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一、 电容器的主要参数

1.1 耐压

  耐压(Voltage Rating)是指电容器在电路中长期有效地工作而不被击穿所能承受的最大直流电压。对于结构、介质、容量相同的器件,耐压越高,体积越大。
  在交流电压,电容器的耐压值应大于电压的峰值,否则,电容器可能被击穿。耐压的 大小与介质材料有关。加在一个电容器两端的电压超过了它的额定电压,电容器就会被击穿 损坏。固定式电容器的耐压系列值有1.6V、4V、6.3V、10V、16V、25V、32V、35V、40V、 50V、63V、100V、125V、160V、250V、300V、400V、450V、500V、630V、1000V等。 电容器的耐压值通常在电容器表面以数字的形式标注出来,如下图所示。

  有些电解电容器在正极根部用色点来表示耐压等级,如用棕色表示耐压为6.3V,用红色 表示耐压为10V,用灰色表示耐压为16V。
  一般立式瓷片电容器均会在本体上印上耐压值,但许多进口瓷片电容器(如日本、中国 台湾产)表面上未标示耐压,可依下列经验判定耐压大小:在瓷片电容器表面容量值标示下 有一横线的表示耐压为50V,电容器表面上无横线又无耐压标示的表示耐压为500V。除以上 两点外,瓷片电容器表面上耐压值均会标示为多少伏(V)或多少千伏(KV),如下图所示。

电容器在电路中实际要承受的电压不能超过它的耐压值。若超过此值,电容器就可能损坏或被击穿,甚至爆裂。在滤波电路中,电容器的耐压值不要小于交流有效值的1.42倍。使 用电解电容器的时候,还要注意正、负极不要接反。

1.2 标称容量

  电容器上标注的电容量值,称为标称容量。标称容量是生产厂家在电容器上标注的电容 量。标准单位是法拉(F),另外还有微法(F)、纳法(nF)、皮法(pF)。它们之间的换算 关系为1F=10°F =10°nF =10"pF。
  固定电容器常用的标称容量系列见下表。任何电容器的标称容量都满足表中标称容量 系列再乘以10(n为正或负整数)。

1.3 允许误差

  电容器的标称容量与其实际容量之差再除以标称值所得的百分比就是允许误差。电容器的允许误差一般分为8个等级,见下表。

  允许误差的标示方法一般有三种:

1. 将容量的允许误差直接标示在电容器上。
2. 用罗马数字I、II、III分别表示±5%,±10%、±20%。
3. 用英文字母表示误差等级。各英文字母表示的误差等级见下表。
   
   

1.4 温度系数

  温度系数(Temperature Coefficient)是在一定温度范围内,温度变化1°C时电容量的相对变化值。正(Positive)温度系数表示电容量随着温度的增减而增减:负(Negative)温 度系数表示电容量随着温度的下降与上升而增/减。温度系数越小,电容器的质量越好。

1.5 绝缘电阻

  电容器两极之间的介质不是绝对的绝缘体,它的电阻不是无限大,而是一个有限的数值, 一般在1000M以上电容器两极之间的电阻叫做绝缘电阻,或者叫做漏电电阻(又称漏阻)。 其大小是额定工作电压下的直流电压与通过电容器的漏电流的比值。
  漏电电阻越小,漏电越严重。电容漏电会引起能量损耗,这种损耗不仅影响电容器的寿 命,而且会影响电路的工作。因此,漏电电阻越大越好。小容量的电容器,绝缘电阻很大, 为几百兆欧姆或几千兆欧姆。电解电容器的绝缘电阻一般较小。

1.6 频率特性

  电容器的频率特性是指电容器工作在交流电路(尤其在高频电路中)时,其电容量等参 数随着频率的变化而变化的特性。电容器在高频电路工作时,构成电容器材料的介电常数将 随着工作电路频率的升高而减小。由电容器的电容量 C=Es/4tkd可知(E是介电常数),电 容器的电容量将会随着工作电路频率的升高而减小,此时的电损耗也将增加。常用电容器的 最高工作频率见下表。

  在高频条件下工作的电容器,由于介电常数在高频时比低频时小,电容量也相应减小。损耗也随频率的升高而增加。另外,在高频工作时,电容器的分布参数,如极片电阻、引线 和极片间的电阻、极片的自身电感、引线电感等,都会影响电容器的性能。所有这些,均使得电容器的使用频率受到限制。

