电容元件在电路中的作用在中职学校电专业教学中的应用

摘 要 ：学无止境,教亦无止境,教师在自己的职业生涯中要不断地提升自己,深入钻研,不断总结.本文系统总结了电容元件的工作原理及在电路中的作用,分析其在中职学校电专业教学中的典型应用,与大家分享.

关 键 词 ：电容；工作特性；作用；应用

中图分类号：G712 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）39-0098-03

电容元件是电路的基本元件之一,在各种功能的电路中应用广泛.在中职学校电气系各学科的教学中都有渗透,了解它的工作特性及实际应用是一项重要的教学内容.下面我紧密结合中职教学的实际,从电容器的工作原理出发,总结它的工作特性,并结合实际电路分析它在电路中的作用.

一、电容器工作特性分析

电容器的构成：两个导体中间用绝缘介质隔开就构成电容器.电容器最基本的特性是能存储电荷.电容充电后存储了一定量的电荷与电场能量.

1.电容的基本关系式：Q等于CU.Q：一个极板上的电荷量,单位是库[仑],用C表示；C：电容,单位是法[拉],用F表示；U：两极板间的电压,单位是伏[特],用V表示.

总结：电容工作特性一：电容有储能作用.应用电路：滤波电路.

2.电容元件的电压电流关系.对于线性时不变电容元件来说,在采用电压电流关联参考方向的情况下,可以得到i（t）等于等于等于C,表明电流和电压的变化率成正比.当电容上的电压剧变时,电容电流大.当电压不随时间变化时,电流为零.

总结：电容工作特性二：电容有隔直通交的作用.应用电路：多级放大电路极间耦合.

3.电压电流或者用以下的积分式描述：在已知电容电流iC（t）的条件下,其电压uC（t）为

uC（t）等于i（ξ）dξ

等于i（ξ）dξ+i（ξ）dξ

等于uC（0）+i（ξ）dξ

其中uC（0）等于i（ξ）dξ为电容电压的初始值.

从数学知识可知：当电容电流iC（t）有限时,电容电压uC（t）不能突变.

总结：电容工作特性三：电容电压不能突变.应用电路：门电路构成的单稳态触发器.

4.正弦稳态下电容的电压电流关系.如果电容两端加上正弦电压u（t）等于Ucos（ωt+φ）,并设电压和电流为关联参考方向,则电容中的电流：i（t）等于C等于ωCUcos（ωt+φ+）.写成正弦电流的一般表示式,即：i（t）等于Icos（ωt+φi）.比较上面两个式子,有I等于ωCU,φi-φu等于,由此可见,施加电容上的电压u（t）等于Ucos（ωt+φu）和通过电流i（t）等于Icos（ωt+φu）是同频率的正弦量,在相位上电压滞后电流π/2（或者说电流超前电压π/2）,电压和电流有效值（或最大值）成正比,其比值定义为电容的容抗XC等于.

总结：电容工作特性四：电容对电压有移相作用.应用电路：振荡电路.

二、电容器在中专教材中的典型应用电路

电容工作特性一：电容有储能作用.应用电路：电容滤波电路.

在直流电源电路中,并联电容滤波电路是最经典的.它就是利用电容储能原理,利用电容充电放电的过程使我们从脉动电压获得较为平滑的直流电压波形.

当u2大于电容电压uc时,电容被充电,当u2小于电容电压uc时,二极管截止,电容向负载放电,维持电流方向不变,输出电压的脉动成分减少,使电压平滑稳定.

电容与电感或是与电阻组合,还可以构成滤波效果更好的LC滤波器,及LC-π或者是RC-π型滤波器.

电容工作特性二：电容有隔直通交的作用.

典型应用电路：（1）基本放大电路；（2）多级放大电路极间耦合.

1.共发射极放大器.

其中C1、C2是隔直电容,避免信号源与放大器之间以及各级放大电路之间直流电位之间互相影响.而交流信号可以顺利通过电容传到输出端.

2.多级放大器级间阻容耦合方式：将放大电路的前级输出端通过电容接到后级输入端,称为阻容耦合方式.

由于电容的隔直作用,阻容耦合放大电路各级之间的直流通路不相通,各级的静态工作点相互独立,便与设计与调试.对于交流信号,前级的输出信号可几乎没有衰减地传递到后级的输入端.

电容工作特性三：电容电压不能突变.应用电路：门电路构成的单稳态触发器.

微分型单稳态触发器：

工作原理分析：稳定状态：门1截止（输出高电平）,门2导通（输出低电平）,uI等于0,uI2等于VDD,因此有u01等于VDD,u02等于0,电容C上的电压为0.

暂稳态：当输入正触发脉冲uI时,门1输出电压u01产生负跃变,由于电容C两端的电压不能突变,使门2的输入电压uI2负跃变,门2输出电压u02上升,u02正反馈到门1输入端.于是,电容C开始充电,电路进人暂稳态.在此期间输入脉冲又变回低电平.

自动翻转回到稳态：随着电容C的充电,电容上的电压逐渐升高,即门2输入uI2升高,当uI2等于UTH时,u02下降,由于u02反馈至门1的输入端,使u01上升,uI2上升,门2的输出u02变到低电平,正反馈到输入端,输出u01变到高电平.暂稳态结束而电路返回稳态.

同时电容C上的电荷通过电阻R和门2输人回路的保护二极管释放.

在此微分型单稳态触发器的电路中,正是应用电容两端电压不能突变才有了暂稳态的过程.

电容工作特性四：电容对电压有移相作用.

1.应用电路：RC振荡电路.电容的移相作用使电容成为震荡电路中的最主要的元件.

振荡电路的基本构成为放大电路、反馈网络、选频网络、稳幅电路.震荡发生的条件：

（1）幅值条件：放大倍数A与反馈系数F的乘积的模为1即：AF等于1.

（2）相位条件：反馈电压与输入电压同相.放大电路的相移φA与反馈网络的相移φF之和为2nπ,即：φA+φF等于2nπ.通常可以利用电容移相作用构成RC移相振荡器.也可以利用RC电路构成选频网络.相位角从超前到滞后的过程中,在某一确定频率f0下必有相位角为零；在此频率f0下,其输出电压幅度达到最大值.这一频率是选频网络的谐振频率,即振荡器的振荡频率.从电工学的计算可知：f0等于1/2πRC.

2.利用电容的移相作用提高公率因数.供电设备输出的总功率：S等于UI,其中U为电压有效值,I为电流有效值.其中有一部分是有功功率P等于Scosφ,另一部分为无功功率Q等于Ssinφ.λ等于cosφ称为功率因数.如果功率因数λ越小,电路的有功功率就越小,无功功率就越大,电路中能量互换的规模也越大.为了提高能量的利用率,必须提高公率因数.

提高功率因数λ就是要缩小阻抗角φ,在电动机等感性负载电路中电流滞后电压,当感性负载电路并联电容器以后,电容器之路电流超前电压,使得总电流与电压的夹角减小,从而达到了提高功率因数的目的.

根据中职学校的教学特点,在电路教学中应尽量化繁为简,有些时候可以以定性分析代替定量分析.如果有实验环节效果更好,或用电路分析软件辅助教学都是不错的选择.

注：有部分电路图来源于网络.