電容器充、放電過程演示器

朱成標(biāo) 陳曉珍 盧長宏

（安徽省鳳陽中學(xué)，安徽 滁州 233100）

本文介紹的電容器充、放電過程演示器，利用發(fā)光二極管生動、形象、直觀地演示電容器充、放電的物理過程，用于課堂教學(xué)，可加深學(xué)生對電容器儲能特性的認(rèn)識和對充、放電過程的理解，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)效果.

1 電路功能

（1）用LED發(fā)光排中被點(diǎn)亮的發(fā)光二極管數(shù)目的多少，定量地顯示被測電容器電壓的大?。ɑ螂姾闪康亩嗌伲?

（2）在電容器充、放電過程中，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮或熄滅的快慢，反映電路中充、放電電流的大小.

（3）通過改變充、放電回路的R、C的值，可進(jìn)行“影響電容器充、放電速度的因素”的研究.

2 工作原理

電路如圖1所示.

圖1

電路的核心是點(diǎn)／柱顯示驅(qū)動器集成電路LM3914，以柱形圖模式逐個點(diǎn)亮LED的方法顯示被測電容器電壓（或電荷量）的大小.

LM 3914內(nèi)部由輸入緩沖器、1 0級電壓比較器 （由分壓器和比較器組成）、顯示模擬選擇電路、1.25V基準(zhǔn)電源電路等組成.模擬信號從5腳輸入IC，經(jīng)內(nèi)部輸入緩沖器放大后，送至1 0級電壓比較器的反相輸入端，與各電壓比較器正相輸入端的分壓器上基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較.每級分壓器上逐級比較電平分別為0.125V、0.25 V、0.375V、0.5V…1.25 V.當(dāng)輸入模擬信號電壓低于0.125V時，10級比較器均輸出高電平；當(dāng)輸入信號電壓高于0.125V時，電壓比較器1輸出低電平 （1腳）；當(dāng)輸入信號電壓高于0.25V時，電壓比較器2輸出低電平（1 8腳）……當(dāng)輸入信號電壓高于1.2 5V時，電壓比較器1 0輸出低電平 （10腳）.若將這10個輸出端接上發(fā)光二極管，即可線性地顯示出模擬信號的大小.本文介紹的電路中，電壓比較器1 0未用（10腳懸空）.LM39 1 4的9腳為顯示模式轉(zhuǎn)換端，將該腳接地或懸空時，顯示模式為點(diǎn)狀 （LED單級發(fā)光）；將該腳接正電源端 （Vcc）時，顯示模式為線狀（逐級發(fā)光）.本文的電容器充、放電演示器電路為線狀顯示模式.

演示時，先將S2置于“2”位置，閉合S1，電源為IC提供6V左右的電壓（4節(jié)干電池供電），由于電容器Cx兩端無電壓，使得IC輸入端5腳無電壓輸入，用于顯示被測電容器電壓（或電荷量）大小的光柱中LED發(fā)光管都不發(fā)光，電路處于準(zhǔn)備狀態(tài).

（1）充電過程.將充、放電選擇開關(guān)S2撥至“1”位置，6 V電壓經(jīng)S2和R對電容器Cx充電，隨著電容器不斷地被充電，IC信號輸入端5腳電位不斷升高，其輸出端L 1～L 9依次輸出并保持低電平，LED 1～LED 9依次被點(diǎn)亮.由于IC的通過9腳接高電平設(shè)定為光柱顯示驅(qū)動，所以LED 1～LED 9發(fā)光管被點(diǎn)亮的多少即光柱的長度，定量地反映了電容器被充電的多少.當(dāng)LED 1被點(diǎn)亮?xí)r，電容器被充的電壓為0.1Vcc，LED 2被點(diǎn)亮?xí)r，電容器被充的電壓為0.2Vcc……直到LED 9被點(diǎn)亮?xí)r，電容器被充的電壓為0.9Vcc.

（2）放電過程.將S2由“1”撥至“2”位置時，Cx無放電回路（實(shí)際上Cx還能經(jīng)R3、R4放電，但R3、R4為高阻，放電可以忽略），IC的5腳電壓電位不變，IC各輸出端電壓不變，LEDl-LED9點(diǎn)亮的數(shù)量維持不變，表明電容器有存儲電能的特性.再將S2撥至“3”位置時，Cx經(jīng)過R對地放電，隨著電容器不斷地放電，IC信號輸入端5腳電位不斷降低，其輸出端L 9～L 1依次輸出并保持高電平，LED9～LED 1依次被熄滅，LED發(fā)光管形成光柱的長度逐漸變短，從而形象地反映了電容器放電的過程.當(dāng)LED9熄滅時，電容器的電壓下降為0.9Vcc，當(dāng)LED 8熄滅時，電容器的充電的電壓下降為0.8Vcc……直到LED1熄滅時，電容器的充電的電壓下降為0.1Vcc以下.

R為充、放電速度控制電位器.當(dāng)R增大時充、放電速度變慢，當(dāng)R減小時充、放電速度變快.根據(jù)電容器充、放電的時間常數(shù)由R×C決定，因此，改變Cx的容量也可以改變充、放電速度的快慢.

為了對電容器充、放電過程在電容器電壓每改變0.1Vcc時進(jìn)行準(zhǔn)確地采樣，電路設(shè)計(jì)為：將電容器的電壓用高阻R3、R4進(jìn)行分壓輸送到IC信號輸入端5腳，當(dāng)電容器充滿電時，IC的5腳電位為4V.而IC內(nèi)部有一個1.2 5V的基準(zhǔn)電壓源，十級精密分壓鏈和十級電壓比較器，根據(jù)IC的參數(shù)手冊，通過以下公式設(shè)計(jì)R1、R2的阻值， 使IC內(nèi)部電壓比較器輸入端的分壓鏈兩端電壓為4V，這樣就能保證電壓采樣的準(zhǔn)確性.其中R1還決定LED發(fā)光時的電流（即發(fā)光的亮度）.

3 制作

元器件選擇：R1-R4均選用1／4W金屬膜電阻器.Cx選用耐壓值為10V以上的鋁電解電容器，容量在100μF～4700μF之間.LEDl-LED9均選用5mm的高亮度發(fā)光二極管.R選用A型4.7K的小型電位器.S1為普通的撥動開關(guān)，S2選用單刀三位撥動式開關(guān).將元件焊接在一個3×5.5cm的萬能板上，只要元件參數(shù)正確，連接無誤，無需調(diào)試即可正常工作.即便是不太懂電子技術(shù)的教師，也可以成功制作.將“電容器充、放電過程演示器”制成示教板，面板用4 0×3 0c m的鋁塑板，如圖2所示.電路板固定在面板的背面.

圖2

4 使用

按照工作原理中介紹的方法就可以正常進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示和探究，只是實(shí)驗(yàn)時要準(zhǔn)備幾個不同容量的電解電容，便于研究電容器的電容與充、放電速度的關(guān)系.在接入電解電容器時，注意正負(fù)極不能接錯.