KA_IX

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电容电路解析,充放电过程动画

2021-11-9 11:26:59 显示全部楼层
文章转载自公众号:疯狂的运放
电容,是一个容器,以电场的方式储存着能量。

一、电容的经典电路

储能需要充放电,一个经典的对电容进行充放电的电路如下:
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图1-电容充放电电路

其中,左侧电阻是限流电阻,用于限制电容充电的电流;右侧电阻代表负载。再者,左侧开关称为充电开关;右侧开关称为放电开关。

这个电路的工作模式如下:
  • 当充电开关闭合,放电开关断开的时候,电源对电容进行充电。
  • 当充电开关断开,放电开关闭合的时候,电容对负载进行放电。

你可能觉得奇怪,既然有电源存在,为何不让电源直接给负载供电呢?

这有很多种原因,常见的比如电源供电不稳定,需要电容来缓冲;另外,就算电源是稳定的,放一个电容在这,可以增加电流驱动能力,譬如很多电动助动车在电机上增加了启动电容,这种电容能够提供比电池大的多的输出电流,让车辆瞬间提速。

二、电容的充放电过程(直流)

让我们来模拟一下电容的充放电过程,重点关注电容上的电压和电流变化。

1. 电容充电过程

我在限流电阻和电容上增加了电压表,电路仿真软件可以查看这两个电压表的波形。对于限流电阻上的电压波形,除以其阻值,就是充电回路上电容的电流波形,两者波形的形态应该是一致的。
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图3-电容充放电电路上增加了电压表

注意看如下充电过程动画:
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图4-电容充电过程动画

初始的时候,闭合放电开关,为的是放光电容上的电;然后断开放电开关,闭合充电开关,电容开始充电,充电过程很快完成。黄色波形代表电容上电压变化;绿色波形代表限流电阻上电压变化,同时也代表着充电回路上电流变化的趋势。

可以看到在充电开关闭合瞬间,电容上电压为0V,回路电流非常大;而充电完成之后,电容上电压为5V,等于电源电压,回路电流为0。

这意味着:电容刚开始充电的时候,电容相当于短路;而电容充电完成的时候,电容相当于开路。

2. 电容放电过程

我们来看电容的放电过程动画:
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图5-电容放电过程动画

初始的时候,闭合充电开关,为了充满电容上的电;然后断开充电开关,闭合放电开关,电容开始放电,放电过程很快完成。黄色波形代表电容、负载上电压变化,同时也代表着放电回路上电流变化的趋势。

可以看到在放电开关闭合瞬间,电容上电压为5V,放电电流最大;然后电压和电流逐步减少,最终都为0,表示电容放电完毕。

三、电容的充放电过程(非直流)

前文说的是电容在直流电源情况下的充放电过程,下面我们来看在非直流电源情况下的充放电过程。

以下是一个交流电经过二极管半波整流后得到一个非直流波形,加载在电容上。这种电源相当于是一个只有上半部的正弦波。
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图6-非直流情况下电容充电过程动画

其中,蓝色波形代表电源(上半部的正弦波),绿色波形表示限流电阻上电压变化(充电回路电流波形趋势类似),黄色波形表示电容和负载上的电压变化。

可以看到对于黄色波形,电容和负载上的电压变化呈现锯齿状波形,说明电容在周期性地进行充放电。

如果我们将电容从100uF增大到500uF会怎么样?
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图7-非直流情况下电容充电过程动画(电容更大)

可以看到锯齿状波形的波动幅度明显变小了。这是因为电容通过储存能量,起到了平滑电源输出的作用,这称为“滤波”。电容越大,储存能量的本事越大,滤波的效果越好,于是锯齿波的波动就变小了。

不知道你有没有玩过气泵,与这个过程相似,以气钉枪为例,压缩机(泵)相当于电源,气罐子相当于电容,气钉枪相当于负载。
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图8-气泵类比
压缩机压缩空气,将经过压缩的空气储存进罐子里,于是罐子里的压力很高,每次使用气钉枪的时候,会释放掉罐子的一些压力。如果每打一轮枪,就开动压缩机补充空气的话,罐子的压力波动就是锯齿状的。罐子越大,其波动幅度就越小。再想一下电容是不是也是这样?我使用这个真实世界常见的例子类比,希望对你理解电容的储能和滤波有所帮助。

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future清

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future清 2021-11-19 08:44:32 显示全部楼层
楼主,这个动画不错啊!!!问一下,用的是什么软件?谢谢!

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