图表细说电子工程师速成手册(第2版)
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3.6 解说电容串联电路和并联电路特性

3.6.1 解说电容串联电路及特性

图3-33所示是电容串联电路。电容串联电路的电路形式与电阻串联电路一样。电路中,电容C1和C2相串联。如果将电容器的容抗用电阻的形式来等效,可以画成等效电路,R1和R2串联电路,如图中所示。

图3-33 电容串联电路

电容串联电路的一些基本特性与电阻串联电路一样,但由于电容器的基本特性与电阻器的特性有所不同,所以这一电容串联电路的工作原理和电阻串联电路的基本特性也有所不同。

1.解说电流特性

由于电容的隔直作用,所以该串联电路不能通过直流电流。

根据串联电路的特性,流过各串联电容的电流相等,这一点与电阻串联电路一样,也是各种元器件串联电路的共同特性。由于流过各串联电容的电流相等,所以无论串联电路中的电容其容量是多大,每只串联电容所充到的电荷量是相同的。

2.解说电容串联越多总容量越小

电容器串联之后,它仍然等效为一只电容器,但总的容量将减小。如图3-34所示是电容串联电路的总电容等效电路,它等效成一只电容C。

图3-34 电容串联电路的总电容等效电路

电容器串联电路中,各电容串联后总电容的倒数等于各串联电容的倒数之和,即 1/C=1/C1+1/C2+1/C3+…,这一点与电阻并联电路相同。

记住一个特殊情况,当两个容量相等的电容串联后,其总电容为串联电容容量的一半。例如,两只6800pF 串联,它的总容量为3400pF,如图3-35所示。

图3-35 电容串联电路举例

虽然电容器在串联之后总容量减小,但是电容串联电路能实现一些电路功能。

3.解说电容串联电路的电压特性

电容器串联电路中,各串联电容上的电压(降)之和等于加在这一串联电路上的电源电压,即 U1+U2=U,如图3-36所示,这一点也与电阻串联电路一样,也是各种串联电路的基本特性。

图3-36 电容串联电路电压特性示意图

串联电路中,容量大的电容上的电压降小,容量小的电容上的电压降(电容两端的电压)大,如图3-37所示,当电容C1大于C2时,电压U1小于U2,电容电路分析中了解这一点对识图中抓住主要矛盾(容量小的电容器)是很重要的。

图3-37 电容串联电路中容量小的电容上压降大

记忆电容器串联电路这一特性有两种方法:

(1)看它的电阻等效电路。在串联电路中,流过各电容器的交流信号电流其频率是相同的,由于C2容量小,所以C2的容抗就大,相当于电阻R2大,而在电阻串联电路中阻值大的电阻上的电压降大。所以,电容串联电路中大部分电压是降在了容量小的电容器上。

(2)利用电容器两端的电压计算公式 U=Q/C来理解。由于是电容串联电路,流过各电容的电流是相等的,也就是对串联电路中各电容内所充电的电荷量相等,即C1和C2电容中的电荷 Q相等,而电容两端的电压与容量大小成反比,所以 C2 的容量小,电容 C2 两端的电压大。

有时电容串联电路分析还需要从另一个角度来理解,当某一个电容的容量远大于其他电容器的容量时,容量大的电容相当于通路(可理解成大电容的容抗与其他电容的容抗相比太小而可以忽略不计),此时电路中起决定性作用的是容量小的电容。

3.6.2 解说电容并联电路及特性

电阻器有并联电路,电容器也有并联电路。但是,与电阻器并联相比,由于电容器的特性比电阻器复杂得多,所以电容电路并联也比电阻电路复杂,这里的复杂是指电路分析的复杂和对电路工作原理理解的困难。

纯电容电路就是电路中只有电容器的电路,这里只介绍电路中只有电容时电路的工作原理及电路分析方法。

在分析电容电路之前,必须掌握前面所介绍的电容器有关基本特性。电容器特性很多,在分析不同的电路时要用到它不同的特性。只有熟练掌握电容器的各主要特性,才能在电路分析过程中灵活运用这些特性去分析电路的工作原理。

