Электроника:Эксперименты/Электрические цепи постоянного тока/Зарядка и разрядка конденсатора

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Зарядка и разрядка конденсатора[1]

Оборудование и материалы

  • 6-вольтовая батарея
  • Два больших электролитических конденсатора, минимум 1000 мкФ (каталог Radio Shack №272-1019, 272-1032 или аналог)
  • Два резистора по 1 кОм
  • Один тумблер, ОПОХ («Однополюсный, одноходовой»)

Для этого эксперимента требуются конденсаторы большой ёмкости, чтобы получить достаточно медленные постоянные времени, чтобы их можно было отслеживать с помощью вольтметра и секундомера.

Имейте в виду, что большинство больших конденсаторов относятся к электролитическому типу и чувствительны к полярности! Один вывод каждого конденсатора должен быть помечен определённым знаком полярности.

Обычно конденсаторы указанного размера имеют отрицательную «-» маркировку или ряд отрицательных маркировок, указывающих на отрицательную клемму.

Очень большие конденсаторы часто маркируются положительной «+» полярностью рядом с одним выводом.

Несоблюдение правильной полярности почти наверняка приведёт к выходу из строя конденсатора, даже при напряжении источника всего 6 вольт.

Когда электролитические конденсаторы выходят из строя, они обычно взрываются, извергая едкие химические вещества и испуская неприятные запахи. Пожалуйста, постарайтесь избежать этого!

Рекомендую бытовой выключатель света «тумблер ОПОХ», указанный в перечне деталей.

Ссылки по теме

Цели эксперимента

  • Действие заряда конденсатора
  • Действие разряда конденсатора
  • Расчёт постоянной времени
  • Последовательная и параллельная ёмкость

Принципиальная схема

Рис. 1. Зарядная и разрядная цепи.
Рис. 1. Зарядная и разрядная цепи.

Иллюстрации

Рис. 2. Зарядная цепь (батарея, тумблер, конденсатор, резистор).
Рис. 2. Зарядная цепь (батарея, тумблер, конденсатор, резистор).
Рис. 3. Разрядная цепь (батарея, тумблер, конденсатор, резистор).
Рис. 3. Разрядная цепь (батарея, тумблер, конденсатор, резистор).

Ход эксперимента

Измерение напряжения цепи

Соберите «зарядную» цепь и измерьте напряжение на конденсаторе, когда тублер замкнут.

Обратите внимание, как он медленно увеличивается с течением времени, а не внезапно, как в случае с резистором.

Вы можете «сбросить» конденсатор обратно к нулевому напряжению, замкнув его клеммы куском провода.

«Постоянная времени» (τ) резисторно-конденсаторной цепи рассчитывается путём умножения сопротивления цепи на ёмкость цепи.

Для резистора 1 кОм и конденсатора 1000 мкФ постоянная времени должна быть равна 1 секунде. Это время, необходимое для увеличения напряжения на конденсаторе примерно на 63,2% от его текущего значения до его конечного значения: напряжения батареи.

Полезно изобразить изменение напряжения зарядного конденсатора во времени на листе миллиметровой бумаги, чтобы увидеть, как развивается обратная экспоненциальная кривая.

Однако для того, чтобы изобразить действие этой схемы, мы должны найти способ замедлить её. Постоянная времени в одну секунду не даёт много времени для снятия показаний вольтметра!

Изменение постоянной времени цепи

Мы можем увеличить постоянную времени этой схемы двумя разными способами:

  • Изменение общего сопротивления цепи.

и/или

  • Изменение общей ёмкости цепи.

Имея пару одинаковых резисторов и пару одинаковых конденсаторов, поэкспериментируйте с различными последовательными и параллельными комбинациями, чтобы добиться самой медленной зарядки.

Вы уже знаете, как соединить несколько резисторов, чтобы получить большее общее сопротивление, но как насчёт конденсаторов?

Эта схема продемонстрирует вам, как изменяется ёмкость при последовательном и параллельном соединении конденсаторов. - Просто убедитесь, что вы вставляете конденсатор(ы) в правильном направлении: концы, помеченные как отрицательные «-», электрически «ближайшие» к отрицательной клемме батареи!

Схема разрядки обеспечивает такое же изменение напряжения на конденсаторе, за исключением того, что на этот раз напряжение подскакивает до полного напряжения батареи, когда переключатель замыкается, и медленно падает, когда переключатель размыкается.

Поэкспериментируйте ещё раз с различными комбинациями резисторов и конденсаторов, убедившись, как всегда, в правильной полярности конденсатора.

Компьютерное моделирование

Схема с номерами узлов SPICE:

Рис. 4. Зарядно-разрядная цепь с указанием электрически общих точек.
Рис. 4. Зарядно-разрядная цепь с указанием электрически общих точек.


Список связей (создайте текстовый файл, содержащий следующий текст, скопируйте его весь):

Список связей SPICE

Capacitor charging circuit
v1 1 0 dc 6
r1 1 2 1k
c1 2 0 1000u ic=0
.tran 0.1 5 uic
.plot tran v(2,0)
.end

См.также

Внешние ссылки