電容器在電子電路中幾乎是不可缺少的儲(chǔ)能元件,它具有隔斷直流、連通交流、阻止低頻的特性。廣泛應(yīng)用在耦合、隔直、旁路、濾波、調(diào)諧、能量轉(zhuǎn)換和自動(dòng)控制等電路中。熟悉電容器在不同電路中的名稱意義,有助于我們讀懂電子電路圖。
1、濾波電容:接在直流電源的正、負(fù)極之間,以濾除直流電源中不需要的交流成分,使直流電變平滑。
一般采用大容量的電解電容器或鉭電容,也可以在電路中同時(shí)并接其他類型的小容量電容以濾除高頻交流電。
2、去耦電容:幷接在放大電路的電源正、負(fù)極之間,防止由于電源內(nèi)阻形成的正反饋而引起的寄生震蕩。
3、耦合電容:接在交流信號(hào)處理電路中,用于連接信號(hào)源和信號(hào)處理電路或者作兩放大器的級(jí)間連接,用以隔斷直流,讓交流信號(hào)或脈沖信號(hào)通過,使前后級(jí)放大電路的直流工作點(diǎn)互不影響。
4、旁路電容:接在交、直流信號(hào)的電路中,將電容并接在電阻兩端或由電路的某點(diǎn)跨接到公共電位上,為交流信號(hào)或脈沖信號(hào)設(shè)置一條通路,避免交流信號(hào)成分因通過電阻產(chǎn)生壓降衰減。
5、調(diào)諧電容:連接在諧振電路的振蕩線圈兩端,起到選擇振蕩頻率的作用。
6、襯墊電容與諧振電容:主電容串聯(lián)的輔助性電容,調(diào)整它可使振蕩信號(hào)頻率范圍變小,幷能顯著地提高低頻端的振蕩頻率。
是當(dāng)?shù)剡x定襯墊電容的容量,可以將低端頻率曲線向上提升,接近于理想頻率跟蹤曲線。
7、補(bǔ)償電容:與諧振電路主電容并聯(lián)的輔助性電容,調(diào)整該電容能使振蕩信號(hào)頻率范圍擴(kuò)大。
8、中和電容:并接在三極管放大器的基極與發(fā)射極之間,構(gòu)成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò),以抑制三極管間電容造成的自激振蕩。
9、穩(wěn)頻電容:在振蕩電路中起穩(wěn)定振蕩頻率的作用。
10、定時(shí)電容:在RC時(shí)間常數(shù)電路中與電阻R串聯(lián),共同決定充放電時(shí)間長短的電容。
11、加速電容:接在振蕩器反饋電路中,使正反饋過程加速,提高振蕩信號(hào)的幅度。
12、縮短電容:在UHF高頻頭電路中,為了縮短振蕩電感器長度而串接的電容。
13、克拉潑電容:在電容三點(diǎn)式振蕩電路中,與電感振蕩線圈串聯(lián)的電容,起到消除晶體管結(jié)電容對(duì)頻率穩(wěn)定性影響的作用。
14、錫拉電容:在電容三點(diǎn)式振蕩電路中,與電感振蕩線圈兩端并聯(lián)的電容,起到消除晶體管結(jié)電容的影響,使振蕩器在高頻端容易起振。
15、穩(wěn)幅電容:在鑒頻器中,用于穩(wěn)定輸出信號(hào)的幅度。
16、預(yù)加重電容:為了避免音頻調(diào)制信號(hào)在處理過程中造成對(duì)分頻量衰減和丟失,而設(shè)置的RC高頻分量提升網(wǎng)絡(luò)電容。
17、去加重電容:為恢復(fù)原伴音信號(hào),要求對(duì)音頻信號(hào)中經(jīng)預(yù)加重所提升的高頻分量和噪聲一起衰減掉,設(shè)置在RC網(wǎng)絡(luò)中的電容。
18、移相電容:用于改變交流信號(hào)相位的電容。
19、反饋電容:跨接于放大器的輸入與輸出端之間,使輸出信號(hào)回輸?shù)捷斎攵说碾娙荨?/p>
20、降壓限流電容:串聯(lián)在交流電回路中,利用電容對(duì)交流電的容抗特性,對(duì)交流電進(jìn)行限流,從而構(gòu)成分壓電路。
21、逆程電容:用于行掃描輸出電路,并接在行輸出管的集電極與發(fā)射極之間,以產(chǎn)生高壓行掃描鋸齒波逆程脈沖,其耐壓一般在1500V以上。
22、校正電容:串接在偏轉(zhuǎn)線圈回路中,用于校正顯像管邊緣的延伸線性失真。
