電容電路解析，充放電過程動畫
電容，是一個容器，以電場的方式儲存着能量。
一、電容的經典電路
儲能需要充放電，一個經典的對電容進行充放電的電路如下：
圖1-電容充放電電路
其中，左側電阻是限流電阻，用于限制電容充電的電流；右側電阻代表負載。再者，左側開關稱為充電開關；右側開關稱為放電開關。
這個電路的工作模式如下：
你可能覺得奇怪，既然有電源存在，為何不讓電源直接給負載供電呢？
這有很多種原因，常見的比如電源供電不穩定，需要電容來緩沖；另外，就算電源是穩定的，放一個電容在這，可以增加電流驅動能力，譬如很多電動助動車在電機上增加了啟動電容，這種電容能夠提供比電池大的多的輸出電流，讓車輛瞬間提速。
二、電容的充放電過程（直流）
讓我們來模拟一下電容的充放電過程，重點關注電容上的電壓和電流變化。
1. 電容充電過程
我在限流電阻和電容上增加了電壓表，電路仿真軟件可以查看這兩個電壓表的波形。對于限流電阻上的電壓波形，除以其阻值，就是充電回路上電容的電流波形，兩者波形的形态應該是一緻的。
圖3-電容充放電電路上增加了電壓表
注意看如下充電過程動畫：
圖4-電容充電過程動畫
初始的時候，閉合放電開關，為的是放光電容上的電；然後斷開放電開關，閉合充電開關，電容開始充電，充電過程很快完成。黃色波形代表電容上電壓變化；綠色波形代表限流電阻上電壓變化，同時也代表着充電回路上電流變化的趨勢。
可以看到在充電開關閉合瞬間，電容上電壓為0V，回路電流非常大；而充電完成之後，電容上電壓為5V，等于電源電壓，回路電流為0。
這意味着：電容剛開始充電的時候，電容相當于短路；而電容充電完成的時候，電容相當于開路。
2. 電容放電過程
我們來看電容的放電過程動畫：
圖5-電容放電過程動畫
初始的時候，閉合充電開關，為了充滿電容上的電；然後斷開充電開關，閉合放電開關，電容開始放電，放電過程很快完成。黃色波形代表電容、負載上電壓變化，同時也代表着放電回路上電流變化的趨勢。
可以看到在放電開關閉合瞬間，電容上電壓為5V，放電電流最大；然後電壓和電流逐步減少，最終都為0，表示電容放電完畢。
三、電容的充放電過程（非直流）
前文說的是電容在直流電源情況下的充放電過程，下面我們來看在非直流電源情況下的充放電過程。
以下是一個交流電經過二極管半波整流後得到一個非直流波形，加載在電容上。這種電源相當于是一個隻有上半部的正弦波。
圖6-非直流情況下電容充電過程動畫
其中，藍色波形代表電源（上半部的正弦波），綠色波形表示限流電阻上電壓變化（充電回路電流波形趨勢類似），黃色波形表示電容和負載上的電壓變化。
可以看到對于黃色波形，電容和負載上的電壓變化呈現鋸齒狀波形，說明電容在周期性地進行充放電。
如果我們将電容從100uF增大到500uF會怎麼樣？
圖7-非直流情況下電容充電過程動畫（電容更大）
可以看到鋸齒狀波形的波動幅度明顯變小了。這是因為電容通過儲存能量，起到了平滑電源輸出的作用，這稱為“濾波”。電容越大，儲存能量的本事越大，濾波的效果越好，于是鋸齒波的波動就變小了。
不知道你有沒有玩過氣泵，與這個過程相似，以氣釘槍為例，壓縮機（泵）相當于電源，氣罐子相當于電容，氣釘槍相當于負載。
圖8-氣泵類比 壓縮機壓縮空氣，将經過壓縮的空氣儲存進罐子裡，于是罐子裡的壓力很高，每次使用氣釘槍的時候，會釋放掉罐子的一些壓力。如果每打一輪槍，就開動壓縮機補充空氣的話，罐子的壓力波動就是鋸齒狀的。罐子越大，其波動幅度就越小。再想一下電容是不是也是這樣？我使用這個真實世界常見的例子類比，希望對你理解電容的儲能和濾波有所幫助。
一、電容的經典電路
儲能需要充放電，一個經典的對電容進行充放電的電路如下：