1.7 损耗角

  在理想情况下,交流信号流过电容器时电流超前90°,但实际上,由于任何电容器都存在一定的损耗,此时的电容器可等效于一个理想电容器C 和一个损耗电阻R串联而成,如下图所示。

  由于损耗电阻R的存在,使得交流信号流过电容器时 的电流相位将小于90°。这种由于损耗电阻R的存在而使 电流相位比理想电容器电流相位滞后的角度就被称为损 耗角。通常所说的损耗角正切 tan&=2fCRR在有些书中 也被称为电容器的等效串联电阻ESR。
  电容器在电场作用下消耗的能量,通常用损耗功率和电容器的无功功率之比,即损耗角的正切值表示。损耗角越大,电容器的损耗越大,损耗角 大的电容器不适于高频情况下工作。tan8又分为介质损耗和金属损耗两类。
  金属损耗包括电容器的金属极板和引线端之间的接触电阻所引起的损耗。由于不同的金 属材料电阻率不同,金属损耗tan 8随着频率及温度的增高而增大的程度也不尽相同。一般来 说,电容器工作在高频电路中时,金属损耗所占的比例约为整个损耗的80%。
  介质损耗包括介质的漏电流所引起的导电损耗、介质的极化所引起的极化损耗及电离损 耗(即介质与极板之间在电离作用下引起的能量损耗)。
  常用电容器的主要参数见下表。

1.8 封装形式

  电容器的封装形式是电容器外部形状及安装方式的直观描述。不同封装形式的电容器,其外部形状及安装方式是不同的。
  无极性电容器的封装通常为RAD0.1、RAD0.2、…。其中,RAD的意思为片装元器件, RAD 后面的数字表示元器件引脚的间距(即焊盘的间距,单位为英寸),如RAD0.1 表示该 电容器两个焊盘之间的距离为0.1英寸(即100mil),RAD0.2 表示该电容器两个焊盘之间的 距离为0.2英寸(200mil)。常见的无极性电容器外形与封装如下图所示。

  电解电容器(有极性的电容器)的封装通常为RB.2/.4、RB.3/.6等。其中,RB 的意思为 柱状元器件,RB后面的数字分别表示焊盘间距(“/”前面的数字)和圆筒外径(“/”后面的 数字),如 RB.2/4表示该电解电容器的焊盘间距为0.2英寸(200mil),圆筒外径为0.4英寸 (400mil)。常见的插针式电解电容器(有极性的电容器)的外形与封装如下图所示。

1.9 电容器的最大电流峰值

  当交流电流过电容器时,电容器对交流电存在阻作用。电容器对交流电阻作用的大小用容抗 X表示。它的大小与交流电的频率f和电容器本身的容量大小C成反比,即 Xe=1/(2nfC)。这里的f是频率,单位是Hz:C是容量,单位是F。在信号频率不变时,容量 越大,容抗就越小。在容量不变时,信号的频率越高,容抗越小。对直流电而言,由于频率 为零,容抗为无穷大,故电容器不能让直流电通过。
  在没有超出电容器的额定电压情况下,允许流过电容器的最大电流峰值I=E/Xc。这里,Er 是电容器的额定电压,峰值电流的单位是A。
  流过电容器的实际电流是这样计算出来,即I=E/Xe。这里,E是应用电压或者是实际工作电压。

电容器两端的电压不能突变。这是因为电容器两端的电压V与电容器内所储存的电荷量Q成正比,而与电容器本身的容量C成反比,即U=Q/C,由于电容器的充、放电需要一个过程,即电容器内电荷量的增减是有一个过程,这个过程不能发生突变,所以电容器两端 的电压也不能发生