23、自舉升壓電容:利用電容器的充、放電儲(chǔ)能特性提升電路某點(diǎn)的電位,使該點(diǎn)電位達(dá)到供電端電壓值的2倍。
24、消亮點(diǎn)電容:設(shè)置在視放電路中,用于關(guān)機(jī)時(shí)消除顯像管上殘余亮點(diǎn)的電容。
25、軟啟動(dòng)電容:一般接在開關(guān)電源的開關(guān)管基極上,防止在開啟電源時(shí),過大的浪涌電流或過高的峰值電壓加到開關(guān)管基極上,導(dǎo)致開關(guān)管損壞。
26、啟動(dòng)電容:串接在單相電動(dòng)機(jī)的副繞組上,為電動(dòng)機(jī)提供啟動(dòng)移相交流電壓。在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后與副繞組斷開。
27、運(yùn)轉(zhuǎn)電容:與單相電動(dòng)機(jī)的副繞組串聯(lián),為電動(dòng)機(jī)副繞組提供移相交流電流。在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí),與副繞組保持串接。
電容器在電子線路中的作用一般概括為:通交流、阻直流。電容器通常起濾波、旁路、耦合、去耦、轉(zhuǎn)相等電氣作用。用作貯能元件也是電容器的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域,同電池等儲(chǔ)能元件相比,電容器可以瞬時(shí)充放電,并且充放電電流基本上不受限制,可以為某些設(shè)備提供大功率的瞬時(shí)脈沖電流。
1 、隔直流:作用是阻止直流而讓交流通過。
2 、旁路(去耦):為交流電路中某些并聯(lián)的元件提供低阻抗通路。
3 、耦合:作為兩個(gè)電路之間的連接,允許交流信號(hào)通過并傳輸?shù)较乱患?jí)電路
4 、平滑或?yàn)V波: 將整流以后的脈狀波變?yōu)榻咏绷鞯钠交?,或?qū)⒓y波及干擾波慮除。
5 、溫度補(bǔ)償:針對(duì)其它元件對(duì)溫度的適應(yīng)性不夠帶來的影響,而進(jìn)行補(bǔ)償,改善電路的溫度穩(wěn)定性。
6 、計(jì)時(shí):電容器與電阻器配合使用,確定電路的時(shí)間常數(shù)。
7 、調(diào)諧:對(duì)與頻率相關(guān)的電路進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)諧,比如手機(jī)、收音機(jī)、電視機(jī)。
8 、儲(chǔ)能: 儲(chǔ)能型電容器通過整流器收集電荷,并將存儲(chǔ)的能量通過變換器引線傳送至電源的輸出端。電壓額定值為 40 ~ 450VDC 、電容值在 220 ~ 150 000μF 之間的鋁電解電容器為較常見的規(guī)格。根據(jù)不同的電源要求,器件有時(shí)會(huì)采用串聯(lián)、并聯(lián)或其組合的形式, 對(duì)于功率級(jí)超過 10KW 的電源,通常采用體積較大的罐形螺旋端子電容器。
9、浪涌電壓保護(hù):開關(guān)頻率很高的現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件易受潛在的損害性電壓尖峰脈沖的影響。跨接在功率半導(dǎo)體器件兩端的浪涌電壓保護(hù)電容器通過吸收電壓脈沖限制了峰值電壓,從而對(duì)半導(dǎo)體器件起到了保護(hù)作用,使得浪涌電壓保護(hù)電容器成為功率元件庫中的重要一員。
半導(dǎo)體器件的額定電壓和電流值及其開關(guān)頻率左右著浪涌電壓保護(hù)電容器的選擇。由于這些電容器承受著很陡的 dv/dt 值,因此,對(duì)于這種應(yīng)用而言,薄膜電容器是恰當(dāng)之選。不能僅根據(jù)電容值 / 電壓值來選擇電容器。在選擇浪涌電壓保護(hù)電容器時(shí),還應(yīng)考慮所需的 dv/dt 值。
