3.2 电容
3.2.1 电容的分类及作用
Rubycon（红宝石）官网的宣传图如图3-1所示。
图3-1 Rubycon（红宝石）官网的宣传图
电容的种类有很多，但不外乎以材质和用途分类。
“电解”“固态”“陶瓷”“钽”“聚丙烯薄膜”（CBB）都是描述制造电容的材质（导体或绝缘体）。
“滤波”“耦合”“储能”“自举”“升压”“分压”“加速”“延时”用于描述特定电容在电路中作用，下面依次说明。
（1）“滤波”。无论是属于数字电路的计算机主板，还是属于模拟电路的其他电路，在正常工作时除会传导需要的信号之外，还不可避免地夹杂有不需要的“信号”——将此“信号”称为“干扰”或“噪声”更为科学。
在供电和信号中，这种干扰多数表现为高频杂波，但也有低频杂波（如台式计算机主板的USB接口电路中的153电阻用于对地滤除低频杂波）。因此，需要在电路中设计一个功能电路，用于将两者分离，将需要的留下，不需要的引导到电路以外（这个外就是地）或者消耗掉。因为电容有通“高频”阻“低频”的作用，所以常用0.01～1μF的电容旁通到地，让电路中的高频干扰导入地，起到滤除干扰的作用。
（2）“耦合”。这是电容用于信号传递的典型应用。耦合一般用于信号的发送端和接收端电压不一致的情况。在台式计算机主板上，最典型的应用就是声卡周边电路音频信号传输过程中的耦合和SATA接口电路的耦合，桥间总线和时钟信号也有使用。
图3-2所示为利用示波器自带的标准频率源构成的一个信号耦合演示电路。将1kHz方波频率源用导线外接至电容的一端，将探头分别与电容的两端相连，将探头的地经导线与1kHz方波频率源的地相连。
图3-2 信号耦合演示电路
图3-3所示为该演示电路的实测波形图。
从CH2的波形可以看出，它基本上是CH1的副本。这说明信号从耦合电容的一端输入后，可以经过耦合电容，并以副本的形式传导至耦合电容的另一端，供下级电路使用。
（3）“储能”。当电容充电后，电能以电场的形式储存在电容中。
（4）“自举”“升压”。任何驱动N沟道导通的场合下，都涉及“自举”“升压”。在绝大多数驱动N沟道场管获得某路供电的情况下，往往都涉及电容的“自举”“升压”。但在ATX电源中，这些功能均集成到了芯片内部，读者无须关心。
图3-3 实测波形图
（5）“分压”。这里是电容串联的分压。读者熟知的是电阻的串联分压。电容的串联分压与电阻的串联分压极为相似。
（6）“加速”。假设有一个电阻，它传导一个信号。如果我们用一个电容和这个电阻并联，那么等于是为这个信号增加了一条支路。这个电容的唯一作用就是，令这个信号从电阻的输入端到输出端的时间减少了，当然，这个电容的容量是特别选定的。它的电学原理是“电流超前于电压”。
（7）“延时”。电容作为储能元件，是通过电源对电容充电实现的。当用恒定的电压、恒定的电流对电容充电时，电容与电源正极相连的一脚的电压将由0V（充电开始）逐渐变大到电源正极的电压（充电结束），如图3-4所示。
图3-4 延时
在这个过程中，从“充电开始”到“充电结束”所需要的时间称为电容的“充电时间”。对于容量确定的电容而言，充电时间可由公式准确计算。
当用一个恒定的相对较小的电流I对电容C充电时，电容C正极的电压不断升高，直到充电完成后等于电源正极的电压。更进一步讲，如果我们能够选取一个大小可控、恒定的充电电流，同时选择一个合适容量的电容，那么就有可能精确地控制充电时间，以便令电容的正极在经历了确定的时长后达到一个我们期望的明确的电压值。这就是电容用于延时的依据。
事实上，绝大部分开关电源芯片的软启动脚，就是用微安级的电流对其外接电容充电来实现的。另外，普通ATX电源的PG信号的延时，也都是由电容充电实现的。
3.2.2 ATX电源上的电容
ATX电源上的电容主要有两种（当然还有一些其他材质的数量较少的电容）：一种是体积和容量均较小的陶瓷电容；另一种是体积或容量都稍大的电解电容。
在所有电解电容中，以高压侧的一个或两个电解电容最易被注意到（因为其体积巨大）。其次是在低压侧（紧靠输出电缆）的若干密集排列的电解电容。
其他材质、颜色的电容散见于尖峰吸收、EMI滤波和芯片的外围电路中。