图3-38所示是电容并联电路,电路形式与电阻并联电路一样。电路中的电容器C1与C2并联。电容并联电路也有与电阻并联电路相同的特性,但由于电容器本身的特性决定了这一电路也有它自己的一些不同于电阻并联电路的特性。

图3-38 电容并联电路

由于电容C1和C2是并联的,这样这两只电容器将接在同一个交流信号源电路中,所以加在C1和C2上交流信号的频率是相同的,而且加在各并联电容器上的交流信号电压大小也是一样的。

1.解说电流特性

电容并联电路中,交流信号电流将分别流过电容C1和C2,在同样的交流信号下,信号的频率越高,流过各并联电容的交流电流越大。电容支路中,容量大的电容因为容抗小而电流大,容量小的电容因为容抗大而电流小,如图3-39所示。

图3-39 电容并联电路电流特性示意图

电容器并联电路中,由于流过各电容的电流可能不相等(只有两只电容的容量相等时,其电流才相等),所以对各并联电容的充电电荷量可能不相等,容量大的电容因充电电流大而充到的电荷多。对一只电容器的充电电荷多少,与对该电容器的充电电流大小成正比关系。

2.解说电容器并联容量越并联越大特性

两只或更多只电容器并联之后,相当于一只电容器,只是容量增大。如图3-40所示是电容并联等效电路示意图。

图3-40 电容并联电路等效电路

在电阻器的串联电路中,串联电路的总电阻是越串联越大,对电容器电路而言是容量越并联越大。

电容器并联电路的这一特性可以这样去理解和记忆:电容器是存储电荷的元件,水缸是储水的,多只水缸并排放置可以存放更多的水,电容器并联后就能存储更多的电荷,所以电容器并联后并联电路的总容量会增大。

电容器并联电路中,并联后总电容等于参与并联各电容的容量之和,即 C=C1+C2+C3+…。例如,两只3300pF的电容器并联,总的容量为6600pF,如图3-41所示。

图3-41 电容并联电路总电容量示意图

从理论上讲,在电容器并联电路中,如果有一只电容器的容量远大于另一只电容器的容量,那么起决定性作用的是容量很大的那只电容器,因为在相同的交流信号频率下容量大的电容器其容抗小。但是,实际情况并非如此简单,由于大容量的电容在制造上的原因不可能成为一个纯电容,它还存在着感抗的特性,造成对高频信号的阻抗增大,关于这一点将在后面的电解电容器电路中详细讲述。

3.解说电容器并联电路不能流过直流电流的特性

电容器电路中,由于电容器本身的特性,它不能让直流电流通过,所以电容器的并联电路也不能让直流电流通过,每个电容并联支路中也没有直流电流流过,这一特性与电阻器的并联电路不同。

4.解说电容器并联电路电压特性

电容器并联电路中,各电容器上的电压相等,这也是各并联电路的共性。

5.电容器并联电路的等效分析

前面电路中已经介绍,电路中的某些电子元器件可以等效成电阻电路来理解和进行电路分析,如图3-42所示是电容器并联电路的电阻等效电路。从电路中可以看出,将电容器C1和C2分别等效成R1和R2,这样可用电阻器并联电路的许多特性来分析这一电容器并联电路。

图3-42 电容器并联电路的电阻等效电路

不仅电容器并联电路可以这样去进行等效,电容器的其他电路也可以进行同样的等效。当然,在进行这种等效之后,对等效后的电路分析并不能完全按照电阻器电路的那套分析方法,它们之间也有不同,这里说明下列几点注意事项:

(1)由于是电容器的等效电路,所以这里的等效电阻R1、R2并不是实际意义上的电阻器,而是电容器C1、C2的容抗。所以,这个R1、R2支路中是不能让直流电流通过的。

(2)这种电阻电路的等效方法,往往只是在分析电容器阻碍电路中交流电流流动时才用,其他元器件进行电阻电路的等效也是这种情况下的等效。