电容在电路中的作用.docx

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1、电容在电路中的作用目录前言11 .电容隔直流12 .电容旁路（去耦或滤波）23 .储能电容103.1. 电容和电感是怎样储能的11前言电容是电路设计中最为普通常用的器件，是无源元件之一，有源器件简单地说就是需能（电）源的器件叫有源器件，无需能（电）源的器件就是无源器件。电容的作用和用途一般都有好多种，如：在旁路、去耦、滤波、储能方面的作用；在完成振荡、同步以及时间常数的作用下面来详细分析一下：1 .电容隔直流作用是阻止直流通过而让交流通过。电容能够隔直流的原因示例如下；因为电容的两个脚是互相绝缘的，但相隔的很近，因为绝缘，所以加直流电不能形成回路，所以隔直流。在其两端加上一个交流，交流的电压时

2、高低不断变化，也有正负不断变化的。这样在电容的两个脚上的电压有高低不同的电压，当高电压来时，电容存电，与高电压基本持平，当低电压来时，电容放电，与低电压基本持平，电流的流动也是通交流。后级输出1OQ120-前级输出隔直流电容2 .电容旁路（去耦或滤波）在电路中，如果希望将某一频率以上或全部交流成分的信号去掉，那么便可以使用滤波电容。，/.刖级输出后6级9输出高频旁路电容器习惯上，通常将少部分只有滤波作用的电容器称为旁路电容器（ByPaSSCapacitors)o例如，在晶体管的射极电阻或真空管的阴极电阻上并联的电容器，就被称为旁路电容（因为交流信号是经该电容器而进入接地端的）；又如在电源电路中

3、，除了数千微法的平滑滤波或反交联电容之外，通常也用零点几微法的高频电容来将高频旁路（实际上，此高频旁路电容也可被视为高频滤波及反交联电容）。旁路电容的应用电路如下图所示。傍路由容器的应用电路旁路电容的原理是什么？可将混有高频电流和低频电流的交流电中的高频成分旁路掉的电容，称做“旁路电容”。例如当混有高频和低频的信号经过放大器被放大时，要求通过某一级时只允许低频信号输入到下一级，而不需要高频信号进入，则在该级的输出端加一个适当大小的接地电容，使较高频率的信号很容易通过此电容被旁路掉（这是因为电容对高频阻抗小），而低频信号由于电容对它的阻抗较大而被输送到下一级放大。旁路电容（bypass电容）：用

4、于导通或者吸收某元件或者一组元件中交流成分的一种电容。通常交直流中的交流部分被去除，而允许直流部分通过加有旁路电容的元件。实际上，大多数诸如微控制器（单片机）等的数字电路都是直流电路。这种电路里面的电压水平的变化会造成很多问题。如果电压变化太多，电路可能就会不正常地工作。对大多数情况来讲，纹波电压被认为是交流成分，旁路电容的目的就是要抑制这种交流成分，抑制这种电压噪声。旁路电容的另外一种说法就是滤波电容。旁路电容（bypass电容）能够滤除电路里头的电子噪声，它们靠过滤由纹波电压引起的交流成分。大多数数字电路都有几个旁路电容。最精明的办法就是在板子上的每一个集成电路旁边都使用旁路电容。旁路电容

5、的常用容量数量级就是O.1uF。高频纹波需要更小容量的电容。旁路电容：旁路电容，又称为退耦电容，是为某个器件提供能量的储能器件。它利用了电容的频率阻抗特性，理想电容的频率特性随频率的升高，阻抗降低，就像一个水塘，它能使输出电压输出均匀，降低负载电压波动。旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚，这是阻抗要求。在画PCB时候特别要注意，只有靠近某个元器件时候才能抑制电压或其他输信号因过大而导致的地电位抬高和噪声。说白了就是把直流电源中的交流分量，通过电容耦合到电源地中，起到了净化直流电源的作用。如图C1为旁路电容，画图时候要尽量靠近IC10去耦电容：去耦电容，是把输出信号的干扰作为滤除对