10 、 EMI/RFI 抑制: 這些電容器連接在電源的輸入端,以減輕由半導(dǎo)體所產(chǎn)生的電磁或無線電干擾。由于直接與主輸入線相連,這些電容器易遭受到破壞性的過壓和瞬態(tài)電壓。采用塑膜技術(shù)的 X- 級(jí)和 Y- 級(jí)電容器提供了最為廉價(jià)的抑制方法之一。抑制電容器的阻抗隨著頻率的增加而減小,允許高頻電流通過電容器。 X 電容器在線路之間對(duì)此電流提供“短路”, Y 電容器則在線路與接地設(shè)備之間對(duì)此電流提供“短路”。
11 、控制和邏輯電路 :各類電容器均可能被應(yīng)用于電源控制電路中。除非是在惡劣環(huán)境條件的要求,否則這些電容器的選擇一般都是低電壓低損耗的通用型元件。
整流電路的輸出電壓不是純粹的直流,從示波器觀察整流電路的輸出,與直流相差很大,波形中含有較大的脈動(dòng)成分,稱為紋波。為獲得比較理想的直流電壓,需要利用具有儲(chǔ)能作用的電抗性元件(如電容、電感)組成的濾波電路來濾除整流電路輸出電壓中的脈動(dòng)成分以獲得直流電壓。
常用的濾波電路有無源濾波和有源濾波兩大類。無源濾波的主要形式有電容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波(包括倒L型、LC濾波、LCπ型濾波和RCπ型濾波等)。有源濾波的主要形式是有源RC濾波,也被稱作電子濾波器。直流電中的脈動(dòng)成分的大小用脈動(dòng)系數(shù)來表示,此值越大,則濾波器的濾波效果越差。
脈動(dòng)系數(shù)(S)=輸出電壓交流分量的基波最大值/輸出電壓的直流分量
半波整流輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)為S=1.57,全波整流和橋式整流的輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)S≈O.67。對(duì)于全波和橋式整流電路采用C型濾波電路后,其脈動(dòng)系數(shù)S=1/(4(RLC/T-1)。(T為整流輸出的直流脈動(dòng)電壓的周期。)
電阻濾波電路
RC-π型濾波電路,實(shí)質(zhì)上是在電容濾波的基礎(chǔ)上再加一級(jí)RC濾波電路組成的。如圖1(B)RC濾波電路。若用S表示C1兩端電壓的脈動(dòng)系數(shù),則輸出電壓兩端的脈動(dòng)系數(shù)S=(1/ωC2R)S。
由分析可知,電阻R的作用是將殘余的紋波電壓降落在電阻兩端,最后由C2再旁路掉。在ω值一定的情況下,R愈大,C2愈大,則脈動(dòng)系數(shù)愈小,也就是濾波效果就越好。而R值增大時(shí),電阻上的直流壓降會(huì)增大,這樣就增大了直流電源的內(nèi)部損耗;若增大C2的電容量,又會(huì)增大電容器的體積和重量,實(shí)現(xiàn)起來也不現(xiàn)實(shí)。這種電路一般用于負(fù)載電流比較小的場合。
電感濾波電路
根據(jù)電抗性元件對(duì)交、直流阻抗的不同,由電容C及電感L所組成的濾波電路的基本形式如圖1所示。因?yàn)殡娙萜鰿對(duì)直流開路,對(duì)交流阻抗小,所以C并聯(lián)在負(fù)載兩端。電感器L對(duì)直流阻抗小,對(duì)交流阻抗大,因此L應(yīng)與負(fù)載串聯(lián)。
(A)電容濾波 (B) C-R-C或RC-π型電阻濾波 脈動(dòng)系數(shù)S=(1/ωC2R‘)S’
(C) L-C電感濾波 (D) π型濾波或叫C-L-C濾波
圖1 無源濾波電路的基本形式
