电容基础1——储能和滤波

电容，是一个容器，以电场的方式储存着能量。

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一、电容的经典电路

储能需要充放电，一个经典的对电容进行充放电的电路如下：

图1-电容充放电电路

其中，左侧电阻是限流电阻，用于限制电容充电的电流；右侧电阻代表负载。再者，左侧开关称为充电开关；右侧开关称为放电开关。

这个电路的工作模式如下：

• 当充电开关闭合，放电开关断开的时候，电源对电容进行充电。
• 当充电开关断开，放电开关闭合的时候，电容对负载进行放电。

你可能觉得奇怪，既然有电源存在，为何不让电源直接给负载供电呢？

这有很多种原因，常见的比如电源供电不稳定，需要电容来缓冲；另外，就算电源是稳定的，放一个电容在这，可以增加电流驱动能力，譬如很多电动助动车在电机上增加了启动电容，这种电容能够提供比电池大的多的输出电流，让车辆瞬间提速。

图2-电动助动车启动电容

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二、电容的充放电过程（直流）

让我们来模拟一下电容的充放电过程，重点关注电容上的电压和电流变化。

1. 电容充电过程

我在限流电阻和电容上增加了电压表，电路仿真软件可以查看这两个电压表的波形。对于限流电阻上的电压波形，除以其阻值，就是充电回路上电容的电流波形，两者波形的形态应该是一致的。

图3-电容充放电电路上增加了电压表

注意看如下充电过程动画：

图4-电容充电过程动画

初始的时候，闭合放电开关，为的是放光电容上的电；然后断开放电开关，闭合充电开关，电容开始充电，充电过程很快完成。黄色波形代表电容上电压变化；绿色波形代表限流电阻上电压变化，同时也代表着充电回路上电流变化的趋势。

可以看到在充电开关闭合瞬间，电容上电压为0V，回路电流非常大；而充电完成之后，电容上电压为5V，等于电源电压，回路电流为0。

这意味着：电容刚开始充电的时候，电容相当于短路；而电容充电完成的时候，电容相当于开路。

2. 电容放电过程

我们来看电容的放电过程动画：

图5-电容放电过程动画

初始的时候，闭合充电开关，为了充满电容上的电；然后断开充电开关，闭合放电开关，电容开始放电，放电过程很快完成。黄色波形代表电容、负载上电压变化，同时也代表着放电回路上电流变化的趋势。

可以看到在放电开关闭合瞬间，电容上电压为5V，放电电流最大；然后电压和电流逐步减少，最终都为0，表示电容放电完毕。

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三、电容的充放电过程（非直流）

前文说的是电容在直流电源情况下的充放电过程，下面我们来看在非直流电源情况下的充放电过程。

以下是一个交流电经过二极管半波整流后得到一个非直流波形，加载在电容上。这种电源相当于是一个只有上半部的正弦波。

图6-非直流情况下电容充电过程动画

其中，蓝色波形代表电源（上半部的正弦波），绿色波形表示限流电阻上电压变化（充电回路电流波形趋势类似），黄色波形表示电容和负载上的电压变化。

可以看到对于黄色波形，电容和负载上的电压变化呈现锯齿状波形，说明电容在周期性地进行充放电。

如果我们将电容从100uF增大到500uF会怎么样？

图7-非直流情况下电容充电过程动画（电容更大）

可以看到锯齿状波形的波动幅度明显变小了。这是因为电容通过储存能量，起到了平滑电源输出的作用，这称为“滤波”。电容越大，储存能量的本事越大，滤波的效果越好，于是锯齿波的波动就变小了。

不知道你有没有玩过气泵，与这个过程相似，以气钉枪为例，压缩机（泵）相当于电源，气罐子相当于电容，气钉枪相当于负载。

图8-气泵类比

压缩机压缩空气，将经过压缩的空气储存进罐子里，于是罐子里的压力很高，每次使用气钉枪的时候，会释放掉罐子的一些压力。如果每打一轮枪，就开动压缩机补充空气的话，罐子的压力波动就是锯齿状的。罐子越大，其波动幅度就越小。再想一下电容是不是也是这样？我使用这个真实世界常见的例子类比，希望对你理解电容的储能和滤波有所帮助。

（全文完）

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