6、象，去耦电容相当于电池，利用其充放电，使得放大后的信号不会因电流的突变而受干扰。它的容量根据信号的频率、抑制波纹程度而定，去耦电容就是起到一个“电池”的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰。旁路电容实际也是去耦合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄放途径。高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般取0.1F、0.01F等。而去耦合电容的容量一般较大，可能是IOF或者更大，依据电路中分布参数、以及驱动电流的变化大小来确定。如图C3为去耦电容它们的区别：旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源。

7、耦合：作为两个电路之间的连接，允许交流信号通过并传输到下一级电路。耦合电容C耦合电容电路模型的直流对后一级的影响，使电路调试简单，性能稳定。如果不加电容交流信号放大不会改变，只是各级工作点需重新设计，由于前后级影响，调试工作点非常困难，在多级时几乎无法实现。滤波：这个对电路而言很重要，CPU背后的电容基本都是这个作用。1z=2fC,即频率f越大，电容的阻抗Z越小。当低频时，电容C由于阻抗Z比较大，有用信号可以顺利通过；当高频时，电容C由于阻抗Z已经很小了，相当于把高频噪声短路到GND上去了。滤波作用：理想电容，电容越大，阻抗越小，通过的频率也越高。电解电容一般都是超过IuF,其中的电感成分很大

8、，因此频率高后反而阻抗会大。我们经常看见有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电容，其实大的电容通低频，小电容通高频，这样才能充分滤除高低频。电容频率越高时候则衰减越大，电容像一个水塘，几滴水不足以引起它的很大变化，也就是说电压波动不是你很大时候电压可以缓冲，如图C2：图C2温度补偿：针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响，而进行补偿，改善电路的稳定性。分析：由于定时电容的容量决定了行振荡器的振荡频率，所以要求定时电容的容量非常稳定，不随环境湿度变化而变化，这样才能使行振荡器的振荡频率稳定。因此采用正、负温度系数的电容并联，进行温度互补。当工作温度升高时，Q的容量在增大，而C2的容量

9、在减小，两只电容并联后的总容量为两只电容容量之和，由于一个容量在增大而另一个在减小，所以总容量基本不变。同理，在温度降低时，一个电容的容量在减小而另一个在增大，总的容量基本不变，稳定了振荡频率，实现温度补偿目的。计时：电容器与电阻器配合使用，确定电路的时间常数。输入信号由低向高跳变时，经过缓冲1后输入RC电路。电容充电的特性使B点的信号并不会跟随输入信号立即跳变，而是有一个逐渐变大的过程。当变大到一定程度时，缓冲2翻转，在输出端得到了一个延迟的由低向高的跳变。时间常数：以常见的RC串联构成积分电路为例，当输入信号电压加在输入端时，电容上的电压逐渐上升。而其充电电流则随着电压的上升而减小，电阻R

10、和电容C串联接入输入信号VI,由电容C输出信号VO,当RC(T)数值与输入方波宽度tW之间满足：TtW,这种电路称为积分电路。调谐：对与频率相关的电路进行系统调谐，比如手机、收音机、电视机。变容二极管的调谐电路因为IC调谐的振荡电路的谐振频率是Ic的函数，我们发现振荡电路的最大与最小谐振频率之比随着电容比的平方根变化。此处电容比是指反偏电压最小时的电容与反偏电压最大时的电容之比。因而，电路的调谐特征曲线（偏压一谐振频率）基本上是一条抛物线。整流：在预定的时间开或者关半闭导体开关元件。3,储能电容储存电能，用于必要的时候释放。例如相机闪光灯，加热设备等等。一般地，电解电容都会有储能的作用，对于专

11、门的储能作用的电容，电容储能的机理为双电层电容以及法拉第电容。其主要形式为超级电容储能，其中超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷。在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场。这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。1 .电容储能原理如下图是电容内结构，里面是那种带有电解液的薄片，电容充满电之后，电容的正电荷和负电荷，分别在薄片的两边。下图，一边是

