電路中的電容都有什麼作用？

01-04

題主大二，還沒學數電模電，做比賽過程中總會用到一些模塊，發現裡面模塊的器件，電容最多。覺著電容作用肯定沒有高中課本中通交流割直流那麼簡單。求詳細介紹

有意思的問題。

電子線路中有電路，配電網中也有電路，連普普通通的手電筒中也有電路。既然如此，我就對電容在電路中的運用鋪開來談吧，不局限在小小的比賽模型中。

電容的定義是：電量與電壓之比。也即： $C=frac{Q}{U}$ 。

我們還知道，電阻是電壓與電流之比，也即： $R=frac{U}{I}$ 。那麼電容與電阻的乘積是什麼？我們來推導看看：

$RC=frac{U}{I} imes frac{Q}{U}=frac{U}{I} imesfrac{It}{U}=t$ ，我們把它叫做式1

式1中，電容與電阻的乘積是時間，我們把它叫做電路的時間常數 $au$ 。

流過電容的電流與電容兩端的電壓有如下關係：

$i_C=Cfrac{dU_C}{dt}$ ，我們把它叫做式2

再看容抗的表達式： $X_C=frac{1}{2pi fC}$ ，我們把它叫做式3

我們看到，頻率f越高，容抗就越小。

再看電容與電阻組合後電容上的電壓變化：

$U_C=E(1-e^{-frac{t}{RC}})=E(1-e^{-frac{t}{ au}})$ ，我們把它叫做式4

注意：

當 $t=0 au$ 時，Uc=0； $t=1 au$ 時，Uc=0.6321E； $t=2 au$ 時，Uc=0.8647E； $t=3 au$ 時，Uc=0.9502E； $t=4 au$ 時，Uc=0.9817E；當 $t=5 au$ 時，Uc=0.9933E。一般認為，當 $t=5 au$ 時，充電或者放電就結束了。

如果電容處於零輸入狀態，則有：

$U_C=Ee^{-frac{t}{ au}}$ ，我們看到電容在放電。我們把它叫做式5

有了這些基本知識，我們就可以來討論電容在電路中的作用了。

第一個作用：隔直流

所謂隔離直流，其實就是高通濾波器的功能。這裡的高通，指的是高頻信號能通過，而低頻信號較難通過，直流完全通不過。

這一點，可由式3看出來：頻率越低，容抗越大；反之，頻率越高，容抗越小，其實就是高通濾波器。

注意這裡的電路條件：電容在前，負載電阻在後。由式2，電阻上的電壓為：

$U_R=i_CR=RCfrac{dU_C}{dt}$

注意到這裡出現了RC時間常數，它會產生何種影響？

第二個作用：無功補償

我們知道，電感的電流滯後於電壓，而電容的電流超期於電壓。這一點從式2看出來。

設電壓 $u=U_msinomega t$ ，把它代入到式2中：

$i_C=Cfrac{d（U_msinomega t）}{dt}=frac{CU_m}{omega}cosomega t$ ，電流變成餘弦函數。當t=0時，正弦值為零，而餘弦值為1，因此當電壓為零時，電流卻取最大值，故知流過電容的電流超前電壓90度。

在配電系統中，負載一般都是感性負載，造成系統中的電流落後於電壓，產生了無功功率。所以，配電系統中往往要配套並聯一些補償電容，以期提高系統功率因數，降低電流滯後於電壓的程度。

