一篇讲透电容从“存电”到滤波、耦合再到电路板维修很多刚学电子的人第一次看到电容都会把它理解成电容就是一个小电池用来存电。这个说法不能算完全错但很不准确。电容确实可以储存电荷但它和电池的工作方式完全不同。电池依靠化学反应持续供电而电容更像一个“反应速度非常快的小水桶”可以快速充电也可以快速放电。在电路中电容不仅能存电还可以完成电源滤波电源去耦电压稳定信号耦合隔离直流延时定时储能启动谐振吸收尖峰电压手机、电脑主板、充电器、显示器、电源板上几乎到处都有电容。一、电容到底是什么最简单的电容由两块互相靠近、但没有直接接触的金属板组成。中间放着绝缘材料。结构大概是这样两块金属板之间不能直接导通。当电源接到电容两端时电源正极 ─────┤ │───── 电源负极 电容电源会把电子从一块极板移动到另一块极板。最终一边缺少电子表现为正电一边聚集电子表现为负电两边形成电压。虽然电容内部没有真正导通但是两块极板之间形成了电场。电容储存的能量实际上储存在这个电场里面。二、电容为什么能存电可以把电容想象成一个中间带橡胶膜的水管。水 ─────→ | 橡胶膜 | ←───── 水水不能穿过橡胶膜。但是左边水压增加时橡胶膜会被推向右边。右边的水也会移动。电容也类似。电容内部的绝缘层不允许电子直接穿过去但是一侧电子数量变化会通过电场影响另一侧。所以电容虽然不直接导电却可以产生电流变化。三、电容的容量是什么意思电容最重要的参数叫电容量符号C单位法拉F电容公式C Q ÷ U其中C电容量 Q储存的电荷量 U电容两端电压容量越大在相同电压下能够储存的电荷越多。例如1000μF 比 10μF 储存电荷的能力更强。但是法拉是一个非常大的单位。实际电路中经常使用单位名称换算F法拉1FmF毫法0.001FμF微法0.000001FnF纳法0.000000001FpF皮法0.000000000001F常用换算1F 1000mF 1mF 1000μF 1μF 1000nF 1nF 1000pF例如0.1μF 100nF 0.01μF 10nF 1000pF 1nF四、电容充电时发生了什么假设有一个5V电源 电阻 电容连接方式如下刚接通电源的一瞬间电容电压0V 充电电流最大随着充电继续电容电压慢慢升高 充电电流慢慢减小最后电容电压接近5V 充电电流接近0电压变化大概如下注意电容并不是瞬间充满。充电需要时间。五、什么是RC时间常数电阻和电容连接在一起会影响充电速度。时间常数公式τ R × C读作涛或者直接叫时间常数其中R电阻单位Ω C电容单位F τ时间单位秒例如R 10kΩ C 100μF换算10kΩ 10000Ω 100μF 0.0001F计算τ 10000 × 0.0001 τ 1秒充电大约是时间电容电压1个时间常数约达到最终电压的63%2个时间常数约达到86%3个时间常数约达到95%4个时间常数约达到98%5个时间常数约达到99%一般可以认为经过5个时间常数以后电容基本充满。六、电容为什么“隔直流、通交流”这是电容最重要的特点之一。常见口诀电容隔直通交。但是不能只背口诀要理解原因。1. 电容为什么隔直流假设给电容接稳定的5V直流电。5V ─────┤ │───── GND 电容刚接通时电容会充电所以有电流。充满以后电容两端电压稳定不再继续充电。电流接近0。所以稳定的直流不能持续通过电容。2. 电容为什么能通过交流交流电一直在变化。例如正电压 ↓ 0V ↓ 负电压 ↓ 0V ↓ 正电压电容就会不断充电 ↓ 放电 ↓ 反向充电 ↓ 反向放电于是电路中就会一直产生变化的电流。所以看起来像交流信号通过了电容。七、频率越高电容越容易通过电容对交流存在阻碍作用。