本節電路參考自麵包板電子製作130例中,例1電容充電、放電顯示器。借助此電路來展示電容最基本的功能:充電與放電。
電容是一種儲存電能的元件。當電容的乙個極板接電源正極,乙個極板接電源負極,兩個極板就帶上了等量的異種電荷,兩極板之間就有了電場。這一過程為電容的充電。充電之後的電容與電源斷開,仍然是帶電的。用一根導線將電容的兩端接通,兩極電荷中和,電容就不帶電了,兩板極之間不再有電場,這一過程為電容器的放電。
我們知道,電阻對電流有阻礙作用,電阻值越大,阻礙作用就越大;電容是儲能元件,電容值越大,能儲存的電荷越多。我們設計了乙個電容充放電指示電路,用led的亮度來表示電路中電流的大小,指示充放電的過程:
首先斷開s2,閉合s1,可以觀察到電流經過led1與r1向電容充電的過程。s1閉合的瞬間電流最大,隨後電容內的電荷逐漸增多,電壓變高,充電電流變小;最後,電容的電壓等於電源電壓,電流變為0。在s1閉合的瞬間,經過led1的電流最大,led亮度最高;隨後亮度逐漸變低,最後熄滅。
在電容充滿電以後,斷開s1,閉合s2,可以觀察到電流從電容出發,經過led2與r2放電的過程。s2閉合的瞬間電流最大,隨後電容內的電荷逐漸變少,電壓變低,放電電流變小;最後,電容的電壓接近0v,電流變為0。在s2閉合的瞬間,經過led2的電流最大,led2亮度最高;隨後亮度逐漸變低,最後熄滅。
下圖是1k電阻與100uf電容充電電壓與時間的關係。
如果增大電阻值,可以看到電流變小,充電速度變慢;如果增大電容值,可以看到儲存的電荷量變大,需要更長的時間來充電。放電過程同理。所以電阻值與電容值都會影響到充電時間。我們定義r與c的乘積為時間常數τ(讀作tao):
τ=rc
當充放電時間為時間常數的整數倍時,可以得到下表,方便分析充放電過程:
時間rc
2rc3rc
4rc5rc
充電時電容與電源比值
63%86%
95%98%
99%充電時電容與電源比值
硬體設計之電容充放電計算
電容充電放電時間計算公式 設,v0 為電容上的初始電壓值 vu 為電容充滿終止電壓值 vt 為任意時刻t,電容上的電壓值。則,vt v0 vu v0 1 exp t rc 如果,電壓為e的電池通過電阻r向初值為0的電容c充電 v0 0,充電極限vu e,故,任意時刻t,電容上的電壓為 vt e 1 ...
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