电容基础2——充放电时间常数

电容充放电是一个过程，这个过程的长短和电容的时间常数有关。

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一、电容的单位

电容容量常见的单位是µF/uF（微法，Micro-farad）、nF（纳法，Nano-farad）、pF（皮法，Pico-farad）和F（法，Farad）。

• 1000pf = 1nF
• 1000nF = 1µF
• 1000000µF = 1F

一般电源设备里面的电容是µF级别，高频和无线电里面的电容是nF、pF级别。而超级电容的单位是F级别。

图1-电容单位

这些单位表示电容容量的大小，听上去有些抽象，其实1F的物理含义为：一个电容，充1“库伦”（coulomb）的电，能获得1V的电压，就是1F。1库伦是电子数量的衡量单位，差不多是6.24*10^18次方个电子。

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二、电容的时间常数

电容时间常数的大小与电路中电阻、和电容本身容量有关，按照“t=RC”公式来计算，其中R是电阻，C是电容。

每次经过1个时间常数，电容充电的电压，达到与电源压差的0.632倍（63.2%）。通常认为5个时间常数后，电容就充满了。可以想象，充电过程中电容电压的变化如下：

图2-电容时间常数与充电过程（电源是恒压源）

对于放电也是类似。

以下我们来看具体例子。

1. 充电举例

假设电路中R=1Ω，C=1F，套用公式“t=RC”，得到时间常数是1秒。闭合充电回路开关，以下电路经过5秒充电完毕（虚线间隔为1秒）：

图3-充电时间常数为1秒（虚线间隔为1秒）

假设电路中R=1Ω，C=2F，套用公式“t=RC”，得到时间常数是2秒。闭合充电回路开关，以下电路经过10秒充电完毕（虚线间隔为1秒）：

图4-充电时间常数为2秒（虚线间隔为1秒）

2. 放电举例

假设电路中R=1Ω，C=1F，套用公式“t=RC”，得到时间常数是1秒。闭合放电回路开关，以下电路经过5秒放电完毕（虚线间隔为1秒）：

图5-放电时间常数为1秒（虚线间隔为1秒）

假设电路中R=1Ω，C=2F，套用公式“t=RC”，得到时间常数是2秒。闭合放电回路开关，以下电路经过10秒放电完毕（虚线间隔为1秒）：

图6-放电时间常数为2秒（虚线间隔为1秒）

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三、电容使用注意事项

我准备利用电容的时间常数，来做一个延时灯控的实验案例。但是操作电容有一定风险，所以先补充说明一下注意事项。

1. 电击风险

很多电源里面的电容具有上百V的耐压等级，说明电容运行过程中电压很高，触摸可能会导致电击风险，引发器官损害、休克甚至死亡。

图7-高压电容

网上有很多关于电容触电的视频，你感兴趣可以搜一下，远程体验一下。

2. 泄放电阻（Bleeder resistor）

即使在电路断电情况下，如果电容没有放电完毕，依然可能具备很高电压。

良好的电路设计会在电容上增加泄放电阻，为的是在断电的情况下（开关断开），让电容依然有回路进行放电：

图8-泄放电阻

泄放电阻的阻值通常很大，不会影响电路正常运行。

3. 使用前手动放电

由于不知道电容是否有电，所以切记：

• 每次使用前都进行手动放电！
• 每次使用前都进行手动放电！
• 每次使用前都进行手动放电！

对于uF、pF级别小电容，可以用螺丝刀、镊子、或者老虎钳进行短路放电：

图9-电容对螺丝刀短路放电

对于F级别大电容或者耐压等级高的电容，需要通过功率电阻进行放电：

图10-电容对功率电阻放电

保险起见，还可以用万用表测一下电容电压是否为0V：

图11-万用表测电容电压

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四、动手实验——电容延时点灯案例

我们来做一个电容延时点灯的实验，电路如下：

图12-电容延时点灯

其核心是一个比较器，供电电源是9V，9V的63.2%是5.7V，5.7V（电路里是5.59V）作为运放的反相输入，电容作为运放的正相输入。电容和电阻组成充电回路，电阻是10Ω，电容是1F（我选了一个超级电容），意味着充电常数是10秒。上电的10秒后，电容电压应该达到和超过5.7V，点亮LED。

我们来看一下仿真波形：

图13-电容延时点灯-仿真波形

绿色波形表示电容上电压变化，紫色波形表示LED上电压变化。可以看到大约经过10秒钟后，LED点亮。

我们在面包板上构建此实验：

图14-电容延时点灯-面包板

右下角圆型器件就是1F的超级电容。

我连接了示波器，光标从左扫到右大约5秒钟，2个轮回后，即10秒钟后，右下角LED点亮，期间光标所代表的电容电压逐渐增大：

（全文完）

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