这种阻碍叫容抗符号Xc计算公式Xc 1 ÷2πfC其中f频率 C电容量从公式可以看到频率越高 ↓ 容抗越小 ↓ 越容易通过电容同时电容量越大 ↓ 容抗越小 ↓ 越容易通过低频信号所以不同容量的电容会影响不同频率的信号。八、电容在电路中的常见作用1. 电源滤波很多电子设备需要稳定的直流电。但是交流电经过整流以后并不会立刻变成一条完全平稳的直线。完整过程是整流后的电压为什么还会波动交流电的电压会不断变化而且方向会周期性反转。波形大概如下经过二极管整流以后原来的负半周会被翻转到正方向。整流后的波形大概如下这时电压方向已经固定不会再变成负电压。但是电压大小仍然会不断变化接近0V ↓ 逐渐升高 ↓ 达到最高点 ↓ 逐渐降低 ↓ 再次接近0V这种电压叫脉动直流。它虽然已经是单方向的电压但是还不够平稳。没有滤波电容时整流后的电压会周期性升高和降低。整流后、没有滤波电容 电压 /\ /\ /\ / \ / \ / \ 0V ──/────\────/────\────/────\── 时间电压会从较低的位置升高到峰值然后再次下降。如果直接给电路供电可能造成电源电压波动较大电路工作不稳定音频设备产生交流噪声显示设备出现闪烁芯片供电质量变差因此需要加入滤波电容。加入大电容以后通常会把一个容量较大的电容并联在电源输出端。整流输出 ────────┬──── 负载 │ ─── 电容 ─── │ GND ─────────────┴────当整流电压升高时输入电压升高 ↓ 电容充电 ↓ 电容储存电荷和能量当整流电压开始降低时输入电压降低 ↓ 电容开始放电 ↓ 向负载补充电流 ↓ 减缓输出电压下降可以把电容理解成一个临时储能装置。电压较高时电容先储存一部分能量。电压降低时电容再释放能量补充输出电压。加入电容前后的区别电压不会立即下降到接近0V而是缓慢下降。下一次整流电压升高时电容又会被重新充电。因此输出电压会比原来平稳很多。滤波以后是不是完全没有波动不是。真实电路中的电压通常不会变成完全笔直的直线。滤波以后残留的小幅电压变化叫纹波。纹波越小说明输出电压通常越平稳。电容为什么可以减小纹波因为电容会不断重复下面的过程电压升高 ↓ 电容充电 ↓ 储存能量 ↓ 电压降低 ↓ 电容放电 ↓ 给负载补充能量 ↓ 电压再次升高 ↓ 电容重新充电电容不断进行充电和放电使原本变化很大的脉动直流变得更加平稳。常见的电源滤波电容电源滤波经常使用容量较大的铝电解电容例如470μF 1000μF 2200μF 4700μF容量越大通常可以储存更多电荷。在相同负载条件下电压下降速度可能更慢纹波也可能更小。但是电容并不是越大越好。容量过大可能造成上电瞬间电流过大整流二极管负担增加电源启动速度变慢电源保护电路误动作因此电容容量需要根据电路设计选择。2. 去耦电容CPU、单片机、芯片工作时电流会快速变化。例如芯片突然需要一股电流电源 ───────────── 芯片由于电源线路存在电阻和电感电流不能瞬间送过来。这可能造成电压突然下降。所以会在芯片旁边放一个小电容当芯片突然需要电流时附近电容快速放电 ↓ 给芯片临时供电 ↓ 防止供电电压突然下降所以芯片附近经常能看到很多0.1μF 1μF 10μF陶瓷电容。去耦电容最好靠近芯片电源引脚。因为距离越远线路产生的寄生电感越大。3. 耦合电容例如有一个音频信号直流偏置 音频交流信号后级只需要交流信号不需要直流电压。可以串联一个电容前级信号 ─────┤ │───── 后级 电容电容会阻挡直流。交流信号可以通过。最后得到去掉直流只留下交流信号。4. 储能闪光灯、电磁线圈、电源启动等电路需要短时间释放较大能量。电容可以先慢慢充电再快速放电。储存能量公式E ½CU²其中E能量 C电容量 U电压注意电压是平方关系。