二、电容器的测量

2.1 测量固定容量电容器

  用普通万用表就可以大致地判断电容器质量的优劣:指针式万用表选用Rx1k挡或Rx100 挡,黑表笔接电容器的正极,红表笔接电容器的负极,若此时表针迅速向右摆动,然后慢慢 退回到接近002,则说明该电容器正常,且电容量较大;若返回时不到02处,则说明电容 器漏电电流大,且指针示数即为被测电容的漏电阻阻值(铝电解电容器的漏电阻应超过200k2 才可使用);若指针根本不向右摆,则说明电容器内部已断路或电解质已干涸而失去容量; 若指针摆动很大,接近02,且不返回,则说明电容器已被击穿,不能使用。
  对于 0.014F以上的电容器,必须根据容量的大小,分别选择万用表的合适量程才能正确 加以判断。如测300F以上的电容器时,可选择“Rx10k”挡或“R×1k”挡:测 0.47~10F 的电容器时,可用“Rx1k”挡;测0.01~0.47LF的电容器时,可用“Rx10k”挡;等等。
  如果用具有电容测量功能的数字万用表,就可以很容易将电容器的电容量测量出来,然 后与该电容器表面标注的额定电容量进行对比。若测量的实际电容量在额定电容量的误差范 围内,则可以判断该电容器基本正常(有些电容器在测试时正常,而上机工作时却会出问题, 这是因为测量时所施加的电压与实际工作电压相差很大所致,因此应区别对待);若实际电 容量与标称电容量相差很多,则说明该电容器已经损坏。用数字万用表测量电容器时的操作 方法如下:根据电容器表面标注的额定电容量选择适当的电容挡量程,然后将红表笔与电容 器的正极(电解电容器)相连,黑表笔与负极(电解电容器)相连,此时屏幕上显示的数 值即为该电容器此时的实际电容量(在保证数字万用表的电容测量功能正常的情况下),如下图所示。

需要注意的是:由于电容器具有储存电荷的能力,因此,在测量或者触摸大容量电解电容器时,要先应将其两个引脚短路一下(手拿带有塑料柄的螺丝刀,然后用金属部分将引脚短路),以将电容器中储存的电荷泄放出去,否则,可能会损坏测试仪表或出现电击伤人 的意外情况。

2.2 测量可变电容器

  对于可变电容器,用手轻轻旋动转轴时感觉应十分平滑,不应有卡滞现象。用指针式万 用表测量时,可以选择Rx10k挡,将两个表笔分别接可变电容器的动片和定片的引出端,同 时将转轴缓缓旋动几个来回,此时万用表指针都应为无穷大,且表针不能摆动。在旋转轴 的过程中,如果指针有时指向零,则说明动片和定片之间存在短路点;如果碰到某一角度, 万用表读数不为无穷大而是出现一定阻值,则说明可变电容器动片与定片之间存在漏电现 象。对于有问题的可变电容器,最好不要继续使用,否则可能会遇到难以排除的故障。

三、电容器的选择与应用

3.1 电容器的选择

  在电路中,电容器要承受的实际电压不能超过它的耐压值。在滤波电路中,电容器的耐 压值不要小于交流电压有效值的1.42倍。使用电解电容器时,还要注意正、负极不要接反。 电容器的额定电压应高于其实际工作电压的10%~20%,以确保电容器不被击穿损坏。
  不同电路应该选用不同种类的电容器:在电源滤波和退耦电路中应选用电解电容器;在高频电路和高压电路中应选用瓷介和云母电容器;在谐振电路中可选用云母、陶瓷和有机薄 膜等电容器;用作隔直流时可选用纸介、涤纶、云母、电解、陶瓷等电容器;用在谐振回路 时可选用空气或小型密封可变电容器,云母、高频陶瓷电容器等。
  在业余制作电路时,一般不考虑电容器的允许误差,但对于用在振荡和延时电路中的电 容器,其允许误差应尽可能小(一般小于5%);在低频耦合电路中的电容误差可以稍大一些 (一般为10%~20%)。
  在要求不高的地方,尽可能使用铝电解电容器,以降低成本,即使是温度变化很大的环 境中,只要 PCB 空间允许,可以并联多个铝电解电容器来解决铝电解电容器的损耗角及温度系数较大的问题。但是在体积有限制的情况下,钽电解电容器是较好的选择。另外,在长时间积分电路上,由于钽电解电容器的漏电小,因此是首选电容器。
  对于电源滤波电路,可以根据具体情况选择电容器。
  由于线性电源滤波(以桥式整流输出滤波为例)的脉动电流较小、频率较低,对电容器 的要求稍低一些。因此,线性电源滤波电路一般采用电解电容器与非电解电容器并联的方式。 其中,电解电容器用来滤除低频交流信号,非电解电容器用来滤除高频交流信号。在50Hz、 常温条件下,铝电解电容器的容量与输出电流的关系基本可以取每安培1000LF;对于温度范 围较宽或要求纹波较小时,电容量需要成倍增大或是改用LC滤波。
  另外,对于线性电源的电容的耐压,一般只需要考虑预留40%即可,对于外部电源电压 波动较大时,需要按照最大电压来考虑预留耐压范围。
  由于开关电源滤波(以输出滤波为例)的脉动电流较大、频率较高,这就对电容器的选 用要求较高。这时,通常希望电容器的损耗角较小,这样电容器的内阻就会较小,因此就需要采用多个电容器并联的办法进一步降低内阻,这样对于频率高、脉动电流较大的电路,电 容器的发热量可以控制在一定范围内,降低对电路的影响;同时还要注意采用漏电小的电容 器,以减小温升。

