2.4 电容器的特性

2.4.1 隔直流通交流特性

电容器具有隔直流通交流的特性，下面结合图2-22所示进行讲解。

先按图2-22（a）所示将6V直流电源、电容器、灯泡、开关串联起来，在开关闭合后，灯泡并不能发光，说明电容器不能通过直流电，具有隔直流电的特性。

再按图2-22（b）所示，用交流电源代替直流电源，在开关接通之后，灯泡能够发光，说明电容器具有传导交流电的特性。若以不同电容接入电路，能明显看到，电容小时灯光较弱，电容大时灯光较亮。这表明电容越小对交流电阻碍越大，电容越大对交流电阻碍越小。

再用导线代替电容器，如图2-22（c）所示，在开关接通后，会看到灯泡明显增亮，这进一步证实了电容器对交流电有一定的阻碍。

2.4.2 电容器储存电量的特性

1.简单的电路

如图2-23（a）所示是一个录音机的电源电路，XP为电源插头；S是电源开关；T是电源变压器；VD是整流二极管；C是电解电容器，也就是电路工作时储存电量的电容器。

插头XP插入220V交流（用AC表示）电源，再连通开关S，220V交流电压便加到变压器的①、②两端，经变压器变成为6V低压交流电，从③、④两端输出。6V交流电压再由二极管进行半波整流，就可源源不断地给电容器充电，取得直流电压。其目的是给需要用电的录音机电路提供直流电源。

通常，在不讨论负载的电路时，允许不画出录音机电路，只用一个方框图代表，如图2-23（a）所示。

2.电容器储电的过程

变压器③、④端输出6V交流电压的波形如图2-23（b）所示，称为正弦波电压。经过二极管整流后，从右端送出的电压就变成为图2-23（c）所示的波形。这种电压波形，既不是图2-23（b）所示的正弦交流电压，也不是图2-23（d）所示的直流电压，而是连续不断、时高时低、时有时无的电压，称为脉动电压。脉动电压只对应坐标纵轴正方向，波形越向正方向发展，表示电压越高。这表明二极管送出的电压只有正值没有负值，这正是给电容器充电所希望达到的。

脉动电压如果直接加到负载电路上，将导致电路不能正常工作或损坏元件，因为负载电路中含有必须使用直流电源的电子元件，所以就得将脉动电压变成直流电压。利用电容器的储电特性就能将脉动电压变为直流电压。电容器的储电原理如下。

（1）无负载的充电状况。电容器充电过程较复杂，这里仅简要说明一下。开关S未连通之前，二极管右端无脉动电压输出。此时，电容器的两端没有外加充电电压，两极板上就未充入电荷，两极间的电压为0。

开关S连通后，二极管右端便输出脉动正电压加到电容器两端，开始对电容器充电。下面以图2-23（c）中一个脉动波为例来讲解充电的过程。为了清楚地说明问题，先将这个脉动波放大如图2-23（e）所示，并在电压波形上标出A、B、C、D、E五个波形点。

脉动电压从A点逐渐向B点升高时，电容器正极板上的正电荷逐渐增多，负极板上的负电荷同时增多。两极板间的电压逐渐增大，这是在给电容器充电，也是电容器在储电。

当脉动电压达到B点的3V时，电容器上充得的电压也升高到3V。

当脉动电压从B点继续向C点升高时，将继续向电容器充电，正极板上正电荷将继续增多，负极板上负电荷也同时增多，两极板间的电场进一步增强，电压就升高而超过3V。

当脉动电压升高达到波形C点的6V（最大值）时，电容器两极板间充得的电压也达到6V（最高值）。

当脉动电压从最高的C点向D点变低时，外加电压就低于电容器上已充得的6V电压，所以不再向电容器充电。当脉动电压从D点向E点继续变低时，外加电压更低，电容器上保持已充得的6V电压并不降低。

电容器上充得的6V电压若用示波器观察其波形，就是如图2-23（d）所示的直线，属于直流电压，这种直流电压才能供负载电路实用。这也是电容器储电的原理。

（2）有负载的充电状况。实际中，脉动电压在给电容器充电的同时，也在给负载供电。在脉动电压由波形A点向C点变化、电容器两端电压由0V向6V变高时，加给负载的电压也是由0V向6V增高。

