电容器的主要特性及其在电路中的应用

掌握电容器的主要特性对分析有电容器参与的电路工作原理十分重要。在电子元器件中，电容器的特性比较多，且比较复杂。

1.隔直流通交流

电容器在直流电路中，由于直流电压方向不变，对电容器的充电方向始终不变，待电容器充满电荷之后，电路中便无电流的流动，所以电容器具有隔直流的作用。

图1-10所示为电容器隔直流通交流特性示意图。

图1-10 电容器隔直流通交流特性示意图

输入信号u_i是一个由直流电压u₁和交流电压u₂复合而成的信号，u₁和u₂相加得到输入信号u_i波形。

直流电压u₁和交流电压u₂相加的理解过程可以分下列几个时刻（见图中输入信号u_i波形）。

t₀时刻，u_i等于u₁，u₂为0，u₁+u₂=u₁，u_i波形为u₁。

t₁时刻，u₁仍为u₁，u₂为正峰值，u_i波形为u₁加上u₂（正峰值），此时u_i为最大值。

t₂时刻，因为u₂为0，所以u_i大小为u₁。

t₃时刻，u₂为负峰值，所以此时u_i为u₁减去负峰值，u_i为最小。

t₄时刻，两信号电压相加情况与t₀时刻相同。

输入信号u_i加到电路中，有直流和交流两种情况。

1）直流电压u₁加到电路中的分析。由于电容C₁的隔直作用，直流电压不能通过C₁，所以在输出端没有直流电压，这是电容器的隔直特性在电路中的具体体现。

2）交流电压u₂加到电路中的分析。由于电容C₁具有通交流作用，u_i信号中的交流电压能够通过电容C₁和电阻R₁构成回路，在回路中产生交流电流，流过电阻R₁的交流信号电流在R₁两端的交流电压即为输出电压u_o。

所以，输出信号u_o中只有输入信号u_i中的交流信号成分u₂，没有直流成分u₁，这样实现隔直通交的电路功能。

2.容抗计算

电容器让交流电通过时对交流电流存在着阻碍作用，就同电阻阻碍电流一样，所以在大多数的电路分析中，可以将电容器在电路中的作用当成一个“特殊”电阻器来等效理解，称为容抗。

在交流电的频率和电容器容量大小不同的情况下，电容器对交流电的阻碍作用容抗也不同。

电容器的容抗用X_C表示，容抗X_C的大小由下列公式计算而得：

式中，2π为常数；f为交流信号的频率，单位为Hz；C为电容器的容量，单位为F。

3.电容器储能特性(www.xing528.com)

理论上讲电容器不消耗电能，电容器中所充的电荷会储存在电容器中，只要外部电路中不存在让电容器放电的条件（放电电路），电荷就一直储存在电容器中，电容器的这种特性称为储能特性。

实际上电容器存在着各种能量损耗，当然比起电阻器来它对电能的损耗要小得多。在电容电路的分析中，通常不考虑电容器的耗能，因为考虑耗能后电路分析变得很复杂。

4.电容器两端电压计算

许多电容电路分析中需要用到电容器两端电压不能突变的特性，这是分析电容电路工作原理时的一个重要特性，也是一个难点。

电容器两端的电压U由下式决定：

式中，Q为电容器内部的电荷量；C为电容器的容量。电容器内部没有电荷时，电容器两端的电压为0V，电容器中电荷越多，电容器两端的电压越大。电容器两端的电压与电容量成反比关系，在同样的电荷量时，容量越大，电容器两端的电压越小，大电容器两端的电压低于小电容器两端的电压。

5.充放电过程中电容器两端电压不能突变的特性

图1-11所示是电容器两端电压不能突变特性示意图。E₁是直流电源，S₁是开关，R₁是电阻，C₁是电容，这是一个直流电源对电容C₁充电的电路。

图1-11 电容器两端电压不能突变特性示意图

1）S₁未合上时，电容器C₁中无电荷，由上述公式可知，因为Q=0，所以U=0V，C₁两端的电压为0V。

2）S₁接通瞬间，开始对C₁充电，对C₁的充电要有一个过程，所以S₁合上瞬间C₁上仍然无电荷，C₁两端的电压仍为0V。由于在开关S₁合上后瞬间C₁中的电荷只能逐渐积累而不能突然增多，所以C₁两端的电压也不能发生突变，C₁电压仍然为0V。

3）假如原来C₁内部有电荷，这时C₁原来就有电压，在接通电源瞬间C₁两端的电压仍等于原先的电压，即C₁两端的电压大小没有改变，这也是由C₁两端的电压不能突变特性决定的。

当电容器开始放电的瞬间，电容器两端的电压也不能发生突变，其原理与充电情况一样，因为电容器上的电荷在充电、放电时只能逐渐积累或释放，它是一个渐变的过程，所以电容器两端电压也只能是渐变而非突变。

6.大容量电解电容器高频特性差

电解电容器是电容器中的一种，它具有一般电容器的特性，但由于电解电容器的结构，这种电容器还有其他的一些特性。

电解电容器是一种低频电容器，它主要工作在频率较低的电路中，不宜工作在频率较高的电路中，因为电解电容器的高频特性不好，容量很大的电解电容器的高频特性更差。图1_-12所示为大容量电解电容器的等效电路。

图1-12 大容量电解电容器的等效电路

从理论上讲，对电容器而言，当容量一定后，频率越高容抗越小，电解电容器的容量大，它的容抗应该很小，但是从它的等效电路中可以看出，一个容量比较大的电解电容器由一个容量等于C₁的纯电容C₀和一个电感L₀（等效电感）串联而成。

在等效电路中，大容量的电解电容器还有一个等效电感L₀的存在。当频率较高时，电容C₀的容抗很小，但是L₀的感抗较大（频率越高、感抗越大），结果大容量电容器高频时总的阻抗不是减小，反而增大，这说明大容量的电解电容器的高频特性差。