需要注意的是:耐压等级的提高对成本影响极大,如将电容器的耐压从25V电压等级提高到35V电压等级时,成本增加一倍;而将电容器的容量从100LF增加为220LF时,成本 仅增加50%,所以不能过分提高电压等级。

  另外,大规模高频、高速集成电路对电容器的要求较高,如高速DSP或是FPGA 等芯片, 它需要的电压一般在1-1.5V之间,允许纹波一般在60mV以内;VO电压一般在1.8~3.3V 之间,允许纹波一般在360mV 以内;并且采用数十个电源脚。这就需要对每个电源脚用一 个贴片高频电容器在靠近引脚处进行滤波

3.2 电容器的代换

  在代换电容器时,代用电容器要与原电容器的容量基本相同(对于傍路和耦合电容,容量可比原电容大一些);耐压值要不低于原电容器的额定电压。在高频电路中,电容器的代换一定要考虑其频率特性应满足电路的频率要求。
  对于滤波电路中的电解电容器,一般来讲,只要耐压、耐温相同,稍大容量的电容可代 稍小容量的,但有些电路电容值相差不可太悬殊,如电视机交流电整流滤波电容器,若原先采用100uF/400V的电解电容器时,则不宜用470uF/400V的大容量电解电容器代用,这是因为电容器的容量太大时,会造成开机瞬间对整流桥堆、保险丝等部件的冲击电流过大,造成元器件损坏。
  起定时作用的电容器要尽量用容量值的电容器代用。若单个电容器的容量小,则可采用并联方法解决;若单个电容器的容量过大,则可采用串联的方法解决。
  不能用有极性的电解电容器取代无极性的电解电容器。
  在代换电容器时,不但要考虑代换电容器的体积、耐压、极性等参数与原电容器相同或 相近外,还要考虑所代换电容器的损耗值要等于或小于原电容器的损耗值,以及代换电容器 的频率特性要高于原电容器。否则即使代换电容器的电容量与原电容器相同或略大于原电容 器,也有可能使电路不能正常工作,或不能稳定工作。

3.3 电容器的串、并联电路

【电容器的并联电路】

  电容器并联后,金属极板的面积就相当于各个并联电容器的总面积,如下图所示。

  因此多个电容器并联后,其总电容量为并联电容量之和,即
C=C+C2+ C3+*** + Cn
  当两个电容器并联后,整个电容器损耗电阻R为这两个电容器损耗电阻R的并联值损 耗电阻R的实际值就会很小,使组合电容器在高频电路下的损耗很小。

【电容器的串联电路】

  在某些特殊的情形下,电容器也可串联使用。电容器串联使用时,金属极板之间的距离 相当于各串联电容器之间的和(其总电容会小于串联回路中的任何一个电容量,),如下图所示。因此,电容器串联时,串联容量的倒数为各容量的倒数和,即1/C = 1/ C+ 1/C2+1/C3+…+1/Ch

  电容器串联后,会产生分压作用,其分压比为电容量的倒数比。当两个电容器处于串联 状态时,这两个电容器的损耗电阻也处于串联状态,故会使整个电容器的等效损耗电阻变大, 使损耗值变得很大。

3.4 电容器的典型应用电路

  电容器在电路中的基本作用就是充电与放电,但这种基本充、放电作用所延伸出来了 很多电路,使得电容器有着种种不同的用途,如在电动机中,用电容器来产生相移;在照相 闪光灯中,用电容器来产生高能量的瞬间放电;等等。而在电子电路中,电容器不同性质的 用途尤多,这些不同的用途,虽然也有截然不同之处,但因其作用均来自充电与放电,所以 在不同用途之间,也难免有其共同之处,如路电容实际上也可称为平滑滤波电容,只看从 哪一个角度来解释。以下就按一般习惯的称呼分类,来说明电容器在不同电路中的作用。

