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奇妙的RC充放电

高工
2023-11-27 10:32:15     打赏
如下图所示,R是Resistor(电阻),C是Capacitor(电容),把它们连在一起,就是一个最简单的RC电路。

这个简单的电路有很多奇妙之处,下面我们就来探索一二。image.png图1. RC电路上面的图来自维基百科,猜想一下,当电源通过电阻R向电容C充电的时候,电容C两端的电压会如何变化呢(也就是会呈现出何种规律)?这可以应用基尔霍夫电路定律来建立一个微分方程,然后解出这个微分方程,就会得到电容C在充电时的电压变化情况,它是时间t的函数:image.png有了公式,我们就可以画出它的曲线,如下图所示:image.png图2. 电容的充电曲线在上面的图形中,y轴是电容电压VC,x轴是时间t,那x轴上标的希腊字母τ、2τ……和与之对应的y轴上标的63.2%、86.5%……又是什么呢?实际上τ=RC,它是电阻的阻值R和电容的容值C的乘积。在这个公式里,R是电阻值,单位取欧姆;C是电容值,单位取法拉;τ被称为RC时间常数,单位取秒。我们只要再观察一下上面的公式,就会明白这些坐标点是如何计算出来的:当公式右边的时间t正好等于RC的时候,电容电压VC=V(1-e^(-1)),e是自然对数的底,其值约为2.71828,经过计算VC=63.2%V。也就是说,当充电时间正好是R*C秒的时候,电容两端的电压差不多等于充电电压V的63.2%。假设我们用5V的电压给它充电,此时电容电压就是63.2%*5V=3.16V。用同样的方法可以算得其它的坐标点,如表1所示:image.png表1. RC曲线坐标点计算充放电过程中,曲线斜率的理解:电源通过电阻给电容充电,由于一开始电容两端的电压为0,所以电容的电压都在电阻上。这时电流大,充电速度快。随着电容两端电压的上升,电阻两端的电压下降,电流也随之减小,充电速度变小。充电的速度与电阻和电容的大小有关。电阻R越大,充电越慢;电容C越大,充电越慢。衡量充电速度的常数t(tao)=RC。电容C通过电阻R放电,由于电容刚开始放电时电压为E,放电电流I=E/R,该电流很大,所以放电速度很快。

随着电容不断的放电,电容的电压也随着下降,电流也很快减小。电容的放电速度与RC有关,R的阻值越大,放电速度越慢;电容越大,放电速度越慢。

image.png





关键词: RC     充电     放电    

专家
2023-11-27 16:34:17     打赏
2楼

不错不错,简单知识,配上图,更容易理解


院士
2023-11-28 15:50:48     打赏
3楼

充电曲线实质上是一条无限接近电压值的曲线,因为充电曲线末端的上升非常缓慢。


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