電容的這種用途叫做補償無功功率補償。

第三個作用：濾波

濾波體現了電容對信號的積分作用。

濾波電容如何設計？很簡單的。假定某穩壓電源的輸出電壓是12V，電流是2A，把12除以2得到6，也就是說負載電阻近似為6歐。

當負載發生變化時，我們期望穩壓電源的輸出電壓基本不變。我們取5倍時間常數為100毫秒，於是有：

$C=frac{T}{5R}=frac{0.1}{5 imes6} approx3.3 imes 10^{-3}F$

取用標稱容量3300微法的濾波電容即可。不過，此電容的耐壓要取夠。

往往在濾波電容旁邊還會並聯一個0.01微法的電容，它的用途是消除高頻干擾信號。

第四個作用：用於構建振蕩器

振蕩器，我們不陌生，例如正弦波振蕩器、方波振蕩器、鋸齒波振蕩器等等。這些振蕩器的結構元件中都離不開電容。

第五個作用：儲存電能

據說，已經已經有用高能電容儲能方式驅動的電動汽車。

第六個作用：建立移相電源

對於單相電動機，它有兩組繞組。其中一組用單相交流電壓，另一組則使用從單相電源串接電容後得到的移相電壓，這樣電機繞組才能對轉子產生旋轉磁場。

第七個作用：降壓

利用電容的容抗來降壓，這在充電器中使用得很普遍。

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下圖是收音機電路，我們來看其中的電容有何作用：

原理是什麼？

再來看下圖：

這是運用很廣的單結晶體管振蕩器電路，其中只有一個電容。我們來看看它起到何種作用：

由中間的等效圖，我們看到電容C的電壓為零時，二極體是截止的。於是電容C就通過電阻R1和R2進行充電。注意到B點的電壓就是電容上的電壓，為： $Uc=Ec（1-e^{-frac{t}{(R1+R2)C}})$ 。

我們再看A點的電壓： $U_A=Ecfrac{r2+R4}{R3+r1+r2+R4}=eta Ecapprox 0.8Ec$

這裡的 $eta$ 是單結晶體管的分壓比。

從伏安特性曲線上，我們看到電壓從零開始沿著曲線上升。當曲線到達峰值點時，有：

$U_C=0.7+U_A$ ，於是二極體導通，曲線瞬間下落。

有趣的是此時的電容，它通過二極體向R4放電，而R1和R2的電流也經過二極體流向R4，於是R4上的電流大增。

當電容放電結束後，二極體截止，曲線瞬間從谷點向左切換到電容充電曲線中，這種效應叫做隧道效應。於是電容的充電又開始，電路進入新的循環。

電路的振蕩波形見右邊的波形圖，振蕩的主周期時間近似等於電容充電時間，由此可以求得振蕩周期，為：

$T=ln5(R_1+R_2)C$

在這裡，電容C的充電起到很關鍵的作用。

通過這兩個例子，我們看到電路中的電容不是隨意設置的，而是有它的道理在裡面。因此，在探討電路中的電容時，一定要結合原理來理解才好。

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感謝大家的支持！

1.感謝@畢然這位朋友的指正 0805封裝的大小應為80mil*50mil。如果大家對電容的封裝有興趣，下次更新會介紹常見電容的封裝。

2.關於濾波電容與去耦電容的區別。濾波電容是指放在電源旁邊的電容，目的是為了使電源的輸出/輸出的波形更加平滑。而去耦電容是放在IC元器件旁邊的電容是為了防止IC元器件產生的雜訊沿電源線傳播。兩者的原理一致，目的不同，擺放位置不同，所以叫法不同。

3.有朋友想了解一下一階RC高通/低通濾波器。

下圖為一階RC高通濾波器的原理的原理圖，其截止頻率為wc=1/RC，當輸入信號頻率高於wc的時候信號衰減不嚴重，而信號頻率低於wc時，信號衰減嚴重，因該電路具有低頻信號不易通過而高頻信號容易通過的特性，故稱其為高通濾波電路。具體的公式推導請自行搜索。

請看其衰減特性：

另外該電路還可以使信號移相，相頻特性如下：

一階RC低通濾波器也有類似性質，如果大家有興趣，請自行搜索。

以上圖片均來自百度。

/************以下為原答案***********/

電容哇，作為常見的儲能元件，可是我們的好夥伴。

為什麼高中的時候說電容是隔直通交呢，先來看看電容的伏安特性：i=C*du/dt。由上式可知，當電容兩端的電壓發生變化時，電容間就會有電流流過，使電容兩端的電壓保持不變。換句話說，電容兩端的電壓是不可突變的，我們就可以根據這一點性質搞事情啦。