【滤波和电源稳压】

  电力网供给用户的是交流电,而各种家用电器却需要采样直流电源才能工作,这就需 要将交流电源通过整流变成直流电源才能供家用电器使用。交流电转换成直流电示意图如下图所示。

  经过整流后的电源电压虽然没有交流变化成分,但其脉动较大,需要经过滤波电路消除 其脉动成分,使其更接近于直流。滤波的方法一般采用无源元件电容电感,利用其对电压、 电流的储能特性达到滤波的目的。
  电容滤波电路是使用得最多也是最简单的滤波电路。其结构为在整流电路的输出端并联 一较大容量的电解电容器,利用电容器对电压的充、放电作用使输出电压趋于平滑。该形式 的电路多用于小功率电源电路中,如下图所示。

  电容滤波电路一般适用于输出电流较小且负载变化不大的场合。
  电解电容器只能滤除低频波动。对于直流电源中的高频干扰噪波,可以加一个 0.1uF 或0.01uF 的独石电容器或者瓷片电容器来滤除。

电解电容器作为滤波电容器时,也在一定程度上起到了稳压作用:当电解电容器作为稳压应用时,通常接在整流桥或三端稳压器的输出端,起到稳定电压的作用。其工作机理相当 于一个水库:从上游来的带有波浪的水到了水库,就变的平滑了。

  有些供电导线较长的直流电源,在接到电路板的输入端时,通常需要在电路板的电源输 入端加一个大的电解电容器,通常可以是220uF/25V,这样这块电路板需要供电时,不是直 接从电源处取电,而是从电容器中取电,故可以得到稳定的电流供给。

【电源平滑滤波及反交联电容器】

  前述的电源整流电路中的滤波电容器,因有充电和放电时间之分,故必然会有纹波存在。为了尽可能降低纹波率,可按如下图所示另加一电容C2,此电容即可起到平滑纹波的作用。

  上图(a)中使用电感作为交联元器件,上图(b)则将电阻器作为交联元器件。当 使用电感作为交联元器件时,有较高的效率。如果负载是稳定的,如是一只灯泡或一个蓄电 池,则 C2 唯一的作用就是平滑滤波:如果负载并不稳定,那么在C2 两端的电压,除了含有 交流电源的纹波外,也可能因负载变动而使电压有所起伏,起伏的幅度随负载的变动幅度而 异。此时,若以同一电源供给两个不同的负载,而其中又有一个负载电压极为敏感时,那 么第一个负载的电流变化,便可能影响第二个负载的动作,如立体声两声道间的窜音、前后 级共享电源可能引起的超低频振荡等。为了防止类似这种来自电源的作用,可在每一负 载前单独加上一个电容器。这种电容器即被称为反交联电容器,如上图©所示的C2、C3。

【微分电容器】

  输出信号与输入信号的微分成正比的电路被称为微分电路。微分电路中的电容器被称为微分电容器。微分电路如下图所示。输入微分电路的方波(本处以频率为50Hz的方波为 例)经过微分电路后,将会输出变化很陡峭的曲线。

  当第一个方波电压加在微分电路的两端(输入端)时,电容C上的电压开始充电而增 加。而流过电容C的电流则随着充电电压的上升而下降。电流经过微分电路(R、C)的规 律可用公式= (U/R)-(ICR)来表达。其中,为充电电流(A):U为输入信号电压(V):R为 电路电阻值(2):C为电容器电容值(F):e为自然对数常数(2.71828);t为信号电压 用时间(s);CR为R、C时间常数。
  通过计算可以看出,输出部分即电阻上的电压为ixR,结合上面的计算,可以得出输出 电压曲线的计算公式为R=U[e-(CR)】。

  微分电路对输入信号特别敏感,故它的抗干扰能力差。另外,对反馈信号具有滞后作用 的 RC环节,与集成运放内部电路的滞后作用叠加在一起,可能引起自激振荡。再者,以突变时,输入电流会较大,输入电流与反馈电阻的乘积可能超过集成运放的最大输出电压,有 可能使电路不能正常工作。
  微分电路的应用是很广泛的,可以将周期性的输入方波电压 输出脉冲电压。微分电路除了可以在线性电路中做微分运算外,还常用来在脉冲数字电路中做波形变换,如将矩 形波变换为尖顶脉冲波。

