电子设计教程1:电容充放电指示电路
本节电路参考自面包板电子制作130例中,例1电容充电、放电显示器。借助此电路来展示电容最基本的功能:充电与放电。
电容是一种储存电能的元件。当电容的一个极板接电源正极,一个极板接电源负极,两个极板就带上了等量的异种电荷,两极板之间就有了电场。这一过程为电容的充电。充电之后的电容与电源断开,仍然是带电的。用一根导线将电容的两端接通,两极电荷中和,电容就不带电了,两板极之间不再有电场,这一过程为电容器的放电。
我们知道,电阻对电流有阻碍作用,电阻值越大,阻碍作用就越大;电容是储能元件,电容值越大,能储存的电荷越多。我们设计了一个电容充放电指示电路,用LED的亮度来表示电路中电流的大小,指示充放电的过程:
首先断开S2,闭合S1,可以观察到电流经过LED1与R1向电容充电的过程。S1闭合的瞬间电流最大,随后电容内的电荷逐渐增多,电压变高,充电电流变小;最后,电容的电压等于电源电压,电流变为0。在S1闭合的瞬间,经过LED1的电流最大,LED亮度最高;随后亮度逐渐变低,最后熄灭。
在电容充满电以后,断开S1,闭合S2,可以观察到电流从电容出发,经过LED2与R2放电的过程。S2闭合的瞬间电流最大,随后电容内的电荷逐渐变少,电压变低,放电电流变小;最后,电容的电压接近0V,电流变为0。在S2闭合的瞬间,经过LED2的电流最大,LED2亮度最高;随后亮度逐渐变低,最后熄灭。
下图是1K电阻与100uF电容充电电压与时间的关系。
如果增大电阻值,可以看到电流变小,充电速度变慢;如果增大电容值,可以看到储存的电荷量变大,需要更长的时间来充电。放电过程同理。所以电阻值与电容值都会影响到充电时间。我们定义R与C的乘积为时间常数τ(读作tao):
τ=RC
当充放电时间为时间常数的整数倍时,可以得到下表,方便分析充放电过程:
时间 | RC | 2RC | 3RC | 4RC | 5RC |
---|---|---|---|---|---|
充电时电容与电源比值 | 63% | 86% | 95% | 98% | 99% |
充电时电容与电源比值 | 37% | 14% | 5% | 2% | 1% |
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