電容在電路中的作用及電容濾波原理

電容器在電子電路中幾乎是不可缺少的儲能元件,它具有隔斷直流、連通交流、阻止低頻的特性。廣泛應用在耦合、隔直、旁路、濾波、調諧、能量轉換和自動控制等電路中。熟悉電容器在不同電路中的名稱意義,有助於我們讀懂電子電路圖。

1、濾波電容:接在直流電源的正、負極之間,以濾除直流電源中不需要的交流成分,使直流電變平滑。

一般採用大容量的電解電容器或鉭電容,也可以在電路中同時並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、負極之間,防止由於電源內阻形成的正反饋而引起的寄生震盪。

3、耦合電容:接在交流信號處理電路中,用於連接信號源和信號處理電路或者作兩放大器的級間連接,用以隔斷直流,讓交流信號或脈衝信號通過,使前後級放大電路的直流工作點互不影響。

4、旁路電容:接在交、直流信號的電路中,將電容並接在電阻兩端或由電路的某點跨接到公共電位上,為交流信號或脈衝信號設置一條通路,避免交流信號成分因通過電阻產生壓降衰減。

5、調諧電容:連接在諧振電路的振盪線圈兩端,起到選擇振盪頻率的作用。

6、襯墊電容與諧振電容:主電容串聯的輔助性電容,調整它可使振盪信號頻率範圍變小,幷能顯著地提高低頻端的振盪頻率。

是當地選定襯墊電容的容量,可以將低端頻率曲線向上提升,接近於理想頻率跟蹤曲線。

7、補償電容:與諧振電路主電容並聯的輔助性電容,調整該電容能使振盪信號頻率範圍擴大。

8、中和電容:並接在三極管放大器的基極與發射極之間,構成負反饋網絡,以抑制三極管間電容造成的自激振盪。

9、穩頻電容:在振盪電路中起穩定振盪頻率的作用。

10、定時電容:在RC時間常數電路中與電阻R串聯,共同決定充放電時間長短的電容。

11、加速電容:接在振盪器反饋電路中,使正反饋過程加速,提高振盪信號的幅度。

12、縮短電容:在UHF高頻頭電路中,為了縮短振盪電感器長度而串接的電容。

13、克拉潑電容:在電容三點式振盪電路中,與電感振盪線圈串聯的電容,起到消除晶體管結電容對頻率穩定性影響的作用。

14、錫拉電容:在電容三點式振盪電路中,與電感振盪線圈兩端並聯的電容,起到消除晶體管結電容的影響,使振盪器在高頻端容易起振。

15、穩幅電容:在鑑頻器中,用於穩定輸出信號的幅度。

16、預加重電容:為了避免音頻調製信號在處理過程中造成對分頻量衰減和丟失,而設置的RC高頻分量提升網絡電容。

17、去加重電容:為恢復原伴音信號,要求對音頻信號中經預加重所提升的高頻分量和噪聲一起衰減掉,設置在RC網絡中的電容。

18、移相電容:用於改變交流信號相位的電容。

19、反饋電容:跨接於放大器的輸入與輸出端之間,使輸出信號回輸到輸入端的電容。

20、降壓限流電容:串聯在交流電迴路中,利用電容對交流電的容抗特性,對交流電進行限流,從而構成分壓電路。

21、逆程電容:用於行掃描輸出電路,並接在行輸出管的集電極與發射極之間,以產生高壓行掃描鋸齒波逆程脈衝,其耐壓一般在1500V以上。

22、校正電容:串接在偏轉線圈迴路中,用於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、放電儲能特性提升電路某點的電位,使該點電位達到供電端電壓值的2倍。

24、消亮點電容:設置在視放電路中,用於關機時消除顯像管上殘餘亮點的電容。

25、軟啟動電容:一般接在開關電源的開關管基極上,防止在開啟電源時,過大的浪湧電流或過高的峰值電壓加到開關管基極上,導致開關管損壞。

26、啟動電容:串接在單相電動機的副繞組上,為電動機提供啟動移相交流電壓。在電動機正常運轉後與副繞組斷開。

27、運轉電容:與單相電動機的副繞組串聯,為電動機副繞組提供移相交流電流。在電動機正常運行時,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、轉相等電氣作用。用作貯能元件也是電容器的一個重要應用領域,同電池等儲能元件相比,電容器可以瞬時充放電,並且充放電電流基本上不受限制,可以為某些設備提供大功率的瞬時脈衝電流。

