电容器在电路中的作用

1电容器在电路中的作用王昌辉电容器是收音机中最常用的元件之一。这里简单介绍电容器的基本性能和它们在电路中的作用。电容器能够贮存电荷我们经常用万用表检验大容量的电容器（例如几个微法以上的电解电容器）。把万用表拨到R×IK档,用两只表笔接到电容器的两端（如果是电解电容器，应注意把黑表笔接电容器正端），这时表针突然有很大偏转。然后慢慢往回走，最后差不多回到原来的位置。这就说明这只电容器是完好的。这个现象可用图1的简化电路来说用。万用表的电阻挡相当于电池E和电阻R、电流表M相串联。当表笔接到电容器C两端时，电容器极板A上的电子就被电源正极吸引过去，而电源负极把同样数量的电子送到电容器极板B上。或者说电容器极板A上聚集起正电荷，极板B上聚集了相同数量的负电荷。我们把这种现象叫做电容器的“充电”。充电时候，由于电子运动，在导线里就有电流，因此，万用表的指针偏转。正负电荷聚集在两个极板上。就在两极板间形成了电压。随着电容器两端电荷不断增加，这个电压由小逐渐增大，因而充电电流就逐渐减小。当这个电压V等于电源电压E时，充电就停止，导线中就没有电流。因此万用表指针就回到最左端。由于电容器两个极板之间是用绝缘材料隔开，虽然电容器两端有电压，但是电荷不能从极板间通过。所以电容器有隔断直流电的作用。就这样，电容器两个极板上各集聚了电量+Q和-Q，而两端间的电压V等于电池电压E。如果把表笔离开电容器，电容器的极板上就贮存了电量Q。这一点可以通过实验来证明。如图2所示，利用万用表测电流的微安档，把红表笔接电容器A端（在表笔前面串一个15K左右的电阻R），把黑表笔接B端，这时表针一下子偏转到最大，然后逐渐回到零。这说明用导线把已经充了电的电容器两极板短接起来后，B端极板上的电子会很快从导线里跑到A端。由于电子的运动，导线里就有电流。最后，电容器两个极板上不再带电，电压也就消失。这种现象叫做“放电”。通过以上实验，我们看到电容器的确能够贮存电荷。这是它最基本的特性。电容器的电容量C，就是说明它贮存电荷的本领的。电容器所贮存的电量Q正比于电容量C与电容器两端间的电压V的乘积，即Q（库仑）=C（法拉）V（伏特）．（1）这就是说，在相同的端电压下，不同的电容器所贮存的电量也不同。电容器的容量C越大，它所贮存的电量就越大。另一方面，对于同一个电容器。它两端的电压越大，贮存的电量就越大。交流电是怎样“通过”电容器的？前面说过，电容器是不能通过直流电流的。两极板间有很好的绝缘材料，电荷很难通过它跑到对面的极板上去。当把直流电压加到电容器上的一瞬间，电路中产生了充电电流。以后电路中就没有电流了。2对于交流电，情况就有些不同。设在电容器上加一个交流电源，如图3所示。交流电源的方向和大小是在不断变化着。当电源电压上端为正并且继续增长时，就向电容器上端充正电荷，电流方向如图中实线箭头所示。随后电源电压开始减小，电容器就通过电源放电，电流方向如图中虚线所示。以后电源电压改变方向，下正上负，开始向电容器下极板充正电荷，这个反向充电电流的方向和刚才的放电电流方向一样，也如图中虚线所示。反向电压增到一定大小后，开始减小，电容器又开始反向放电（实线箭头）。这个过程反复进行。虽然电容器两极板间仍然没有电荷通过，但是电路中却形成了方向和大小都随时间而变化的交流电流，就好象电容器能通过交流电一样。3电容器的电抗现在进一步看看，图3电路中所产生的交流电流的大小和什么有关。在电源电压的幅度E不变的情况下，电容器在电压达到最大值E时贮存的电量最多，此时Q=CE。如果电源频率f不变，那么，C越大，Q就越大，充放电的电流就越大，或者说电路中的交流电流越大。如果电容量C不变，即Q不变，那么，频率f越高，电容器充放电一次的时间就越短，也就是说电容器从零充电到Q或从Q放电到零所用的时间越短，电荷的移动加快，所以电路中的交流电流增大。这就说明了容量C及频率f不同时，电容器对交流电流有不同的抵抗作用。