鑒於題主放的圖片都是單片機的周邊，以下的回答均以單片周邊的電容舉例。先介紹一下電容的單位，電容的單位是f(法拉)，其換算關係如下：

1F(法拉)=1000mF(毫法) ，1(毫法) =1000uF(微法) ，1(微法) =1000nF(納法) ，1(納法)=1000pF(皮法)。

在工程上一般簡要表達如下：

101(pF)=10 * 10^1 = 100pF = 0.1nF；

104(pF)=10 * 10^4 = 100000pF = 0.1uF；

105(pF)=10 * 10^5 = 1000000pF = 1uF。

作為電容最經典的用法就是濾波了，先放一個電源的圖片：

舉個栗子，一個5V的直流電，並不是時時刻刻都保持在5V上，一般一直在5V左右進行波動，這是我們不希望看到的，這時我們就可以使用電容的充放電特性，在5V和GND之間接上電容，當電壓高於5V時，電容充電，當電壓低於5V時，電容放電，這樣就可以使得電壓的穩定在5V。所以電容在這裡起到了濾掉5V上的其他頻率的雜波的作用，也稱穩壓。

電容根據電解質的不同，分為有極性電容和無極性電容，像題主曬的單片機周邊的電容是貼片無極性陶瓷電容，這種電容的中間的填充物一般是雲母或者空氣，所以電容並做不大，一般0805（80mil*50mil）封裝的只能做到10uf左右。而有極性電容因為中間有電解質，所以可以做的很大，比如法拉電容可以做到100f以上。因為製作工藝的原因，有極性電容的高頻響應並不是很好，所以使用的時候需要並聯一個無極性電容補充其高頻響應。這就是上圖為什麼需要CA5和CA6兩個電容並聯。有極性電容以鉭電容和鋁殼比較常見，題主應該見過，這裡就不晒圖了。（有極性電容不要反接！不要反接！不要反接！可以看煙花）

其次，題主會發現單片機周邊會有很多貼片無極性電容。請大家仔細觀察下圖，一個單片機擁有不止一個供電引腳，我們需要在每個供電引腳旁邊放一個電容，這個電容稱為去耦電容，顧名思義就是去耦合。每個IC元件在工作的時候都是有雜訊的，這個電容就是去雜訊的。這類電容一般大小為102-103就夠了。

然後是晶振旁邊的電容，晶振可以看成一個小電感，它和旁邊的兩個電容形成了電容三點式，可以增強晶振的帶負載能力。這類電容稱作負載電容或者匹配電容，一般大小在12pf到30pf不等。

當單片機的複位管腳為高電平時，單片機工作。當複位管腳為低電平的時候單片機複位，電容充電是需要時間的，所以單片機複位管腳上的電容一般是為了上電的那一刻拉低複位管腳上的電平使單片機複位的，這類電容的大小一般需要去查閱單片機的datasheet，不同的單片機需要的複位時間時不同的。