脉动电压在由波形C点向E点变低时，外加电压不但不向电容器充电，而且向负载电路提供的电压也降低。这时负载电路的工作就靠电容器上储存的电量来维持，使电容器极板上的电荷逐渐减少，这一过程称为电容器放电。随着电容器放电的进行，其两端电压不断降低。当放电使电压降低到一定值时，第二个脉动电压又到来，从而补充电能。一方面向负载供给电能，另一方面又给降低了电压的电容器再充电，从而使负载电路能够连续工作，也使电容器始终储存一定的电量。

电容器的储电特性，与充电电压、负载大小有关，与电容器的电容有关。一般来讲，电容器的储电量随充电电压升高而增大。但充电电压不能超过电容器的耐压，否则有击穿与爆破的危险。图2-23（a）中最高充电压是6V，而电容器的耐压为12V，能够承受。

根据电容与电量的关系Q=UC可知，在充电电压U相同时，电容C越小则电容器储存的电量Q就越少，不能长久地为负载电路提供直流电源。相反，电容C越大则电容器储存的电量Q就越多，就能为负载电路提供更稳定的直流电源。因此，图2-23中的电解电容器C实际选用了1000μF的大电容，可以储存较多的电量，保证负载电路能够稳定可靠地工作。

在充电电压和电容确定后，电容器储电多少就由负载来决定，负载较大（等效电阻较小）时，消耗电量就多，电容器上的电量损耗就大，剩存电量就少；负载较小（等效电阻较大）时，消耗电量少，电容器中剩存电量就多。这表明电容器储存电量多少与负载大小有关。

电容器的储电特性多在电源电路中应用，其储电作用通常称为滤波，实质是充电、放电将脉动电压变成为直流电压。电容器的储电特性为设计电路、选用电容器提供了重要的原理依据。

2.4.3 电容器传导信号的特性

电容器可储电，而它更多的是用来传导信号。所谓信号，一般是弱电流、小电压的交流电。交流电就是指大小和方向随时间作周期性变化的电流（或电压）。下面分几点来讲述电容器传导信号的原理。

1.传导正半波信号原理

图2-24（a）所示是用示波器观察交流信号的一个周期波形，一部分在横轴上方对应纵轴正值，为信号正半波，其电压称为正半周电压。也有一部分波形在横轴下方对应纵轴负值，为信号负半波，称为负半周电压。下面结合图2-24（b）所示讨论电容器传导正半波信号的原理。

当信号由a点向b点变化时，电压逐渐升高，等于将图2-24（b）中信号电源正极加到电容器A极板，而电源负极通过电阻器R加到B极板。于是使A极板上正电荷逐渐增多，B极板上负电荷增多，这就是信号电压对电容器充电。极板上的电荷情况如图2-24（b）所示。充电过程中，电荷移动就形成了充电电流，电流方向如图中灰色实线箭头所示。

正半波充电电流流过电阻器便产生电压，称为正半波电压。充电电压由a点向b点增大时，充电电流也越来越大，电阻R上产生的电压也随着增大。

当信号电压增大到b点时，充电电压达到最大值，两极板聚集的电荷最多，产生的电场最强，电压最大。这时形成的充电电流最大，电阻R上产生的电压也达到最大。

信号电压从b点向c点变化时，正电压降低，当低于两极板间电压时，不再向电容器充电。相反，随着信号电压降低，使两极板上已“充入”的电荷“退出”，形成电容器放电，并在电路中产生放电的反方向电流，如图2-24（b）中灰色虚线箭头所示。反向电流流过电阻R时，就在电阻上产生逐渐减小的电压。

由上面讨论可知，信号电压正半周是由升高和降低两部分组成，当加到电容器上时，就相应产生充电和放电，形成正向增大电流和反向减小电流，在电阻器上产生上升和下降的电压，于是在电阻上取得的正半波电压与信号正半波电压完全相同（忽略电容器的损耗）。可见，信号电压就通过电容器传到电阻上，表明电容器有传导信号的特性。

电容器传导信号时，A极板电荷并没有跑到B极板上，B极板的电荷也没有跑到A极板上，这一过程是通过充、放电实现的。这是以一种特殊方式传导信号，常称为耦合信号，耦合信号的电容器就叫耦合电容器。

图2-24（a）中信号波形变化到c点时，与横轴相交，对应纵轴0值，表明此刻信号电压为0V。这等于图2-24（b）所示电路中没有信号电压，既不对电容器充电，也不产生电流，电阻器上不形成电压，相应为0。

