明电路中有电流流过，而且由大到小。由电压表可观察到，电容器上的电压是由大到小逐渐下降，经过一段时间后下降为零。电容器放电完毕。

二、电容器的应用

在电子产品中，电容器是必不可少的电子器件，它在电子设备中充当整流器的平滑滤波、电源的退耦、交流信号的旁路、交直流电路的耦合等。

1.电容器的滤波应用

在直流稳压电源电路中，整流电路利用二极管的单向导电性将交流电压变为脉动的直流电压。这种大小变化的脉动直流电压，除含有直流分量外，还有不同频率的交流分量，称为纹波电压；因此远不能满足大多数电子设备对电源的要求。为了改善整流输出电压的脉动程度，提高其平滑性；在整流电路后，要加接滤波电路。通常情况是在整流电路输出端与负载间并联一个较大容量的电解电容，利用其充放电特性来滤除交流分量，从而得到比较平滑的直流电压。由于大容量的电解电容器有一定的电感，对高频及脉冲干扰信号不能有效地滤除，故在其两端并联一个容量较小的电容器，以滤除高频及脉冲干扰。这时大电容器通低频，小电容器通高频。电容器的作用就是通高频阻低频。

举个日常生活中的例子，有时我们用整流电源听随身听时耳机会发出嗡嗡的声音，这是厂家为了节约成本使用了小容量的滤波电容器。如果我们在电源两端并接一个较大容量的电解电容器，通常可以改善效果。

2.电容器的去耦应用

一般来说电路可以分为驱动的电源和被驱动的负载。如果负载电容比较大，驱动电路要把电容器充电、放电，才能完成信号的跳变；在上升沿比较陡峭的时候，电流也比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流。这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪音。此时电容器相当于一个“电池”的作用，满足驱动电路电流的变化，在电路中进一步减小电源与参考地之间的高频干扰阻抗。

例如在数字电路中，当电路从一个状态转换为另一个状态时就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压，如果配置去耦电容器后，就可以抑制因负载变化而产生的噪声。

3.电容器的旁路应用

旁路电容器是为本地器件提供能量的储能器件，它能使稳压器的输出均匀化，降低负载要求。为尽量减小阻抗，旁路电容器要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。这样能够很好地防止输入值过大而导致地电位抬高和噪音。

举个例子来讲，在分压式电流负反馈偏置电路中，晶体管放大器发射极有一个实现电流负反馈的电阻，它同时又使输出信号产生压降反馈到输入端，这个电阻就是产生反馈的元件，如果在这个电阻两端并联一个容量较大的电容器，它对交流信号相当于短路，用以消除交流信号在电阻上产生的负反馈作用，以避免减小放大倍数。

4.电容器的储能应用

储能型电容器通过整流器收集电荷，并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端，用于必要的时候释放。

举个日常生活中经常见到的例子，我们看到市场销售的整流电源在拔下插头后，上面的发光二极管还会继续亮一会儿，然后逐渐熄灭，就是因为里面的电容器先前存储了电能，然后释放了。还有我们日常生活中用到的照相机的闪光灯、加热设备等等都是电容器的储能应用。如今某些电容器的储能水平已经接近锂电池的水准，一个电容器储存的电能可以供一个手机使用一天。

5.电容器的耦合应用

在低频信号的传递与放大过程中，为了防止前后两级电路的静态工作点相互影响常采用耦合，为了防止信号中低频分量损失过大，一般总采用容量较大的电解电容器进行耦合。

例如多级放大器的阻容耦合电路中，就是利用电阻和电容元件将两个单级的放大器连接起来，组成多级放大器。这样前级的输出信号通过电容器耦合给后一级，适当地取电容值可以保证交流信号顺利耦合到下一级。

6.电容器的计时应用

电容器与电阻配合使用，确定电路的时间常数。常见的是RC串联构成的积分电路。当输入信号电压加在输入端时，电容器C上的电压逐渐上升，而其充电电流则随着电压的上升而减小。

7.电容器的其它应用

电容器除了上述应用以外，还有移相、提高功率因数和单相电动机启动等等应用。例如洗衣机的电机上要接一个电容器，否则电机就转不起来。可以说任何家用电器里面都用到电容器，比如电脑、电视机、收音机等等，可见它的应用是相当广泛的。

总之，电容器是电路中很重要的一种器件，它有多种用途，主要有：滤波，显卡上的电容器基本都是这个作用；旁路，为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路；耦合，作为两个电路之间的连接；储能，储存电能，用于必要的时候释放；计时，电容器与电阻配合使用，确定电路的时间常数；调谐，对与频率相关的电路进行系统调谐，比如收音机、手机、电视机等等。因此，电容器是一种应用非常广泛的电工元件。

参考文献：

[1]《电工与电子技术基础》.第四版.中国劳动社会保障出版社.

[2]《电工技术基础》.第四版.中国劳动社会保障出版社.

[3]《电子技术基础》.第四版.中国劳动社会保障出版社.