假设其他条件不变电压增加到2倍 ↓ 储存能量增加到4倍所以高压大容量电容可能非常危险。5. 延时和定时通过电阻给电容充电。电容电压慢慢升高。达到某个电压以后电路开始工作。例如上电 ↓ 电容慢慢充电 ↓ 达到设定电压 ↓ 芯片启动可以实现延迟启动 延迟关机 复位延时6. 吸收电压尖峰继电器、电机、变压器、电感断电时可能产生很高的瞬间电压。电容可以吸收一部分尖峰。防止MOS管损坏 三极管损坏 触点打火 芯片受到干扰九、电容有哪些种类不同电容适合不同用途。1. 铝电解电容外观通常是圆柱形。特点容量大价格低有正负极ESR相对较大使用时间长可能老化常见容量10μF 100μF 470μF 1000μF 2200μF常用于电源滤波 低频电路 储能2. 陶瓷电容外观可能是贴片形式主板上的小棕色贴片元件很多就是陶瓷电容。特点没有正负极体积小高频性能好ESR低适合滤除高频干扰常见容量100pF 1nF 10nF 100nF 1μF 10μF其中100nF 0.1μF0.1μF陶瓷电容是非常常见的芯片去耦电容。3. 钽电容常见外观特点体积较小容量较大稳定性较好有正负极过压或接反可能损坏部分钽电容短路后可能发热甚至燃烧。4. 薄膜电容常见外观特点无正负极稳定性好损耗较低耐压较高常用于交流电路 滤波 电机 谐振 高压电路5. 安规电容用于市电电路。X电容通常接在火线和零线之间示意L ─────┤ │───── N X电容Y电容通常接在火线或零线与地之间安规电容不能随便用普通电容替代。十、电容的正负极怎么看有些电容有正负极。有些没有。十一、电容耐压是什么意思例如电容写着1000μF 25V含义是容量1000μF 最大额定电压25V不能把25V电容长期用于超过25V的电路。例如电路电压 12V 使用25V电容通常可以但是电路电压 24V 使用25V电容余量太小更适合使用35V 或者更高耐压注意耐压越高不代表电容滤波效果一定越好。耐压只是表示电容能够承受多高的电压。十二、什么是ESRESR是等效串联电阻英文Equivalent Series Resistance真实电容不是完全理想的。可以把它理解成理想电容 一个小电阻等效电路──── 电阻 ────┤ │──── ESR 电容ESR越大电容发热越严重滤波效果越差高频性能越差输出纹波可能变大很多开关电源电容损坏后容量可能还没有明显下降 但是ESR已经变得很大这时普通万用表可能测不出来。使用ESR表更容易发现问题。十三、电容坏了会有什么表现常见损坏方式有1. 容量下降例如原来1000μF老化后只有300μF可能造成电源纹波变大设备启动困难屏幕闪烁电源反复启动2. ESR升高表现可能是电源不稳定带负载掉电芯片供电异常电容发热3. 电容短路电容两端直接导通。可能造成电源对地短路 ↓ 电源保护 ↓ 设备无法开机手机、电脑主板上贴片陶瓷电容短路比较常见。4. 电容漏电电容本来应该储存电荷。漏电以后电荷会慢慢流失。严重时会拉低电源电压。5. 电解电容鼓包例如顶部鼓起通常说明内部压力异常。可能已经老化或损坏。但是没有鼓包 不代表电容一定正常。有些坏电容外观完全正常。十四、万用表怎么测电容测量前注意必须先断电。大电容还要放电。方法一电容档测容量将万用表调到电容档符号可能是—| |—把表笔接到电容两端。读取容量。例如电容标称1000μF实际测量950μF一般可能还能使用。如果只有200μF说明容量明显下降。注意电路板上的其他元件可能影响测量。准确测量最好拆下一只脚。方法二电阻档判断短路将万用表调到电阻档。测量电容两端。正常大电容可能出现阻值从低慢慢升高原因是万用表正在给电容充电。如果一直接近0Ω可能存在短路。但是板上测量时不能直接认定就是电容坏。因为其他电路也可能造成低阻。