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元器件基础之电容两端电压不能突变

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发表于 2019-1-28 22:25 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 以升作喆 于 2019-1-28 22:24 编辑

    在电子电路中,电容的使用量仅次于电阻,由于电容的特性“丰富多彩”,使电容电路的分析比较困难,特别是电容与其它元器件一起构成的电路种类很多,其工作原理分析更是“困难重重”,今天我想与大家一起交流探讨一下关于电容两端电压不能突变的特性,先看一张图:
6.png
    上图中有两个电路(虚线框内),元件都是由电阻和电容组成,只是摆放顺序不一样,示波器A通道和B通道接入了电路一的输入端和输出端,C通道和D通道接入了电路二的输出端和输入端,当启动电路仿真后,得到的波形如下:
图片145.png
    下面就电路一来具体说明一下电容器两端电压不能突变这一特性。为方便看图,将AB通道波形截取后标注如下:
图片1.png
    在说明这一特性之前,有必要先对电容两端电压的计算公式介绍一下,电容两端的电压U由下式决定:
U=Q/C
    式中,Q为电容器内部的电荷量,C为电容器的容量。
    可以这样来理解这个公式:当电容器内部没有电荷时,即Q=0,则电容两端的电压为0,反之,电容中的电荷越多,电容两端的电压就越大。
    好,对照电路图和波形图,我们来看这个公式是如何在电路中得到体现的。
QQ截图20190128162735.png
    在电路一中,一个INPUT输入信号(5V脉冲)接到电容的左端,右端通过一个10K电阻到地,示波器A通道和B通道接到电路的输入端(INPUT)和输出端(OUTPUT)。
    (1)假设此时电容内部没有电荷,根据公式得知电容两端电压为0V,当输入脉冲为高电平时(5V),因电容与电阻串联,根据串联分压公式求得电阻两端电压为5V(5V-0V=5V),即输出端(OUTPUT)电压为5V。
    (2)输出端的5V电压经电阻R1到地,再回到电容左端继续为其充电,在C1上充到左正右负的电压,流过R1的电流从上而下。(下图中的箭头代表电流方向)
QQ截图20190128165922.png
    (3)电容中的电荷只能逐渐积累而不能突然很多,对C1的充电要有一个过程,当充得的电压越多,电阻两端的电压就越小,所以输出(OUTPUT)波形电压也是一个缓缓下降的过程。当充得的电容两端电压为5V时,根据串联分压公式求得电阻两端电压为0V(5V-5V=0V),即输出端(OUTPUT)为0V。
    (4)当输入脉冲从高电平(5V)跳变到低电平时(0V),即t1时刻,因输入电压为0V,而电容两端的电压因刚才的充电得到5V电压,所以根据串联分压公式求得电阻两端电压为-5V(0V-5V=-5V),即输出端(OUTPUT)电压为-5V。
    (5)当输入脉冲从高电平跳变到低电平后,电路开始放电过程,因电流只能从高至低流动,所以此时的放电电流回路是从地经电阻R1流到C1的右端,再从C1的左端回到地继续放电,流过R1的电流从下而上。同理,电容上的电荷只能逐渐释放,对C1的放电也要有一个过程,当释放的电压越多,电阻两端的电压就越大,所以输出(OUTPUT)波形电压此时是一个缓缓上升的过程。
QQ截图20190128215244.png
    (6)当第二个输入脉冲到后,即t2时刻,电路开始第二次循环。
    好了,上面讲的是电路一中电容的充放电情况,具体是为了说明电容器两端电压不能突变的特性,如果大家理解了,那分析电路二也就不难了,这里就不再赘述。


本文由 以升作喆 原创或被授权转载制作,其他机构或个人未经许可严禁转载。

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发表于 2019-1-29 19:42 | 显示全部楼层
感谢楼主普及电子技术知识!
关于这个电容,我补充一些:
因为帖子无法编辑公式,手写公式如下:
2.jpg

C=εS/4πkd ,这个是电容的计算公式。
它是个定值,由正负极板相对面积和间距决定。
电容一旦被制造出来,C就是定值。除非老化或者故障。
再看这个公式 ↓
C=Q/U,这是电容上面的电压和电荷量之间的关系。
这是个从变量,Q/U是被C控制的,而不是用来决定C的。
C不变,那么Q和U,只有成比例的变化,才可以保持C不变。
Q,是正负极板间储存的电荷。电荷,就是一个个的电子。
电荷有正负,正负电子之间,产生电压差。就有了U。
——————————————————————————
U之所以无法突变,
原因在于Q,因为Q无法突变,
所以U也只能随着Q的变化而变化。
Q是由一个个的正负电子堆积而成,
好比一个沙漏,由沙子一个个的堆积过去。
尽管电路变化时间很短,但我们那这个时间切分成一万份的话,
在单个时间片上,电子可以就是一次一个或者几个跑到极板上面的。
好比无级变速。
这样来看,电压的变化,也是随着Q的无级变化而缓慢增加。
并且他们之间成正比例关系
———————————————————————————
看到这里,如果你理解的话,可以不用往下看了。
下面要说的,又反过来了。这个U其实在微观层面,就是突变的。

再深入一些,把它推到电子级别。
其实这个变化,也不是缓慢的,其实也是跳跃的。
因为电子的增加,只能是1+1+1,
它做不到1+0.1+0.1,不可能过去0.1个电子。
这个就是量子理论的来源。
好比物质的质量,都是不连续的。
一块蛋糕,可能比另一块蛋糕,多了一个电子。
他就比他重一个电子的重量。
他们之间的质量差,只能是电子的整数倍。
不可能一个东西,比另一个东西多0.1个电子的重量。

3_看图王.jpg
我们感觉到的连续,一般在0.1,0.001,这样的数量级。
电子的计量单位,比这个小得多,在10的-19次方级别。




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发表于 2019-1-29 00:56 | 显示全部楼层
多谢楼主分享,讲的很详细         

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发表于 2019-1-29 11:18 | 显示全部楼层
prot用的溜

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发表于 2019-1-29 18:34 | 显示全部楼层
多谢分享

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发表于 2019-1-30 17:58 来自手机 | 显示全部楼层
好厉害,我得加把劲了:jingya:               

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