電容和電阻串並聯還可以形成低通/高通濾波器，如下圖：

當然電容的用法還有很多，使用時要考慮的也很多，題主在以後的學習中應該多多留意。

單片機周邊的電容的主要用法應該就這麼多了，題主如果還有問題，歡迎繼續提問。

如果上述回答有問題，也歡迎指正。

回答一下為什麼電容這麼多。

像這種單片機的電路板，絕大部分是濾波電容。

比如大部分晶元的電源引腳都在附近加一個0.1uF的電容。

濾波，顧名思義，電源如果有雜訊，可以去除一下雜訊，為了電路能正常運行。

謝邀

這些模塊上的電容，大部分是用來充當退耦電容的。

所謂退耦電容，就是用於將電源，或者直流信號中雜七雜八的耦合信號濾除的電容，同時還有提供瞬時大電流的能力的作用。當電源線很長時，退耦電容還有防止電源震蕩的奇效(被坑過，都是淚)。退耦電容的設置一般是一個幾百微法的大電容，用以提供較長時間的短暫大電流，濾除諸如開關雜訊，工頻干擾之類的低頻雜訊。還有一個100nF的中等大小電容，具體用以慮除中低頻的干擾信號，這個容值的電容一般的電子工程師看到了基本會很親切，然後默認它是退耦電容，也是最常見退耦電容容值，當然還有1uF,10nF這樣。這樣的中等容值退耦電容還可以提供短時的瞬時大電流，比如在ADC的參考電源加一個這玩意能顯著提升參考電源性能。然後，針對電路中已知的可能耦合到電源的高頻信號再加一個幾pF的小電容，容值根據電容自身的特性決定每款電容不同容值對耦合信號的慮除能力不同，可以去找他們的數據，但是一般都是....靠經驗選。一般放置原則為大電容靠近電路板的電源接入口，小電容靠近有源器件的電源腳，越小的電容靠電源腳越近。每個電源腳配置一組中小退耦電容。因此退耦電容佔了電路板上的很大部分。

電容還有其他作用，比如對應去耦電容就有耦合電容，把信號耦合到特定位置，當然用於隔直的電容也能叫隔直電容。

還可以和電阻電感等元件組成濾波器。

還可以充當儲能元件。

還可以用於微波電路中的阻抗匹配。

在微波電路中，可變電容還可以和微帶電路一起組成可重構的諧振器。

還有更多比較少見的神奇作用，這裡就不細說了。

很多種角度。從物理效應來看，可以是電能「

蓄水池」，從阻抗匹配的角度看，可以是提高電源效率。

很多答主都提到一個「退耦電容」的概念，但我感覺都沒講明白一個關鍵問題：電容都是濾波作用，為什麼在引腳邊上的就是退耦電容？如果是退耦合，那麼電容是為了退誰的耦呢？耦合源自哪裡？容值大小不同的電容，為什麼在空間上的擺放順序對其退耦效果會有影響？為什麼同一個網路，板子上往往會布置一組容值差異很大的一組電容並聯？

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先拋出一些意見，個人更多的補充抽空再更新上來。

有容乃大么

濾波、耦合、退耦，儲能、充放電、相位等等……

濾波兩種情況，一種電源平滑濾波，一種利用容抗與頻率相關設計各種濾波器；

耦合利用電容隔直通交特性，用於只需傳遞交流信號場合；

退耦與耦合是反的，指預防多個獨立單元電路通過地線傳遞干擾信號；

儲能指利用電容器儲存的電荷，在掉電後作為後備能源保存數據，或者用於直流電源升壓和極性變換；

充放電特指電容兩端電壓不能突變，以充電指數放電對數特徵變化，用於各種積分微分電路和波形變換

相位指交流電流通過電容相位會超前90度，用於各種交流信號處理和振蕩電路；

純手機輸入，詳細說明懶得寫，這類基礎問題建議翻書吧，知乎不能用於深度學習。

「容」意味著儲存能量。電容是物體的一種特性，可以理解為把電能轉化為電勢的能力。穩壓，振蕩，阻性隔斷，其實都是暫時把電能化為電勢了，可以類比一下重力勢能和動能的關係。這個過程不是突變而是連續性的，所以可以用來濾波。

濾波旁路去耦，至於為什麼電路板上電容最多因為電容體積比較大不好裝進封裝啊，因為半導體現在都可以做到7納米而封裝里的電阻大部分其實也是半導體做的

很多單元晶元的電源腳旁邊都會加電容，原理在於這些單元晶元在工作時需要的電流是時大時小地在不斷變化的，如果電流變化率很大，那麼導線就會有很強的電感效應，導致電源端的電流不能及時提供給單元，在旁邊加個電容就可以避免這種電感效應，電感效應還有一個壞處是會產生電磁干擾。同時對於外界傳導過來的干擾也有一定的抵抗作用。所以這個電容還是很有好處的。