電容在電路中的作用詳解-02

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本篇脈絡

3.4 溫度補償電容

由於部分元器件在不同的溫度條件下,工作性能易受溫度的影響,從而導致電路工作不穩定的情況。因此引入溫度補償性電容器,來改善電路的穩定性。對於震盪電路而言,要求電容器的電荷容量不隨溫度改變,因此通過引入正溫度係數和負溫度係數電容器並聯來實現對電容器電荷容量穩定性的要求。當溫度改變,兩隻電容器電容量向相反方向改變,從整體上來看電容器的電容量並未隨溫度而改變,這樣也就實現了對電容器電容量穩定性的要求。

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電容器應用於溫度補償

3.5 測定元器件的延時

下圖是測定元器件延時參數的電路,電路中有兩個反相器、電阻和電容組成。綠色線條測量的是電源的電壓,紅色線條測量電容的充放電情況,粉色線條測量的是由RC電路組成的延時時間常數(電路圖中忽略了反相器的傳輸延時),實際電路中整個電路的延時也是可以測量的。

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測定器件延時電路圖

對於反相器,它有一個時間參數是閾值電壓,當反相器輸入端的電壓達到閾值電壓之後,輸出端電平發生跳變,因此可以看到紅色線條下降或上升到一定值的時候,粉色線條的電平就發生翻轉了。

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延時曲線圖

從仿真曲線結果可以看出,通過測量綠色線條和粉色線條的上升沿或者下降沿時間差,即可得到電路的延時時間參數。

3.6 選頻(調諧)-振盪功能

調諧也即調節頻率至諧振頻點上。就拿收音機來說,調諧選頻的概念是指在外界的無線電頻率有很多,我們通過旋轉旋鈕來使收音機產生特定頻率的信號與外界相同的無線電波的頻率發生諧振,也就達到了選臺的目的。

一般來說,調諧也即選頻是放大器所具有的功能,因為接受的無線電信號都比較微弱,我們接收到特定頻率的微弱信號,就需要對這一頻段的信號進行選頻(調諧)並放大,因此這樣的放大器也被稱為調諧放大器

振盪器是在諧振放大器的基礎上外加正反饋網絡。正如上所述,調諧放大器需要由輸入信號才能進行調諧,也才有輸出信號;而振盪器不需要外加交流信號,就可以產生特定頻率的交流信號,它是將直流電源提供的能量轉換成振盪信號的交流電能。

電容器在這兩種功能的電路里面都有應用,這裡僅介紹調諧電路的一般功能,調諧電路需要電容和電感發生諧振。

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二極管檢波電路(正反向)

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二極管檢波電路輸出

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捨去調製波之後的60Hz源信號和檢出的波形

以上3幅圖是二極管檢波代電路的原理圖和仿真結果圖。藍色是線條測量的是需要檢出的波形,綠色波形是疊加在信號上的高頻噪聲或者干擾,利用二極管的單向導電性以及電容的濾波特性,即可濾除信號中的高頻噪聲,得到所需要的有用信號,換句話說也即完成了60Hz信號的選頻。在

捨去調製波之後的60Hz源信號和檢出的波形中,可以發現輸出信號,相比輸入信號存在一定的延時。

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簡單調諧收音機

上圖是調諧收音機的簡單電路原理圖,左側部分是RC組成的選頻電路(可變電容,通過旋轉旋鈕調頻來實現選臺的功能),這部分電路首先將天線接收的信號進行選頻;經右側線圈感應出和選頻電路相同頻率的電信號,之後是二極管半波檢波電路(僅含一個二極管),高頻信號經電容接地濾除,音頻信號經揚聲器放大發出聲音。

:該電路只是一個調諧檢波電路的簡易模型,性能並不是最佳。

3.7 整流濾波電路

整流電路完成的功能是將交流電轉換為直流電,家庭用電電壓一般為220V的交流電,但是給手機充電的時候,就需要將交流電轉換為直流電。完成從220V交流電到5V/9V直流電轉換的電路包括變壓器整流電路濾波電路穩壓電路,經穩壓電路之後成為穩定的直流電源。變壓器完成從220V交流電到低壓交流電的變壓;整流電路完成整波或半波的電壓變換,得到的電壓是脈動直流;濾波電路里面會用到電容器,來降低脈動直流中的交流紋波,使整流後的電壓波形變得平滑。整個過程如下圖:

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交流點變直流電框圖

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常用整流電路分類

上圖顯示了常用整流電路的四種類型,分別是半波整流、全波整流、橋式整流電路和倍壓整流電路。半波整流電路是利用二極管的單向導電性得到的脈動直流;全波整流電路需要兩個次級線圈,且二者線圈匝數相等,利用兩個二極管得到全波的脈動直流信號;

橋式整流電路,是一種全波整流電路,相比第二種電路,次級線圈僅用一個,但多了兩個二極管,輸出波形二者相差不大;倍壓整流電路使用多個二極管和電容器搭建而成,這種電路輸出的脈動直流電壓幅值與次級線圈電壓成倍數,因此也稱為倍壓整流電路

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常用濾波電路

電容濾波電路利用電容的充放電達到濾波的效果,在脈動直流的上升段,電容器充電,充電速度快,而在脈動直流的下降段,電容器放電,放電速度慢【參照電容器充放電公式】;電感濾波電路利用電感對脈動直流信號的反向電動勢來達到濾波的效果,電感量越大,電路帶負載能力越強;RC濾波電路中交流紋波降落在R4中,R4和C3越大,濾波效果越好;LC濾波電路結合了電容濾波電路紋波小和電感濾波電路帶負載能力強的優點;我們知道電容量越大,濾波效果越好,但是電容的電容量不可能無限增大,因此有源濾波電路藉助於晶體管的放大作用來實現濾波的,由於該電路是二次濾波,在此電路前應加入電容濾波電路。

3.8 儲能

電容器的本身屬性即是儲存電能,利用這一原理目前已有商用的超級電容應用於汽車、發電等行業。

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超級電容模塊


至此,電容的常用功能就介紹完畢,綜合起來看各種多樣的功能均利用了電容的容納電荷的本能,也即充放電能力,而充放電速度快慢的考核指標是時間常數,這樣也就實現了各式各樣的濾波、補償等基本功能。


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