12、正一边是负，互相吸引，电容断电之后，正电和负电，紧紧把薄片吸住，会有很强的电场。这个电场就是电容的储存能量。+如果正电荷和负电荷堆积得越来越多，电场的作用就越来越大，正电荷和负电荷就牢牢的吸在薄片的两端，实现了电容存储电能的作用。电荷分布在薄片两边，相互过不去，相互吸引，解电容是离子导电，离子的体积是比较大的，薄片完全能挡住两端。1.1. 电容和电感是怎样储能的在讲解电感的储能方式之前，先看看电容是如何储能的。在项目二的视频中可以了解到，电容储存的能量时电压，而在能量的角度上，我们可以把电压称之为“电场”。故，电容是一个储存电场的物质。电场是什么？电场什么？它是如何产生的？电场是“电荷”及“变

13、化磁场”周围空间里存在的一种特殊物质。在电容储存的电场，主要就是“正负两极板之前的电荷所产生的电场”。电容是如何储存电场的？当电容没有储存有电压时，电容两极板之间的电荷是处于一个平衡态；如图1所示：11-411而当电容储存有电压时，其两极板之间的电荷便不再是一个平衡态，如图2所示。这说明，电容上存在电场是因为电容两极板上的电荷不守恒导致的。+-+-1IAFI由JSi包现在假设有一个容量无穷大的电容，其上面存在着+5V的电压，当将其与一个IOUF的电容并联时，IOUF的电容上也会储存有+5V的电压。如图3所示:无穷大IOUF无穷大IoUF+5VOV+5V+SV图3从图3可以知道，电容在储存电场的

14、过程，实际上是电源上的电荷破坏了电容上自身的电荷平衡导致的。而当电容的电荷平衡被破坏时，电容上即存在了电场，这时我们就称电容上储存有了电压。从以上内容可总结：电容储存的是电场，而电场是因为电容上的电荷平衡被“电压源”打破而导致的。这就是电容储存电压的基本原因。而当电容在放电时，该过程其实就是正负两极板之前进行了电子转换，使两极板之间再次达到电荷平衡的过程，这就是电容放电的基本原理。详细的内容将在视频中讲解。电感的储能方式这时，若将电感与电容进行类比，很多人可能会立刻想到：电感在没有储存有能量时，应该也是存在着某种物质的平衡。作者本人当时在想这个问题时产生了一个概念，BP：“磁荷平衡”。但是很遗

15、憾，其实人类现在也还没证明磁荷的存在。但是电感在平衡状态时，确实是存在“某种磁场物质”平衡的。这个物质叫做“磁畴”。对于磁畴的概念，在这里不进行详细的描述。但是其与电容的储能方式是类似的。只不过“磁畴”是在磁场世界中的物质，其对应着电场中的电荷。大家在没有对“磁畴”进行深度了解时，可以简单地把磁畴理解成“磁介质中存在的无数个随机排布的小磁铁”，这一堆小磁铁在没有磁场的环境中，会相互抵消各自的磁场并处于一个平衡态，使“磁介质”对外不表现磁性，如图4所示：图4由此可以知道，当没有电感流过电流时，电感中的磁芯内部的“磁畴”也是处于平衡态的。这与“没有存有电压的电容，其两极板之间的电荷处于平态衡”是一样的。图5平衡态的磁畴分布而当电感上流过电流时，由于电流会存在磁场，当电流的磁场经过磁芯时，电流磁场会打破“磁畴”的平衡状态，使“磁畴”同时趋向于外部磁场的方向。进而导致磁芯此时会对外表现出磁场。而这个磁芯磁场从无一有的过程，其实就是电感储存磁场的过程。图6存有磁场的磁畴分布从图6可以看到，电感的磁芯由于电流磁场的原因，而导致内部的磁畴分布失衡。当磁畴分布失衡时，磁芯就会对外表现出磁场。这时我们