电容在电路中的任何功能都是以其能够储存电荷的能力为前提的。因此，如果电容失去了储存电荷的能力（本书简称为“失容”），就意味着电容失去了在电路中应有的作用。在实践中，有的电容可能只会失去部分储存电荷的能力（本书简称为“部分失容”），部分失容是电解电容最常见的故障；有的电容也可能会完全失去储存电荷的能力（本书简称为“完全失容”），此时的电容可认为内部开路；有的电容还可能会（彻底）击穿而短路。总之，故障电容的表现形式只有部分失容、完全失容、短路这三种情况。
从外观上看，如果发现其鼓包，则基本可判定为故障电容。但是很多部分失容的电容往往不会鼓包，与正常电容没有显著的外观差别，这增加了维修排查的难度和工作量。
实际电容对应着一定的制造精度等级。精通等级通常以字母的形式标注在其表面型号中：D为±0.5%，F为±1%，G为±2%，J为±5%，K为±10%，M为±20%。一般来说，容量越大其允许偏离标称值的范围也越大。
3.2.3 电容容量的测量
电容容量的测量可使用万用表或电容表，但万用表的电容挡量程有限。电容表是专门用于电容容量测定的仪表，可测至皮法级。
若电容容量超出万用表的量程范围，就无法使用万用表比较准确地判断其好坏，但仍可使用二极管挡大体判断其好坏。判断的方法是基于电容的充放电原理。具体过程如下：首先用万用表的表笔接触电容的两端，万用表的示数应由一正数逐渐变大，最后变为无穷大的1；对调表笔顺序，再次接触电容的两端，万用表的示数应由一负数变为正数，最后变为无穷大的1。若电容容量过小，那么这个充放电过程无法被万用表体现出来，此时应改用电容表。
如图3-5所示是用电容表测量电容容量的演示图：电容标称1000μF，耐压6.3V。
图3-5 用电容表测量电容容量
还可使用可调电源判断电容是否漏电。直接将可调电源的正极与电容正极连接，将可调电源的负极与电容负极连接。将可调电源的输出电压调节到一个低于其击穿电压的合理值，然后根据可调电源的电流表读数来判断电容是否漏电。
3.2.4 电容充电与放电
将电容的正极与电源的正极连接，同时将电容的负极与电源的负极连接。电容将在很短的时间内被充电。充电完成后，该电容在本质上就等于一个电池。此时，电池的正极就是电容的正极，电池的负极就是电容的负极。
电容在物理上由两片导体及位于这两片导体中的绝缘层构成。分别从两片导体引出两个电极，即对应电容的正极与负极。绝缘层通常都是很薄的，当把电容的正极与电源（如干电池）的正极连接，把电容的负极与电源的负极连接时，电容中就会有电流“流过”——正电荷将聚集在电容正极的片状导体中，负电荷则聚集在电容负极的片状导体中，并在这两片导体之间形成一个静电场。
如图3-6所示为验证电容可储能并放电的演示图。
图3-6 验证电容可储能并放电
首先取一个较大容量的电容，利用可调电源（可取5V）或电池（应大于3V）为电容充电，然后断开可调电源或电池，取一个发光二极管，用发光二极管的正负极触碰电容充电时的正负极，可以看到发光二极管会被点亮，而后亮度迅速减弱，直至完全熄灭。此时如果马上用万用表测量放电后电容的电压，仍可通过万用表观察到一定的剩余电压。
根据发光二极管一闪即灭的事实，我们可以得出两个结论：一是电场是具有能量的（发光二极管发出的光能，就是储存在电容中的电能）；二是电容储存的能量是有限的，否则发光二极管就应该持续不断地发光。电容储存能量的多少与其容量密切相关。显然，容量越大的电容储存的能量越多。
电容本身的充放电过程非常容易理解。这直接导致了我们在学习电容的基本特性时往往忽略其充放电也是一个需要耗费时间的过程。而恰恰就是这个在充放电过程中所消耗的时间，被灵活地运用到各种电路中，实现了很多普通读者难以理解但又极为重要的电路功能。请读者不要忽视电容充放电时间在电路中的运用，这是绝大多数维修人员和业余爱好者在理解电路原理时遇到的拦路虎。
主电容是ATX电源中体量最大的元件之一。它起着滤波和储存电能的作用。位于全桥之后的主电容的两端，带有全波整流之后获得的310V高电压，应避免在维修时被其放电击伤。主电容两端的310V高电压在ATX电源切断市电供电后随时间变长而变小的速度，常被用作判断辅助电源是否起振的依据。这是因为一个好的辅助电源即使在切断交流市电220V后，还会继续工作一段时间，会急剧地消耗储存在主电容中的电能。经过实测，正常的辅助电源会在大约5s内消耗掉主电容上的电能，使主电容两端的电压迅速降低至个位数。如果在切断交流市电220V后，主电容上的电压长时间不能降低（30s内不能下降一半），就说明辅助电源有故障。