1 、隔直流:作用是阻止直流而讓交流通過。

2 、旁路(去耦):為交流電路中某些並聯的元件提供低阻抗通路。

3 、耦合:作為兩個電路之間的連接,允許交流信號通過並傳輸到下一級電路

4 、平滑或濾波: 將整流以後的脈狀波變為接近直流的平滑波,或將紋波及干擾波慮除。

5 、溫度補償:針對其它元件對溫度的適應性不夠帶來的影響,而進行補償,改善電路的溫度穩定性。

6 、計時:電容器與電阻器配合使用,確定電路的時間常數。

7 、調諧:對與頻率相關的電路進行系統調諧,比如手機、收音機、電視機。

8 、儲能: 儲能型電容器通過整流器收集電荷,並將存儲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格。根據不同的電源要求,器件有時會採用串聯、並聯或其組合的形式, 對於功率級超過 10KW 的電源,通常採用體積較大的罐形螺旋端子電容器。

9、浪湧電壓保護:開關頻率很高的現代功率半導體器件易受潛在的損害性電壓尖峰脈衝的影響。跨接在功率半導體器件兩端的浪湧電壓保護電容器通過吸收電壓脈衝限制了峰值電壓,從而對半導體器件起到了保護作用,使得浪湧電壓保護電容器成為功率元件庫中的重要一員。

半導體器件的額定電壓和電流值及其開關頻率左右著浪湧電壓保護電容器的選擇。由於這些電容器承受著很陡的 dv/dt 值,因此,對於這種應用而言,薄膜電容器是恰當之選。不能僅根據電容值 / 電壓值來選擇電容器。在選擇浪湧電壓保護電容器時,還應考慮所需的 dv/dt 值。

10 、 EMI/RFI 抑制: 這些電容器連接在電源的輸入端,以減輕由半導體所產生的電磁或無線電干擾。由於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電壓。採用塑膜技術的 X- 級和 Y- 級電容器提供了最為廉價的抑制方法之一。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此電流提供“短路”, Y 電容器則在線路與接地設備之間對此電流提供“短路”。

11 、控制和邏輯電路 :各類電容器均可能被應用於電源控制電路中。除非是在惡劣環境條件的要求,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、電感濾波和複式濾波(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。直流電中的脈動成分的大小用脈動係數來表示,此值越大,則濾波器的濾波效果越差。

脈動係數(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係數為S=1.57,全波整流和橋式整流的輸出電壓的脈動係數S≈O.67。對於全波和橋式整流電路採用C型濾波電路後,其脈動係數S=1/(4(RLC/T-1)。(T為整流輸出的直流脈動電壓的週期。)

電阻濾波電路

RC-π型濾波電路,實質上是在電容濾波的基礎上再加一級RC濾波電路組成的。如圖1(B)RC濾波電路。若用S表示C1兩端電壓的脈動係數,則輸出電壓兩端的脈動係數S=(1/ωC2R)S。

由分析可知,電阻R的作用是將殘餘的紋波電壓降落在電阻兩端,最後由C2再旁路掉。在ω值一定的情況下,R愈大,C2愈大,則脈動係數愈小,也就是濾波效果就越好。而R值增大時,電阻上的直流壓降會增大,這樣就增大了直流電源的內部損耗;若增大C2的電容量,又會增大電容器的體積和重量,實現起來也不現實。這種電路一般用於負載電流比較小的場合.

電感濾波電路

根據電抗性元件對交、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。因為電容器C對直流開路,對交流阻抗小,所以C並聯在負載兩端。電感器L對直流阻抗小,對交流阻抗大,因此L應與負載串聯。

電容在電路中的作用及電容濾波原理

電容在電路中的作用及電容濾波原理

(A)電容濾波 (B) C-R-C或RC-π型電阻濾波 脈動係數S=(1/ωC2R')S'

電容在電路中的作用及電容濾波原理

電容在電路中的作用及電容濾波原理

(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

並聯的電容器C在輸入電壓升高時,給電容器充電,可把部分能量存儲在電容器中。而當輸入電壓降低時,電容兩端電壓以指數規律放電,就可以把存儲的能量釋放出來。經過濾波電路向負載放電,負載上得到的輸出電壓就比較平滑,起到了平波作用。若採用電感濾波,當輸入電壓增高時,與負載串聯的電感L中的電流增加,因此電感L將存儲部分磁場能量,當電流減小時,又將能量釋放出來,使負載電流變得平滑,因此,電感L也有平波作用。

利用儲能元件電感器L的電流不能突變的特點,在整流電路的負載迴路中串聯一個電感,使輸出電流波形較為平滑。因為電感對直流的阻抗小,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。根據電感的特點,當輸出電流發生變化時,L中將感應出一個反電勢,使整流管的導電角增大,其方向將阻止電流發生變化。

電容在電路中的作用及電容濾波原理

圖2電感濾波電路

在橋式整流電路中,當u2正半周時,D1、D3導電,電感中的電流將滯後u2不到90°。當u2超過90°後開始下降,電感上的反電勢有助於D1、D3繼續導電。當u2處於負半周時,D2、D4導電,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,電感中的電流將經由D2、D4提供。由於橋式電路的對稱性和電感中電流的連續性,四個二極管D1、D3;D2、D4的導電角θ都是180°,這一點與電容濾波電路不同。

