簡述電容器的瞬態(tài)行為

當一個電壓突然施加在一個之前未充電的電容器上時,電子立即開始從源極轉(zhuǎn)移到電容器再到源極。換句話說,電容器的變化會立即開始累積。隨著電容器中積累的電荷增加,電容器兩端產(chǎn)生的電壓增加。電容器兩端產(chǎn)生的電壓接近電源電壓,電容器中的電荷積累率相應(yīng)降低。當這兩個電壓彼此相等時,將不再有電荷從源流向電容器。電子從源到電容器和電容器到源的流動只不過是電流。

開始時,該電流將最大,經(jīng)過一定時間后,電流將變?yōu)榱?。電容器中電流變化的持續(xù)時間稱為瞬態(tài)周期。電容器中的充電電流或電壓等其他電量的現(xiàn)象稱為瞬態(tài)。

為了理解電容器的瞬態(tài)行為,讓我們畫一個如下所示的 RC 電路:

現(xiàn)在,如果開關(guān) S 突然閉合,電流開始流過電路。讓我們在任何時刻的電流都是 i(t)。

還要考慮在該時刻電容器上產(chǎn)生的電壓是 V c (t)。

因此,通過應(yīng)用基爾霍夫電壓定律,在該電路中,我們得到:


現(xiàn)在,如果這段時間內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移 (t) 是 q 庫侖,那么 i(t) 可以寫成:


因此:


將 i(t) 的這個表達式代入方程 (i) 我們得到:


現(xiàn)在對兩邊積分時間我們得到:

其中,K是一個常數(shù),可以從初始條件確定。

讓我們考慮時間 t = 0 在接通電路的瞬間將 t = 0 放在上面的等式中,在 t = 0 時電容器:


上不會產(chǎn)生電壓,因為它以前沒有變化。因此,現(xiàn)在如果我們把 RC = t 放在上面的方程中,我們得到這個 RC 或電阻和電容的乘積:



RC串聯(lián)電路的時間常數(shù)稱為電路的時間常數(shù)。因此,RC 電路的時間常數(shù)是電容器兩端產(chǎn)生或下降的電壓為電源電壓的 63.2% 的時間。這個時間常數(shù)的定義只有在電容器最初沒有改變時才成立。

同樣,在接通電路的瞬間,即 t = 0,電容器上不會產(chǎn)生電壓。這也可以從等式(ii)中得到證明。


因此,通過電路的初始電流為 V/R,我們將其視為 I 0。

現(xiàn)在在任何時刻,通過電路的電流將是:


現(xiàn)在,t = Rc 是電路電流。


所以在瞬間,電流通過電容器是初始電流的 36.7%,也稱為 RC 電路的時間常數(shù)。

時間常數(shù)通常表示為 τ (taw)。因此:


電容器放電期間的瞬態(tài)

現(xiàn)在,假設(shè)電容器已充滿電,即電容器處的電壓等于源電壓?,F(xiàn)在,如果斷開電壓源,而是將電池的兩個端子短路,則電容器將啟動放電裝置,兩個極板之間的不均勻電子分布將通過短路路徑均衡。兩個極板中電子濃度相等的過程將一直持續(xù)到電容器上的電壓變?yōu)榱?。這個過程稱為電容器放電。現(xiàn)在我們將檢查電容器在放電期間的瞬態(tài)行為?,F(xiàn)在,通過應(yīng)用基爾霍夫電流定律:


,從上述電路中,我們得到,積分兩邊我們得到:



K是可以從初始值確定的常數(shù)。現(xiàn)在,在電容器短路時:


現(xiàn)在,從等式 (iii),通過應(yīng)用 t = τ = RC,可以得到:


再次得到當時的電路電流,即 τ = RC,


因此在電容器的時間常數(shù)下,兩個電容器電壓、? c和電流i降低到其初始值的 36.8 %。

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