圖1-電容充放電電路
其中，左側電阻是限流電阻，用于限制電容充電的電流；右側電阻代表負載。再者，左側開關稱為充電開關；右側開關稱為放電開關。
這個電路的工作模式如下：
- 當充電開關閉合，放電開關斷開的時候，電源對電容進行充電。
- 當充電開關斷開，放電開關閉合的時候，電容對負載進行放電。
你可能覺得奇怪，既然有電源存在，為何不讓電源直接給負載供電呢？
這有很多種原因，常見的比如電源供電不穩定，需要電容來緩沖；另外，就算電源是穩定的，放一個電容在這，可以增加電流驅動能力，譬如很多電動助動車在電機上增加了啟動電容，這種電容能夠提供比電池大的多的輸出電流，讓車輛瞬間提速。
二、電容的充放電過程（直流）
讓我們來模拟一下電容的充放電過程，重點關注電容上的電壓和電流變化。
1. 電容充電過程
我在限流電阻和電容上增加了電壓表，電路仿真軟件可以查看這兩個電壓表的波形。對于限流電阻上的電壓波形，除以其阻值，就是充電回路上電容的電流波形，兩者波形的形态應該是一緻的。
圖3-電容充放電電路上增加了電壓表
注意看如下充電過程動畫：
圖4-電容充電過程動畫
初始的時候，閉合放電開關，為的是放光電容上的電；然後斷開放電開關，閉合充電開關，電容開始充電，充電過程很快完成。黃色波形代表電容上電壓變化；綠色波形代表限流電阻上電壓變化，同時也代表着充電回路上電流變化的趨勢。
可以看到在充電開關閉合瞬間，電容上電壓為0V，回路電流非常大；而充電完成之後，電容上電壓為5V，等于電源電壓，回路電流為0。
這意味着：電容剛開始充電的時候，電容相當于短路；而電容充電完成的時候，電容相當于開路。
2. 電容放電過程
我們來看電容的放電過程動畫：
圖5-電容放電過程動畫
初始的時候，閉合充電開關，為了充滿電容上的電；然後斷開充電開關，閉合放電開關，電容開始放電，放電過程很快完成。黃色波形代表電容、負載上電壓變化，同時也代表着放電回路上電流變化的趨勢。
可以看到在放電開關閉合瞬間，電容上電壓為5V，放電電流最大；然後電壓和電流逐步減少，最終都為0，表示電容放電完畢。
三、電容的充放電過程（非直流）
前文說的是電容在直流電源情況下的充放電過程，下面我們來看在非直流電源情況下的充放電過程。
以下是一個交流電經過二極管半波整流後得到一個非直流波形，加載在電容上。這種電源相當于是一個隻有上半部的正弦波。
圖6-非直流情況下電容充電過程動畫
其中，藍色波形代表電源（上半部的正弦波），綠色波形表示限流電阻上電壓變化（充電回路電流波形趨勢類似），黃色波形表示電容和負載上的電壓變化。
可以看到對于黃色波形，電容和負載上的電壓變化呈現鋸齒狀波形，說明電容在周期性地進行充放電。
如果我們将電容從100uF增大到500uF會怎麼樣？
圖7-非直流情況下電容充電過程動畫（電容更大）
可以看到鋸齒狀波形的波動幅度明顯變小了。這是因為電容通過儲存能量，起到了平滑電源輸出的作用，這稱為“濾波”。電容越大，儲存能量的本事越大，濾波的效果越好，于是鋸齒波的波動就變小了。
不知道你有沒有玩過氣泵，與這個過程相似，以氣釘槍為例，壓縮機（泵）相當于電源，氣罐子相當于電容，氣釘槍相當于負載。
圖8-氣泵類比 壓縮機壓縮空氣，将經過壓縮的空氣儲存進罐子裡，于是罐子裡的壓力很高，每次使用氣釘槍的時候，會釋放掉罐子的一些壓力。如果每打一輪槍，就開動壓縮機補充空氣的話，罐子的壓力波動就是鋸齒狀的。罐子越大，其波動幅度就越小。再想一下電容是不是也是這樣？我使用這個真實世界常見的例子類比，希望對你理解電容的儲能和濾波有所幫助。
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