并聯(lián)的電容器C在輸入電壓升高時(shí),給電容器充電,可把部分能量存儲(chǔ)在電容器中。而當(dāng)輸入電壓降低時(shí),電容兩端電壓以指數(shù)規(guī)律放電,就可以把存儲(chǔ)的能量釋放出來。經(jīng)過濾波電路向負(fù)載放電,負(fù)載上得到的輸出電壓就比較平滑,起到了平波作用。若采用電感濾波,當(dāng)輸入電壓增高時(shí),與負(fù)載串聯(lián)的電感L中的電流增加,因此電感L將存儲(chǔ)部分磁場能量,當(dāng)電流減小時(shí),又將能量釋放出來,使負(fù)載電流變得平滑,因此,電感L也有平波作用。
利用儲(chǔ)能元件電感器L的電流不能突變的特點(diǎn),在整流電路的負(fù)載回路中串聯(lián)一個(gè)電感,使輸出電流波形較為平滑。因?yàn)殡姼袑?duì)直流的阻抗小,交流的阻抗大,因此能夠得到較好的濾波效果而直流損失小。電感濾波缺點(diǎn)是體積大,成本高。
橋式整流電感濾波電路如圖2所示。電感濾波的波形圖如圖2所示。根據(jù)電感的特點(diǎn),當(dāng)輸出電流發(fā)生變化時(shí),L中將感應(yīng)出一個(gè)反電勢,使整流管的導(dǎo)電角增大,其方向?qū)⒆柚闺娏靼l(fā)生變化。
圖2電感濾波電路
在橋式整流電路中,當(dāng)u2正半周時(shí),D1、D3導(dǎo)電,電感中的電流將滯后u2不到90°。當(dāng)u2超過90°后開始下降,電感上的反電勢有助于D1、D3繼續(xù)導(dǎo)電。當(dāng)u2處于負(fù)半周時(shí),D2、D4導(dǎo)電,變壓器副邊電壓全部加到D1、D3兩端,致使D1、D3反偏而截止,此時(shí),電感中的電流將經(jīng)由D2、D4提供。由于橋式電路的對(duì)稱性和電感中電流的連續(xù)性,四個(gè)二極管D1、D3;D2、D4的導(dǎo)電角θ都是180°,這一點(diǎn)與電容濾波電路不同。
圖3電感濾波電路波形圖
已知橋式整流電路二極管的導(dǎo)通角是180°,整流輸出電壓是半個(gè)半個(gè)正弦波,其平均值約為 。電感濾波電路,二極管的導(dǎo)通角也是180°,當(dāng)忽略電感器L的電阻時(shí),負(fù)載上輸出的電壓平均值也是 。如果考慮濾波電感的直流電阻R,則電感濾波電路輸出的電壓平均值為
要注意電感濾波電路的電流必須要足夠大,即RL不能太大,應(yīng)滿足wL》》RL,此時(shí)IO(AV)可用下式計(jì)算
由于電感的直流電阻小,交流阻抗很大,因此直流分量經(jīng)過電感后的損失很小,但是對(duì)于交流分量,在wL和 上分壓后,很大一部分交流分量降落在電感上,因而降低了輸出電壓中的脈動(dòng)成分。電感L愈大,RL愈小,則濾波效果愈好,所以電感濾波適用于負(fù)載電流比較大且變化比較大的場合。采用電感濾波以后,延長了整流管的導(dǎo)電角,從而避免了過大的沖擊電流。
電容濾波原理詳解
1.空載時(shí)的情況
當(dāng)電路采用電容濾波,輸出端空載,如圖4(a)所示,設(shè)初始時(shí)電容電壓uC為零。接入電源后,當(dāng)u2在正半周時(shí),通過D1、D3向電容器C充電;當(dāng)在u2的負(fù)半周時(shí),通過D2、D4向電容器C充電,充電時(shí)間常數(shù)為
(a)電路圖 (b)波形圖
圖4 空載時(shí)橋式整流電容濾波電路
式中 包括變壓器副邊繞組的直流電阻和二極管的正向?qū)娮琛S捎?一般很小,電容器很快就充到交流電壓u2的最大值 ,如波形圖2(b) 的時(shí)刻。此后,u2開始下降,由于電路輸出端沒接負(fù)載,電容器沒有放電回路,所以電容電壓值uC不變,此時(shí),uC>u2,二極管兩端承受反向電壓,處于截止?fàn)顟B(tài),電路的輸出電壓
,電路輸出維持一個(gè)恒定值。實(shí)際上電路總要帶一定的負(fù)載,有負(fù)載的情況如下。
2.帶載時(shí)的情況
圖5給出了電容濾波電路在帶電阻負(fù)載后的工作情況。接通交流電源后,二極管導(dǎo)通,整流電源同時(shí)向電容充電和向負(fù)載提供電流,輸出電壓的波形是正弦形。在 時(shí)刻,即達(dá)到u2 90°峰值時(shí),u2開始以正弦規(guī)律下降,此時(shí)二極管是否關(guān)斷,取決于二極管承受的是正向電壓還是反向電壓。
