电容电感充放电

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L、C元件称为“惯性元件”,即电感中的电流、电容器两端的电压,都有一定的“电惯性”,不能突然变化。充放电时间,不光与L、C的容量有关,还与充/放电电路中的电阻R有关。“1UF电容它的充放电时间是多长?”,不讲电阻,就不能回答。 
  RC电路的时间常数:τ =RC 
   充电时,Uc=U×[1-e^(-t/τ )]  U是电源电压 
   放电时,Uc=Uo×e^(-t/τ )    Uo是放电前电容上电压 
  RL电路的时间常数:τ =L/R 
   LC电路接直流,i=Io[1-e^(-t/τ )]  Io是最终稳定电流 
   LC电路的短路,i=Io×e^(-t/τ )]   Io是短路前L中电流



以电容的充放电为例
假设有电源Vu通过电阻R给电容C充电,V0为电容上的初始电压值,Vu为电容充满电后的电压值,Vt为任意时刻t时电容上的电压值,那么便可以得到如下的计算公式:
        Vt = V0 + (Vu – V0) * [1 – e^( -t/RC)]
如果电容上的初始电压为0,则公式可以简化为:
        Vt = Vu * [1 – e^( -t/RC)]
由上述公式可知,因为指数值只可能无限接近于0,但永远不会等于0,所以电容电量要完全充满,需要无穷大的时间。
    当t = RC时,Vt = 0.63Vu;
    当t = 2RC时,Vt = 0.86Vu;
    当t = 3RC时,Vt = 0.95Vu;
    当t = 4RC时,Vt = 0.98Vu;
    当t = 5RC时,Vt = 0.99Vu;
可见,经过3~5个RC后,充电过程基本结束。
    当电容充满电后,将电源Vu短路,电容C会通过R放电,则任意时刻t,电容上的电压为:
          Vt = Vu * e^( -t/RC)
     对于简单的串联电路,时间常数就等于电阻R和电容C的乘积,但是,在实际电路中,时间常数RC并不那么容易算,例如下图(a)。

    对于上图(a),如果从充电的角度去计算时间常数会比较难,我们不妨换个角度来思考,我们知道,时间常数只与电阻和电容有关,而与电源无关,对于简单的由一个电阻R和一个电容C串联的电路来说,其充电和放电的时间参数是一样的,都是RC,所以,我们可以把上图中的电源短路,使电容C1放电,如上图(b)所示,很容易得到其时间常数:
        t= RC = (R1//R2)*C
    使用同样的方法,可以将下图(a)电路等效成(b)的放电电路形式,得到电路的时间常数:
     t= RC = R1*(C1+C2)

    用同样的方法,可以将下图(a)电路等效成(b)的放电电路形式,得到电路的时间常数:
    t= RC = ((R1//R3//R4)+R2)*C1

    对于电路时间常数RC的计算,可以归纳为以下几点:
 1).如果RC电路中的电源是电压源形式,先把电源“短路”而保留其串联内阻;
 2).把去掉电源后的电路简化成一个等效电阻R和等效电容C串联的RC放电回路,等效电阻R和等效电容C的乘积就是电路的时间常数;
 3).如果电路使用的是电流源形式,应把电流源开路而保留它的并联内阻,再按简化电路的方法求出时间常数;
 4).计算时间常数应注意各个参数的单位,当电阻的单位是“欧姆”,电容的单位是“法拉”时,乘得的时间常数单位才是“秒”。
   对于在高频工作下的RC电路,由于寄生参数的影响,很难根据电路中各元器件的标称值来计算出时间常数RC,这时,我们可以根据电容的充放电特性来通过曲线方法计算,前面已经介绍过了,电容充电时,经过一个时间常数RC时,电容上的电压等于充电电源电压的0.63倍,放电时,经过一个时间常数RC时,电容上的电压下降到电源电压的0.37倍。
    如上图所示,如通过实验的方法绘出电容的充放电曲线,在起点处做一条充放电切线,则切线与横轴的交点就是时间常数RC。