Зарядка и разрядка конденсатора

Детали и материалы эксперимента для зарядки и разрядки конденсаторов

Для проведения этого эксперимента вам понадобится следующее:

• аккумулятор на 6 В
• Два больших электролитических конденсатора, минимум 1000 мкФ (каталог Radio Shack № 272-1019, 272-1032 или аналогичный).
• Два резистора 1 кОм.
• Один тумблер, SPST («однополюсный, однополюсный»)

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

Имейте в виду, что большинство больших конденсаторов относятся к «электролитическому» типу, и они чувствительны к полярности . ! Один вывод каждого конденсатора должен иметь определенный знак полярности.

Обычно конденсаторы указанного размера имеют отрицательную (-) маркировку или серию отрицательных маркировок, указывающих в сторону отрицательной клеммы.

Полярность очень больших конденсаторов часто обозначается знаком плюса (+) рядом с одной клеммой.

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

Когда электролитические конденсаторы выходят из строя, они обычно взрываются . , извергающие едкие химические вещества и источающие неприятный запах. Пожалуйста, постарайтесь этого избежать!

Я рекомендую бытовой выключатель света для «тумблера SPST», указанного в списке деталей.

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ

• Уроки электрических цепей , Том 1, глава 13:«Конденсаторы»
• Уроки электрических цепей , Том 1, глава 16:«Постоянные времени RC и L / R»

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

В этом эксперименте мы постараемся изучить следующие концепции:

• Зарядка конденсатора
• Действие разряда конденсатора
• Расчет постоянной времени
• Последовательная и параллельная емкость.

Принципиальная схема зарядки и разрядки

Иллюстрация эксперимента

Инструкции по эксперименту

Измерение напряжения вашей цепи

Постройте цепь «зарядки» и измерьте напряжение на конденсаторе, когда переключатель замкнут.

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

Вы можете «сбросить» конденсатор до нулевого напряжения, закоротив его клеммы куском провода.

«Постоянная времени» (τ) цепи резистор-конденсатор рассчитывается путем умножения сопротивления цепи на ее емкость.

Для резистора 1 кОм и конденсатора 1000 мкФ постоянная времени должна составлять 1 секунду. Это количество времени, которое требуется для повышения напряжения конденсатора примерно на 63,2% от его текущего значения до конечного значения:напряжения батареи.

Поучительно изобразить напряжение зарядного конденсатора с течением времени на миллиметровой бумаге, чтобы увидеть, как развивается обратная экспоненциальная кривая.

Однако, чтобы изобразить действие этого контура, мы должны найти способ его замедлить. Постоянная времени в одну секунду не дает много времени для снятия показаний вольтметра!

Изменение постоянной времени цепи

Мы можем увеличить постоянную времени этой схемы двумя способами:

• Изменение общего сопротивления цепи и / или
• Изменение общей емкости цепи.

Имея пару одинаковых резисторов и пару одинаковых конденсаторов, поэкспериментируйте с различными последовательными и параллельными комбинациями, чтобы получить самый медленный заряд.

К настоящему моменту вы уже должны знать, как нужно подключить несколько резисторов, чтобы получить большее общее сопротивление, но как насчет конденсаторов?

Эта схема продемонстрирует вам, как изменяется емкость при последовательном и параллельном подключении конденсаторов.

Просто убедитесь, что вы вставляете конденсатор (-ы) в правильном направлении:концы, помеченные отрицательным (-), электрически «ближе» к отрицательному полюсу батареи!

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

Еще раз поэкспериментируйте с различными комбинациями резисторов и конденсаторов, как всегда, убедитесь, что полярность конденсатора правильная.

Компьютерное моделирование

Схема с номерами узлов SPICE:

Список соединений (создайте текстовый файл, содержащий следующий текст, дословно):

 Схема зарядки конденсатора 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 

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Таблица расчетов постоянной времени
• Таблица конденсаторов