电容器对交流电流的抵抗作用就叫做电抗，用XC表示。XC的计算公式如下：XC=12πfC(2)式中XC的单位是欧，f的单位是赫，C的单位是法拉，π=3.1416。这个公式说明，电容量越大，频率越高，电容器的电抗就越小，交流电流就越容易通过它。如果加在电容器两端的电压幅度为E，电容器的电抗为XC，那么，“通过”电容器的交流电流的幅度I=EXC它和直流电流通过电阻时的欧姆定律相似。这就是欧姆定律应用于交流电路的情况。电容器在电路中的作用把前面所谈的总结一下就是：电容器不能通过直流电，但是能“通过”交流电。电容器的容量越大，电流的频率越高，它的容抗就越小，交流电流就越容易“通过”。电容器的这一基本特性，在无线电电路中得到了广泛的应用。我们以图4的两管收音机为例来说明图中各个电容器的作用。4先看一下电容器C5。它有两个作用。第一是隔断A、B两点间的直流通路。从这个观点来看可以把它叫做隔直流电容器。我们实际测量一下，就知道A点对地的直流电压是-3伏到-5伏，而B点只有负零点几伏。如果把A、B两点直接连起来，就破坏了BG1和BG2两个晶体管的静止工作状态，使收音机不能正常工作。C5的另一个作用是能通过交流音频信号，把BG1集电极的输出信号耦合到BG2的基极去进一步放大。从这个观点来看，可以把C5叫做耦合电容器。这个电容器对音频信号的容抗应当较小。例如，10微法的电容器对400赫音频电流的容抗，根据式（2）可以算出约为40欧。如果我们把C5改用成0.02微法的电容器，可根据式（2）算出它对400赫信号的容抗为20千欧，信号很难通过，因而收音机的音量显着减小。再看一下C2。设它的容量为0.02微法。它对1000千赫的电台高频信号的电抗约为8欧，所以线圈L2中的高频信号能顺利地加到三极管BG1的发射结上以进行放大。另一方面，这个电容器还能把检波后残余的高频成分旁路掉。前一段曾经算出，0.02微法的电容对400赫的容抗约为20千欧，这个数值相当大，所以音频信号不致被旁路。如果C2取得太大，对音频信号容抗太小，那么检波后得到的音频信号也会被它旁路掉，加到发射结上的音频电压很小，得不到足够的放大。如果不要C2，直接把L2下端接到BG1的发射极，那么音频信号和直流偏压都被短路而加不到发射结上，收音机就不能正常工作。CZ是一个半可变微调电容器。放大了的高频信号通过L3、CZ构成回路，回授（反馈）到输入调谐回路，使高频信号得到加强。如果把CZ的容量调大些，它的容抗减小，就能增加高频信号的回授量，使再生加强。在CZ调好，容量固定以后，由于容抗与频率成反比，所以在收听中波波段的高频端（例如1480千赫）的电台时，CZ的容抗较小，再生较强，灵敏度和选择性较好；而在收听低频端（例如640千赫）的电台时，CZ的容抗较大，再生较弱，灵敏度和选择性较差。C3的容量为100微微法，它对高频信号容抗较小（对1000千赫高频信号的容抗约为1.6千欧），所以高频信号不通过高频扼流圈L4送到下一级，而是通过C3加到检波器上进行检波。另一方面，C3对音频信号的容抗较大（对400赫音频信号的容抗约为4兆欧），所以被放大的音频信号不通过C3，而是通过L4加到下一级晶体管的基极去。此外，对检波电路而言，C3还起着隔直流的作用，防止电池负极经过R3、L4直接通到D2，这样才能保证检波器的正常工作。C4（0.02微法）对1000千赫高频的容抗为8Ω，可以把从L4漏过来的高频信号进一步旁路掉；它对400赫音频信号的容抗约为20千欧，所以对音频信号没有显着的旁路作用。并联在电池上的电容器C6的容量很大（50微法），对低频信号的电抗较小。在电池用旧内阻增大时，C6并在电池内阻上，对低频信号起旁路作用，以防止各放大级通过电池内阻的耦合产生有害的低频振荡。最后简单提一下C1的作用。它和天线线圈L1组成了调谐回路。改变C1的容量，就可以改变调谐回路的谐振频率，使它只对某一频率的电磁波发生谐振，达到选择信号的目的。（王昌辉）