【积分电容器】

  输出信号与输入信号的积分成正比的电路被称为积分电路。积分电路中的电容器被称为 积分电容器。积分电路中R和C的位置互换,便可构成基本微分电路。它是积分的逆运算。 积分电路如下图所示。

  当输入信号电压加在输入端时,电容©上的电压逐渐上升。其充电电流随着电压的 上升而减小。电流通过电阻®、电容©的特性可用公式=(U/R)-(1/CR)表达。其中,i 为充电电流(A):U为输入信号电压(V):R为电路电阻值(2):e为自然对数常数(2.71828); ☆为信号电压作用时间(s):CR为R、C时间常数(RC)。
  通过上面的计算公式可以看出,输出部分即电阻上的电压为ixR,结合上面的计算,可 以得出输出电压曲线的计算公式为iR=U[e-(t/CR)]。
  输入信号不同,积分电路可表现出不同的输出特性。
  若输入为阶跃信号,则积分电路表现为与输入成线性关系增长直到C充电结束,使运放 进入饱和状态。充电时间=RC。
  若输入为方波信号,则积分电路表现为充电放电交替进行(理想),对外表现为三角 波。
  若输入为正弦信号,则积分电路表现为输出超前输入90°相位的正弦波(有同相与反相 的差别)。
  积分电容器采用云母电容器最好。但云母电容器容量不容易做得太大(一般10~ 10000pF),价格非常高,因此通常采用损耗比较低的CBB电容器、聚丙烯(Polypropyl)薄 膜电容器来代替云母电容器。
  积分电路主要用于下列电路中:

1. 在电子开关中用于延迟;
2. 波形变换,如将方波变为三角波:
3. 信号发生器中的信号源;
4. 在A/D转换中,将电压量变为时间量:
5. 移相。

【高通/低通/带通滤波电容器】

  利用电容器的容抗特性,如果把电容器串联低频信号通过得少一点;反之,如把电容器并联电路中,就可以使高频信号通过得多一点, 电路中,则高频信号被削弱得多一点(因为被短路掉了),低频信号则被削弱得少一点。
  由于单纯的电容器虽有容抗产生,但滤波效果不明显,因此要使它有明确的滤波作用, 必须加入如电阻器等元器件才能组成可以控制频率的滤波电路。
  低通滤波电路(LPF),顾名思义,就是让低频信号通过,滤掉高频信号的电路。常见的低通滤波电路如下图所示。

  在低通滤波电路中,电容器相当于开路,信号能顺利输出;当频率f足够大时,电容器 的容抗极小,相当于短路,高频信号被电容器短路而不能输出。频率f被称为截止频率或转折频率。
  高通滤波电路(HPF),顾名思义,就是让高频信号通过,滤掉低频信号的电路。常见的 高通滤波电路如下图所示。

  在高通滤波电路中,对于一个较低的频率f(截止频率),电容器相当于开路,信号不能通过:随着频率的不断升高,电容器的容抗越来越小,信号则越来越容易输出。
  仔细观察低通滤波电路和高通滤波电路就可发现,其基本结构并无不同,不同的只是电 压的取出点不同而已。当电压是在电容器两端取出时,频率越高,被衰减的就越多;电压在 电阻器两端取出时,频率越高,则衰减就越少。
  将低通和高通滤波器串联起来,即可构成带通滤波器(BPF)。常见的带通滤波器如下图所示。

  带通滤波器只允许某一频带范围内的信号通过,而将此频带以外的信号阻断。
  将低通和高通滤波器并联起来,即可构成带阻滤波器(BEF)。带阻滤波器可以阻断某一 频带范围内的信号通过,而允许此频带以外的信号通过。

【傍路电容器】

  在电路中,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。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(Bypass Capacitors)或者路电容器。例如,在晶体管的射极电阻器或真空管的阴极电阻器上并联的电容器,就被称 为傍路电容器(因为其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,除了 数千微法的平滑滤波或反交联电容器之外,通常也用零点几微法的高频电容器来将高频傍路 (实际上,此高频傍路电容也可被视为高频滤波及反交联电容器)。傍路电容器的应用电路如下图所示。