方法三蜂鸣档测短路把万用表调到蜂鸣档。测电容两端。如果一直响可能存在短路但要注意CPU、GPU等低压大电流供电线路本身阻值就可能很低。蜂鸣不一定代表短路。不能只听蜂鸣声判断。最好测具体阻值并结合电路分析。十五、电路板维修时怎么找短路电容假设某个电源线路对地短路。主板上有几十个电容并联电源 ──┬──┤ │── GND │ ├──┤ │── GND │ ├──┤ │── GND │ └──┤ │── GND其中一只电容短路。因为这些电容并联万用表测每一只都会短路。所以不能仅靠蜂鸣档判断是哪一只。常用方法限流电源注入低电压 ↓ 观察哪个元件发热可以使用热像仪松香烟酒精挥发手感温度但是一定要控制注入电压 注入电流不能随便给低压芯片供电线路加高电压。例如CPU核心供电可能只有0.8V 1V 1.2V如果直接注入5V可能烧坏CPU。十六、电容并联以后容量怎么算电容并联┌──┤ │──┐ ───────┤ ├────── ├──┤ │──┤ │ │ └──┤ │──┘总容量C总 C1 C2 C3例如10μF 20μF 30μF并联以后总容量增加。所以主板经常用很多小电容并联。十七、电容串联以后容量怎么算电容串联────┤ │────┤ │──── C1 C2公式1 ── C总 1 1 ── ── C1 C2两个相同电容串联100μF 100μF串联总容量50μF串联以后总容量变小。十八、为什么电源旁边同时放大电容和小电容你可能看到电源旁边同时放1000μF 10μF 0.1μF原因是不同电容擅长处理不同频率。大电解电容容量大 适合处理低频电压波动 负责储能小陶瓷电容反应快 适合处理高频干扰 负责高频去耦可以理解为大电容负责“大动作” 小电容负责“快速小动作”所以不是有一个大电容就不需要小电容。十九、电容越大越好吗不是。例如原电路使用100μF不一定能随便换成10000μF容量太大可能造成上电冲击电流变大整流二极管压力增加电源启动异常保护电路误动作控制环路不稳定更换电容时通常优先遵守容量接近原值 耐压不低于原值 温度等级不低于原值 ESR特性合适二十、电容替换原则假设原电容是1000μF 16V 105℃通常可以换成1000μF 25V 105℃耐压更高一般可以。但是容量最好接近原值。例如1000μF换成1200μF很多普通滤波场景可能可以。但是1000μF换成10000μF不建议随意操作。开关电源输出电容还要注意ESR 纹波电流 高频特性不能只看容量和耐压。二十一、几个容易误解的问题误区一电容越大越好。错误。容量需要根据电路设计选择。误区二电容鼓包才是坏。错误。很多坏电容外观正常。误区三蜂鸣档响就是电容短路。错误。板上其他元件也可能造成低阻。误区四电容里面存的是电流。错误。电容储存的是电荷和电场能量。误区五电容能无限供电。错误。电容放电以后电压会下降。误区六耐压越高容量越大。错误。耐压和容量是两个不同参数。二十二、最后总结记住下面几句话就掌握了电容的大部分核心知识。第一电容由两个导体和中间的绝缘介质组成。第二电容可以储存电荷和电场能量。第三电容两端的电压不能突然改变。第四稳定直流不能持续通过电容。第五变化越快的信号越容易通过电容。第六大电容常用于储能和低频滤波。第七小陶瓷电容常用于芯片去耦和高频滤波。第八电解电容通常有正负极不能接反。第九维修电路板时容量正常不代表电容一定正常还要注意ESR、漏电和短路。第十更换电容不能只看容量还要看耐压、温度、ESR和使用位置。理解电容以后再去学习电阻、电感、二极管、MOS管和开关电源会容易很多。因为大部分电子电路实际上都是在控制电压怎么变化 电流往哪里流 能量如何储存 信号如何传递而电容就是控制电压变化和储存电场能量的重要元件。