电容的充放电过程及应用

一、充放电原理

1.  RC串联电路的充放电过程

在由电阻R及电容C组成的直流串联电路中,暂态过程即是电容器的充放电过程(图1),当开关K打向位置1时,电源对电容器C充电,直到其两端电压等于电源E。这个暂态变化的具体数学描述为q=CUc,而I =dq / dt ,故

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      上式表示电容器两端的充电电压是按指数增长的一条曲线,稳态时电容两端的电压等于电源电压E,如图2(a) 所示。式中RC=t具有时间量纲,称为电路的时间常数,是表征暂态过程进行得快慢的一个重要的物理量(t越小,表示充电、放电的越快),由电压uc上升到0.63E,1/e≈0.37,所对应的时间即为t。

      当把开关k1打向位置2时,电容C通过电阻R放电,放电过程的数学描述为

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     表示电容器两端的放电电压按指数衰减到零,t也可由此曲线衰减到0.37E所对应的时间来确定。充放电曲线如图2所示。

2. 半衰期T1/2

与时间常数τ有关的另一个在实验中较容易测定的特征值,称为半衰期T1/2,即当UC(t)下降到初值(或上升至终值)一半时所需要的时间,它同样反映了暂态过程的快慢程度,与t 的关系为:T1/2 =τln2 = 0.693τ(或τ= 1.443T1/2

3. RC电路的矩形脉冲响应。

    若将矩形脉冲序列信号加在电压初值为零的RC串联电路上,电路的瞬变过程就周期性地发生了。显然,RC电路的脉冲响应就是连续的电容充放电过程。如图3所示。

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若矩形脉冲的幅度为U,脉宽为tp。电容上的电压可表示为:

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二、RC电路的应用

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