先設(shè)達(dá)到90°后,二極管關(guān)斷,那么只有濾波電容以指數(shù)規(guī)律向負(fù)載放電,從而維持一定的負(fù)載電流。但是90°后指數(shù)規(guī)律下降的速率快,而正弦波下降的速率小,所以超過90°以后有一段時(shí)間二極管仍然承受正向電壓,二極管導(dǎo)通。隨著u2的下降,正弦波的下降速率越來越快,uC 的下降速率越來越慢。所以在超過90°后的某一點(diǎn),例如圖5(b)中的t2時(shí)刻,二極管開始承受反向電壓,二極管關(guān)斷。此后只有電容器C向負(fù)載以指數(shù)規(guī)律放電的形式提供電流,直至下一個(gè)半周的正弦波來到,u2再次超過uC,如圖5(b)中的t3時(shí)刻,二極管重又導(dǎo)電。
以上過程電容器的放電時(shí)間常數(shù)為
電容濾波一般負(fù)載電流較小,可以滿足td較大的條件,所以輸出電壓波形的放電段比較平緩,紋波較小,輸出脈動(dòng)系數(shù)S小,輸出平均電壓UO(AV)大,具有較好的濾波特性。
(a)電路圖 (b)波形圖
圖5帶載時(shí)橋式整流濾波電路
以上濾波電路都有一個(gè)共性,那就是需要很大的電容容量才能滿足要求,這樣一來大容量電容在加電瞬間很有很大的短路電流,這個(gè)電流對(duì)整流二極管,變壓器沖擊很大,所以現(xiàn)在一般的做法是在整流前加一的功率型NTC熱敏電阻來維持平衡,因NTC熱敏電阻在常溫下電阻很大,加電后隨著溫度升高,電阻阻值迅速減小,這個(gè)電路叫軟起動(dòng)電路。這種電路缺點(diǎn)是:斷電后,在熱時(shí)間常數(shù)內(nèi), NTC熱敏電阻沒有恢復(fù)到零功率電阻值,所以不宜頻繁的開啟。
為什么整流后加上濾波電容在不帶負(fù)載時(shí)電壓為何升高?這是因?yàn)榧由蠟V波測得的電壓是含有脈動(dòng)成分的峰值電壓,加上負(fù)載后就是平均值,計(jì)算:峰值電壓=1.414×理論輸出電壓
有源濾波-電子電路濾波
電阻濾波本身有很多矛盾,電感濾波成本又高,故一般線路常采用有源濾波電路,電路如圖6。它是由C1、R、C2組成的π型RC濾波電路與有源器件晶體管T組成的射極輸出器連接而成的電路。由圖6可知,流過R的電流IR=IE/(1+β)=IRL/(1+β)。流過電阻R的電流僅為負(fù)載電流的1/(1+β).所以可以采用較大的R,與C2配合以獲得較好的濾波效果,以使C2兩端的電壓的脈動(dòng)成分減小,輸出電壓和C2兩端的電壓基本相等,因此輸出電壓的脈動(dòng)成分也得到了削減。
從RL負(fù)載電阻兩端看,基極回路的濾波元件R、C2折合到射極回路,相當(dāng)于R減小了(1+β)倍,而C2增大了(1+β)倍。這樣所需的電容C2只是一般RCπ型濾波器所需電容的1/β,比如晶體管的直流放大系數(shù)β=50,如果用一般RCπ型濾波器所需電容容量為1000μF,如采用電子濾波器,那么電容只需要20μF就滿足要求了。采用此電路可以選擇較大的電阻和較小的電容而達(dá)到同樣的濾波效果,因此被廣泛地用于一些小型電子設(shè)備的電源之中。
電容自諧振頻率表 2009-02-02 16:13
根據(jù)LC電路串聯(lián)諧振的原理,諧振點(diǎn)不僅與電感有關(guān),還與電容值有關(guān),電容越大,諧振點(diǎn)越低。許多人認(rèn)為電容器的容值越大,濾波效果越好,這是一 種誤解。電容越大對(duì)低頻干擾的旁路效果雖然好,但是由于電容在較低的頻率發(fā)生了諧振,阻抗開始隨頻率的升高而增加,因此對(duì)高頻噪聲的旁路效果變差。表1是 不同容量瓷片電容器的自諧振頻率,電容的引線長度是1.6mm(你使用的電容的引線有這么短嗎?)。
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