电容充放电是一个过程,这个过程的长短和电容的时间常数有关。
一、电容的单位
电容容量常见的单位是µF/uF(微法,Micro-farad)、nF(纳法,Nano-farad)、pF(皮法,Pico-farad)和F(法,Farad)。
一般电源设备里面的电容是µF级别,高频和无线电里面的电容是nF、pF级别。而超级电容的单位是F级别。
图1-电容单位
这些单位表示电容容量的大小,听上去有些抽象,其实1F的物理含义为:一个电容,充1“库伦”(coulomb)的电,能获得1V的电压,就是1F。1库伦是电子数量的衡量单位,差不多是6.24*10^18次方个电子。
二、电容的时间常数
电容时间常数的大小与电路中电阻、和电容本身容量有关,按照“t=RC”公式来计算,其中R是电阻,C是电容。
每次经过1个时间常数,电容充电的电压,达到与电源压差的0.632倍(63.2%)。通常认为5个时间常数后,电容就充满了。可以想象,充电过程中电容电压的变化如下:
图2-电容时间常数与充电过程(电源是恒压源)
对于放电也是类似。
以下我们来看具体例子。
1. 充电举例
假设电路中R=1Ω,C=1F,套用公式“t=RC”,得到时间常数是1秒。闭合充电回路开关,以下电路经过5秒充电完毕(虚线间隔为1秒):
图3-充电时间常数为1秒(虚线间隔为1秒)
假设电路中R=1Ω,C=2F,套用公式“t=RC”,得到时间常数是2秒。闭合充电回路开关,以下电路经过10秒充电完毕(虚线间隔为1秒):
图4-充电时间常数为2秒(虚线间隔为1秒)
2. 放电举例
假设电路中R=1Ω,C=1F,套用公式“t=RC”,得到时间常数是1秒。闭合放电回路开关,以下电路经过5秒放电完毕(虚线间隔为1秒):
图5-放电时间常数为1秒(虚线间隔为1秒)
假设电路中R=1Ω,C=2F,套用公式“t=RC”,得到时间常数是2秒。闭合放电回路开关,以下电路经过10秒放电完毕(虚线间隔为1秒):
图6-放电时间常数为2秒(虚线间隔为1秒)三、电容使用注意事项
我准备利用电容的时间常数电容,来做一个延时灯控的实验案例。但是操作电容有一定风险,所以先补充说明一下注意事项。
1. 电击风险
很多电源里面的电容具有上百V的耐压等级,说明电容运行过程中电压很高,触摸可能会导致电击风险,引发器官损害、休克甚至死亡。
图7-高压电容
网上有很多关于电容触电的视频,你感兴趣可以搜一下,远程体验一下。
2. 泄放电阻(Bleeder resistor)
即使在电路断电情况下,如果电容没有放电完毕,依然可能具备很高电压。
良好的电路设计会在电容上增加泄放电阻,为的是在断电的情况下(开关断开),让电容依然有回路进行放电:
图8-泄放电阻
泄放电阻的阻值通常很大,不会影响电路正常运行。
3. 使用前手动放电
由于不知道电容是否有电,所以切记:
对于uF、pF级别小电容,可以用螺丝刀、镊子、或者老虎钳进行短路放电:
图9-电容对螺丝刀短路放电
对于F级别大电容或者耐压等级高的电容,需要通过功率电阻进行放电:
图10-电容对功率电阻放电
保险起见,还可以用万用表测一下电容电压是否为0V:
图11-万用表测电容电压四、动手实验——电容延时点灯案例
我们来做一个电容延时点灯的实验,电路如下:
图12-电容延时点灯
其核心是一个比较器,供电电源是9V,9V的63.2%是5.7V,5.7V(电路里是5.59V)作为运放的反相输入,电容作为运放的正相输入。电容和电阻组成充电回路,电阻是10Ω,电容是1F(我选了一个超级电容),意味着充电常数是10秒。上电的10秒后,电容电压应该达到和超过5.7V,点亮LED。
我们来看一下仿真波形:
图13-电容延时点灯-仿真波形
绿色波形表示电容上电压变化,紫色波形表示LED上电压变化。可以看到大约经过10秒钟后,LED点亮。
我们在面包板上构建此实验:
图14-电容延时点灯-面包板
右下角圆型器件就是1F的超级电容。
我连接了示波器电容,光标从左扫到右大约5秒钟,2个轮回后,即10秒钟后,右下角LED点亮,期间光标所代表的电容电压逐渐增大:
基于电阻电容充电的延时点灯
(全文完)
我在知乎开设了专栏“疯狂的运放”,为创客们打造的有趣、有用的硬件和电路专栏:
疯狂的运放(运算放大器)
文章由启和科技编辑
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