【去耦电容器】

  在电子电路中,经常会看到在集成电路的电源引脚附近有一个电解电容器,这个电容器 就是去耦合电容器,简称去耦电容器(Decoupling Capacitors),又称退耦电容器,如下图所示。

  去耦电容器通常有两个作用:一个是蓄能;一个是去除高频噪声。去耦电容器主要是去 除高频,如RF信号的干扰。干扰的进入方式是通过电磁辐射。

为什么说去耦电容器具有蓄能的作用呢?举个简单的例子我们就很容易明白了:我们可以把总电源看作一个水库,我们大楼内的家家户户都需要供水,这时,水不是直接来自于水库,那样距离太远了,等水过来,我们已经渴的不行了,实际水是来自于大楼附近的水塔。

  集成电路在工作的时候,其电流是不连续的,而且频率很高,而集成电路的电源引脚到 总电源有一段距离,即便距离不长,在频率很高的情况下,阻抗也会很大(线路的电感影响 非常大),这样会导致器件在需要电流的时候,不能被及时供给。而去耦电容器可以弥补此 不足。这也是为什么很多电路板在高频器件电源引脚处放置小电容的原因之一。
  集成电路内部的开关在工作时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。去耦电容器的主 要功能就是提供一个局部的直流电源给集成电路,以减少开关噪声在电路板的传播并将噪声 引导到地。去耦电容器还可以防止电源携带的噪声对电路构成干扰。在设计电路时,去耦电 容器应放置在电源入口处,连线应尽可能短。
  因而在设计高速电路板时,通常在电路板的电源接入端放置一个1-10uF的电容器,滤 除低频噪声;在电路板上,每个器件的电源与地线之间放置一个0.01-0.1uF 的电容,滤除 高频噪声。
  去耦电容器的充放电作用使集成电路得到的供电电压比较平稳,减小了电压振荡现象; 集成电路可以就近在各自的去耦电容器上吸收或释放电流,不必通过电源线从较远的电源中 取得电流,因此不会影响集成电路的速度;同时去耦电容器为集成电路的瞬态变化电流提供 了各自就近的高强通道,从而大大减小了向外的辐射噪声且相互之间没有公共阻抗,因此抑制了共阻抗耦合。
  由于去耦电容器在高频时的阻抗将会减小到其自谐振频率,因而可以有效地去除信号线中的高频噪声,同时相对低频来说对能量没有影响,所以可在每一个集成电路的电源地脚之间加一个大小合适的去耦电容器。在选择去耦电容器类型时,应考虑那些低电感的高频电容器,如高频性能较好的多层陶瓷电容器或独石电容器。

在电子电路中,去耦电容器和傍路电容器都可起到抗干扰的作用。电容器所处的位置不同,称呼就不一样。对于同一个电路来说,傍路(Bypass)电容器是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象,把前级电路携带的高频杂波滤除;而去耦(Decoupling)电容器,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。这就是它们之间的本质区别。
傍路电容器实际也是去耦合的,只是傍路电容器一般是指高频傍路,也就是给高频噪声 提高一条低阻抗泄放途径。高频傍路电容器的容量一般比较小,根据谐振频率,一般为0.01~ 0.1uF;而去耦电容器容量一般比较大,通常为1~100LF或者更大,依据电路中分布参数及 驱动电流的变化大小来确定。

【耦合电容器】

  由于电子电路通常需要采用直流电压供电,因此在输出的信号中通常带有直流电成分, 在一些多级放大电路或者是只需要传输交流信号的电路中,为防止前、后两级电路静态工作点的相互影响,通常需要采用电容器进行耦合电容器起隔直通交的作用),这样的电容器 就被称为耦合电容器,如下图所示。

  在音频电路中,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 作为耦合电容器;在有些对音质要求较高的音频电路中,通常也会采用价格较高的无极性金 属化电容器作为耦合电容器;在高频信号的传输、放大电路中,通常采用1~1000pF 的瓷片 电容器作为耦合电容器。

【振荡电容器】

  电容器在通过交流电时,因电流和电压存在着相位差,所以在有增益的电路里很容易产生振荡。电容器的振荡应用电路如下图所示。

【调谐电容器】
  由于电容器的导电是在充电或电完成以前所发生的作用,所以在电容器电路中,电流 先电压而产生。在电子电路中,电感的特性正好与电容相反——其电压电流产生,若将这两种特性相反的组件串联或并联在一起,那么在某一特定频率时,电容的电流超前而电感的电流落后,使两者正好重叠,于是电流变得最大,这就称为电流谐振;反之,电容的电流超 前而电感中的电流落后,使两者因互差180°而互相抵消,电流就变成最小,此即被称为串 联谐振。串联或并联谐振通常被用于效率极高的带通滤波电路中。
  电容器作为调谐电容器的应用电路如下图所示。

