滤波电容的工作原理

电容的作用有很多，如隔直流、耦合、旁路、无功补偿、滤波以及构建振荡电路等，但就电容本身而言，它的结构原理却非常简单，都是由间隔以不同绝缘介质（如云母、绝缘纸、空气等）的两块金属板组成。

 

想要理解电容的各种作用原理，就得知道电容的特性，后续会有一篇文章讲解“电容电压为什么不能突变”，这次就先给大家讲一下电容是如何滤波的吧！

 

一、什么是滤波

滤波，顾名思义，就是过滤不需要的信号波，如下图1-1所示的高通滤波电路，所谓高通，即输入信号中，频率越高的就越容易通过电路来到输出端，而频率较低的信号被滤除。在交流电路中（包括强电领域的电力系统以及弱电领域的通信系统），含有各种频率的交流电压或电流信号，它们同时在电路中传输，但有的频率信号不是我们所需要的。

 

 

 

▲ 图1-1

 

这些信号会在电路中造成干扰，为了将这些干扰信号滤除，就产生了各种滤波电路。而电容是滤波电路的一位大功臣，它发挥着至关重要的作用。那么，电容又是如何发挥它的作用的呢？

 

二、电容的滤波作用

说到电容滤波作用，我想大家比较熟悉的应该是整流电路中的滤波电容吧？显然，这里的滤波和上文所说的过滤不同频率信号的滤波有所不同，因为整流电路的输出信号不是交流信号，但其实它们是一回事。

 

 

 

▲ 图1-2

 

总的来说，电容能够应用于滤波，归功于它的的通交隔直性质，即交流信号的频率越高的信号，越容易通过电容，电容对电流的阻碍作用越小，电容两端分得的电压越小；反之，交流信号频率越小的信号，越不容易通过电容，此时电容对电流的阻碍作用比较大，电容两端分得电压也比较大，当频率为零时（即为直流），电流直接为零，输入电压直接等于电容电压。

 

那为什么说整流电路中的滤波电容也是滤除不同频率的交流信号呢？为了便于大家理解，这里我得先简单说一个知识点，那就是傅里叶级数展开！

 

傅里叶级数是分析非正弦周期电路的有效方法，简单来说，就是将非正弦周期电压、电流信号分解为一系列不同频率的正弦量之和，这些不同频率的正弦量（正弦交流量）叠加又可以形成非正弦的周期量。我们以一个简单的波形为例，下图1-3所示，上半图为原信号波形，显然它不是正弦量，但它是周期量，这个周期波可以分解为下半图的两周正弦波。

 

  
▲ 图1-3

 

实际上，傅里叶级数展开式是多项的，并不像图1-3所示只分解为两个正弦波，其更多内容我就不再展开讲解，大家感兴趣的可以自行学习。在此，大家只要知道，非正弦周期量可以分解为很多不同频率的正弦量就行。

 

知道了傅里叶级数分解后，我们再次回顾整流电路中的滤波电容，整流电路的输出电压波为脉动波，如下图1-4所示。

 

▲ 图1-4

 

显然这个脉动波不是正弦波，但它是周期波，根据傅里叶级数分解，把这个周期波分解为不同频次的正弦量，其中频率较高的正弦量直接通过电容支路流通，不会来到输出端，而频率较低的正弦量大部分直接来到输出端，如下图1-5所示。

▲ 图1-5

 

基于电容的滤波作用，最后就可以将图1-3的脉动电压波变成下图1-6所示。图1-5的电压波形显然比较接近恒定直流电压波形。另外，滤波电容的电容量越大，其输出波形就越趋于平缓。

 

  
▲ 图1-6

 

除此之外，关于整流电路中的滤波电容，还可以从其充放电角度理解，即在脉动电压波中，当电压下降到一定程度（未到零点），低于电容两端的电压，电容就会对负载放电，使得输出电压不会变为零。

 

总的来说，电容的滤波作用很好理解，那就是通高频，阻低频，如下图1-7所示为RC组成的高通滤波电路和低通滤波电路。

 

▲ 图1-7

 

在高通滤波电路中，电容与电阻处于串联关系，由于电容的通高频阻低频作用，高频信号经过电容时产生的压降很小，且回路（高频）电流较大，根据串联分压，此时电阻得到的电压就很大，接近于输入电压。换言之，高频输入电压基本等于电阻电压，而电阻电压就是输出电压。同理，低频电压信号经过电容时产生的压降比较大，显然电阻分得电压就很小，小到可以忽略不计，此时就相当于低频输入电压没有输出，已被过滤掉。

 

在高、低通滤波电路中，电容与电阻也是处于串联关系，由于电容的通高频阻低频作用，低频信号经过电容时产生的压降很大，根据串联分压，此时电阻得到的电压就很小，而电容电压即为输出电压。换言之，低频输入电压基本等于电容电压（输出电压）。同理，高频电压信号经过电容时产生的压降比较小，显然电阻分得电压就很大，此时就相当于高频输入电压没有输出，已被过滤掉。

 

转载自电容为什么可以滤波？是如何实现滤波的？-面包板社区 (eet-china.com)