電容在電路中的作用及電容濾波原理

圖3電感濾波電路波形圖

已知橋式整流電路二極管的導通角是180°,整流輸出電壓是半個半個正弦波,其平均值約為 。電感濾波電路,二極管的導通角也是180°,當忽略電感器L的電阻時,負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

電容在電路中的作用及電容濾波原理

要注意電感濾波電路的電流必須要足夠大,即RL不能太大,應滿足wL>>RL,此時IO(AV)可用下式計算

電容在電路中的作用及電容濾波原理

由於電感的直流電阻小,交流阻抗很大,因此直流分量經過電感後的損失很小,但是對於交流分量,在wL和 上分壓後,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,所以電感濾波適用於負載電流比較大且變化比較大的場合。採用電感濾波以後,延長了整流管的導電角,從而避免了過大的衝擊電流。

電容濾波原理詳解

1.空載時的情況

當電路採用電容濾波,輸出端空載,如圖4(a)所示,設初始時電容電壓uC為零。接入電源後,當u2在正半周時,通過D1、D3向電容器C充電;當在u2的負半周時,通過D2、D4向電容器C充電,充電時間常數為

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(a)電路圖 (b)波形圖

圖4 空載時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導通電阻。由於 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) 的時刻。此後,u2開始下降,由於電路輸出端沒接負載,電容器沒有放電迴路,所以電容電壓值uC不變,此時,uC>u2,二極管兩端承受反向電壓,處於截止狀態,電路的輸出電壓

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,電路輸出維持一個恆定值。實際上電路總要帶一定的負載,有負載的情況如下。

2.帶載時的情況

圖5給出了電容濾波電路在帶電阻負載後的工作情況。接通交流電源後,二極管導通,整流電源同時向電容充電和向負載提供電流,輸出電壓的波形是正弦形。在 時刻,即達到u2 90°峰值時,u2開始以正弦規律下降,此時二極管是否關斷,取決於二極管承受的是正向電壓還是反向電壓。

先設達到90°後,二極管關斷,那麼只有濾波電容以指數規律向負載放電,從而維持一定的負載電流。但是90°後指數規律下降的速率快,而正弦波下降的速率小,所以超過90°以後有一段時間二極管仍然承受正向電壓,二極管導通。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°後的某一點,例如圖5(b)中的t2時刻,二極管開始承受反向電壓,二極管關斷。此後只有電容器C向負載以指數規律放電的形式提供電流,直至下一個半周的正弦波來到,u2再次超過uC,如圖5(b)中的t3時刻,二極管重又導電。

以上過程電容器的放電時間常數為

電容在電路中的作用及電容濾波原理

電容濾波一般負載電流較小,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,輸出脈動係數S小,輸出平均電壓UO(AV)大,具有較好的濾波特性。

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(a)電路圖 (b)波形圖

圖5帶載時橋式整流濾波電路

以上濾波電路都有一個共性,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,這個電流對整流二極管,變壓器衝擊很大,所以現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,加電後隨著溫度升高,電阻阻值迅速減小,這個電路叫軟起動電路。這種電路缺點是:斷電後,在熱時間常數內, NTC熱敏電阻沒有恢復到零功率電阻值,所以不宜頻繁的開啟。

為什麼整流後加上濾波電容在不帶負載時電壓為何升高?這是因為加上濾波測得的電壓是含有脈動成分的峰值電壓,加上負載後就是平均值,計算: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,故一般線路常採用有源濾波電路,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的電流僅為負載電流的1/(1+β).所以可以採用較大的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成分也得到了削減。

從RL負載電阻兩端看,基極迴路的濾波元件R、C2摺合到射極迴路,相當於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係數β=50,如果用一般RCπ型濾波器所需電容容量為1000μF,如採用電子濾波器,那麼電容只需要20μF就滿足要求了。採用此電路可以選擇較大的電阻和較小的電容而達到同樣的濾波效果,因此被廣泛地用於一些小型電子設備的電源之中。

電容在電路中的作用及電容濾波原理

電容自諧振頻率表 2009-02-02 16:13

根據LC電路串聯諧振的原理,諧振點不僅與電感有關,還與電容值有關,電容越大,諧振點越低。許多人認為電容器的容值越大,濾波效果越好,這是一 種誤解。電容越大對低頻干擾的旁路效果雖然好,但是由於電容在較低的頻率發生了諧振,阻抗開始隨頻率的升高而增加,因此對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麼短嗎?)。

電容值自諧振頻率(MHz)電容值自諧振頻率(MHz)1m F1.7820 pF38.50.1m F4680 pF42.50.01m F12.6560 pF453300pF19.3470 pF491800 pF25.5390 pF541100pF33330 pF60


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