本節電路參考自面包板電子制作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。當電容的一個極板接電源正極,一個極板接電源負極,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。充電之后的電容與電源斷開,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。我們設計了一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,隨后電容內的電荷逐漸增多,電壓變高,充電電流變小;最后,電容的電壓等于電源電壓,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;隨后亮度逐漸變低,最后熄滅。
在電容充滿電以后,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,隨后電容內的電荷逐漸變少,電壓變低,放電電流變小;最后,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;隨后亮度逐漸變低,最后熄滅。
下圖是1K電阻與100uF電容充電電壓與時間的關系。
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:
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