2.传导负半波信号原理

电容器传导负半波信号的原理，结合图2-24（c）所示来讨论。

当信号电压由c点向d点变化时，电压负极加到电容器A极板，电压正极通过电阻器加到B极板。随着电压朝负向由小增大，使B极板上正电荷增多，同时使A极板上负电荷增多，并对电容器充电，充电电流的方向如图2-24（c）中灰色实线箭头所示。此时极板上的电荷情况如图中所示。负半波充电电流流过电阻器R产生的电压称为负半波电压。随着充电电压由c点向d点朝负向增大，电阻R上产生的电压也朝负向增大。

当信号电压增大到d点时，负向充电电压最大，两极板上聚集的电荷最多，极板间电压最大，B极板电位高于A极板电位。这时形成的负半周充电电流最大，电阻器上产生的负半波电压也最大，如图2-24（c）所示。

在信号波形从d点向e点变化时，信号电压低于两极板间电压，不再向电容器充电。相反，随着负半周信号电压降低，电容器开始放电，在电路中形成反方向电流，如图2-24（c）中灰色虚线箭头所示。当反向电流流过电阻R时，就产生逐渐减小的负半波电压。信号负半周电压便通过电容器传到电阻R上。

需要指出，电容器在传导信号中，都会产生一定损耗，使电阻器上信号电压变小。

图2-24中，信号电压是加到电容器上，称为输入电压或输入信号。在经电容器传送到电阻上后，就称为输出电压或输出信号。

2.4.4 电容器的容抗特性

1.电容器的电阻

电容器对直流电和交流电都有阻碍作用，但呈现出的电阻值不像电阻器那样单纯。

电容器在直流电路中应用时，由于有隔直流作用，并不导通直流电流，所以呈现的电阻特别大，主要表现为介质材料的绝缘电阻。反过来讲，就因为电容器绝缘电阻非常大，通常认为不导通直流电，只能储存直流电。

电容器在交流电中应用时，输入电压的大小和方向是按“0→+→0→−……”的规律周期性变化，使电容器交替进行充电、放电，形成电路的往返电流，完成信号导通。

电容器导通交流电时，介质损耗和金属损耗总是存在，有损耗就有电阻。这种电阻不是用电阻率能定义的，它类似一个特殊的电阻器，既能导通电流，又要阻碍电流，是电容器表现出的一种特殊性质，常称为“容抗”。容抗是电容器对交流电呈现的电阻，它与电容大小和交流电频率有关。

电容器的绝缘电阻远大于它的容抗，对传导信号没有实质性影响，因此在讨论电容器传导信号时常将绝缘电阻忽略，只考虑电容器容抗。

2.容抗和电容的关系

电容器在交流电路中使用时，电容越小，容抗就越大，输出的交流电压就越小；相反，电容越大，容抗就越小，输出的交流电压就越大。这一特性的原理，可由图2-25所示进行分析。

比较图2-25（a）、（b）所示可看出，输入电压U、交流电频率f、负载电阻R都相同，但C1的电容比C2小，就使得C1的输出电压U1比C2的输出电压U2低。

因为C1较小，输入电压 U 在给C1充电时，形成的充电电流就小，使R上产生的电压U1低。而C2较大，形成的充电电流大，R上产生的交流电压 U2就大些。这就是电容小时容抗大、电容大时容抗小的原理。

另外，从图2-25（c）、（d）所示可看出，由于电容器存在容抗，不管C1或C2的电容是多大，它们的输出电压总比输入电压小。这表明容抗会使电容器的输出电压减小，进一步说明电容器对交流电存在着电阻。

3.容抗和频率的关系

交流电中工作的电容器，如果交流电频率降低，容抗将增大，输出电压就小。相反，交流电频率升高，容抗就减小，输出电压就大。容抗与交流电频率的关系，可结合图2-26所示来分析。

图2-26（a）、（b）中，两个电容器的电容相等，两个负载电阻器的电阻值相等，输入电压相等。但交流电频率f1比f2低，就使输出电压U1比U2低。

由于输入电压频率 f1 较低时，周期较长，电容器充放电形成的电流小，在电阻器上产生的电压U1就低。这表明电容器传导低频交流电时容抗较大。

同理，输入电压频率 f2较高时，周期较短，电容器充放电形成的电流大，在电阻器上产生的电压U2就高一些。这又表明电容器在传导高频交流电时容抗较小。

上述分析再次表明，容抗与电容大小和交流电频率高低有关，具体关系为

式中，XC表示电容器的容抗，单位为 Ω；f 表示交流电的频率，单位为Hz；C 表示电容器的电容，单位为F。

所以这个关系式就可叙述为：电容器的容抗大小与电容成反比，与交流电频率成反比。