  电磁波在空间传播时,如果遇到导体,则会使导体产生感应电流。感应电流的频率跟激 起它的电磁波的频率相同。因此利用放在电磁波传播空间中的导体,就可以接收到电磁波。当接收电路的固有频率与接收到的电磁波的频率相同时,接收电路中产生的振荡电流最强。
  改变可变电容器的容量大小即可改变调谐电路的固有频率,进而使其与接收电台的电磁波频率相同,这个频率的电磁波就在调谐电路里激起较强的感应电流,这样就选出了电台。 用调谐电路接收到的感应电流是调制的高频振荡电流,要直接接收到所需要的信号,还需要进行检波等处理。

【分压电容器】

  由于电容器对交流电会产生容抗,容抗的性质与电阻器的阻抗类似,故将两个容抗串联时,也会与电阻串联时一样产生分压作用。下图所示电路就是示波器及高频电压表输入电路中的衰减器。
  下图所示电路基本上以电阻分压衰减为基础。为了减轻分布电容对输入阻抗的影响, 每一分压电阻器均并联一个电容器。

【降压电容器】

  由于电容器具有容抗作用,因此可以在一些要求简单的电路中对交流市电进行降压,然后再整流后供用电器使用。
  电容器的降压电路通常用于低成本取得非隔离的小电流电源。

电容器的降压电路有以下优点:电路简单、元件少、噪声小,可防磁场干扰。但是这种电路也有以下缺点:功率因数低、无功功率大,不适合负载电流稍大的电源,不适合宽输入 电压及负荷电流变动很大的电源。

  由于降压电容器是在最低输入电压、最低工作频率、最大负荷电流的条件下确定的,故当输入电压和工作频率较高、负荷电流较小时,多余的电流会流向稳压管,导致稳压管发热。
  因为是非绝缘型电源,电路带电,电路的使用范围受到限制,未与220V交流高压隔离, 故必须注意安全,严防触电!限流电容器必须接于火线,耐压要足够大(大于400V)。设计 时要注意稳压管功耗,严禁稳压管断开运行。
  电容器降压电路应用电路如下图所示。

  在如上图(a)所示电路中,C1为降压电容器;VD2为半波整流二极管;VD1 在市电 的负半周时给C1提供放电回路;VD3为稳压二极管;R1为关断电源后C1的电荷泄放电阻。 在实际应用时,常常采用的是如上图(b)所示的电路。当需要向负载提供较大的电流时, 可采用如上图©所示的桥式整流电路。
  整流后未经稳压的直流电压一般会高于30V,并且会随负载电流的变化发生很大的波动, 这是因为此类电源内阻很大的缘故所致,故不适合大电流供电的应用场合。
  设计电路时,应先测定负载电流的准确值,然后选择降压电容器的容量。
  通常,降压电容器C1的容量C与负载电流的关系可近似认为C=14.5%,其中,C的
容量单位是HF,Io的单位是A。
  稳压管的稳压值应等于负载电路的工作电压,其稳定电流的选择也非常重要。由于电容降压电源提供的是恒定电流,近似为恒流源,因此一般不怕负载短路。
  滤波电容器C2的容量一般取100~1000LF,但要注意其耐压的选择。

电容器降压电路与电源变压器降压电路的区别是:在使用电源变压器作为整流电源
时,当确定电路中的各项参数以后,输出电压是恒定的,而输出电流后则随负载的增减而变化;而电容器降压电路中C被确定以后,输出电流』是恒定的,输出直流电压却随负载电阻的大小不同在一定范围内变化。负载电阻越小,输出电压越低;负载电阻越大,输出电压 越高。

四、 往期回顾

【干货】【常用电子元器件介绍】【电阻】（一）–普通电阻器
【干货】【常用电子元器件介绍】【电阻】（二）–敏感电阻器
【干货】【常用电子元器件介绍】【电阻】（三）–电位器
【干货】【常用电子元器件介绍】【电容】（一）–电容器的种类、命名方法、识别