电容器充、放电过程演示器

2014-10-21朱成标陈晓珍卢长宏

物理教师 2014年9期

关键词：分压器光柱低电平

朱成标陈晓珍卢长宏

（安徽省凤阳中学，安徽滁州 233100）

本文介绍的电容器充、放电过程演示器，利用发光二极管生动、形象、直观地演示电容器充、放电的物理过程，用于课堂教学，可加深学生对电容器储能特性的认识和对充、放电过程的理解，激发学习兴趣，提高课堂教学效果.

1 电路功能

（1）用LED发光排中被点亮的发光二极管数目的多少，定量地显示被测电容器电压的大小（或电荷量的多少）.

（2）在电容器充、放电过程中，发光二极管被点亮或熄灭的快慢，反映电路中充、放电电流的大小.

（3）通过改变充、放电回路的R、C的值，可进行“影响电容器充、放电速度的因素”的研究.

2 工作原理

电路如图1所示.

图1

电路的核心是点／柱显示驱动器集成电路LM3914，以柱形图模式逐个点亮LED的方法显示被测电容器电压（或电荷量）的大小.

LM 3914内部由输入缓冲器、1 0级电压比较器（由分压器和比较器组成）、显示模拟选择电路、1.25V基准电源电路等组成.模拟信号从5脚输入IC，经内部输入缓冲器放大后，送至1 0级电压比较器的反相输入端，与各电压比较器正相输入端的分压器上基准电压进行比较.每级分压器上逐级比较电平分别为0.125V、0.25 V、0.375V、0.5V…1.25 V.当输入模拟信号电压低于0.125V时，10级比较器均输出高电平；当输入信号电压高于0.125V时，电压比较器1输出低电平（1脚）；当输入信号电压高于0.25V时，电压比较器2输出低电平（1 8脚）……当输入信号电压高于1.2 5V时，电压比较器1 0输出低电平（10脚）.若将这10个输出端接上发光二极管，即可线性地显示出模拟信号的大小.本文介绍的电路中，电压比较器1 0未用（10脚悬空）.LM39 1 4的9脚为显示模式转换端，将该脚接地或悬空时，显示模式为点状（LED单级发光）；将该脚接正电源端（Vcc）时，显示模式为线状（逐级发光）.本文的电容器充、放电演示器电路为线状显示模式.

演示时，先将S2置于“2”位置，闭合S1，电源为IC提供6V左右的电压（4节干电池供电），由于电容器Cx两端无电压，使得IC输入端5脚无电压输入，用于显示被测电容器电压（或电荷量）大小的光柱中LED发光管都不发光，电路处于准备状态.

（1）充电过程.将充、放电选择开关S2拨至“1”位置，6 V电压经S2和R对电容器Cx充电，随着电容器不断地被充电，IC信号输入端5脚电位不断升高，其输出端L 1～L 9依次输出并保持低电平，LED 1～LED 9依次被点亮.由于IC的通过9脚接高电平设定为光柱显示驱动，所以LED 1～LED 9发光管被点亮的多少即光柱的长度，定量地反映了电容器被充电的多少.当LED 1被点亮时，电容器被充的电压为0.1Vcc，LED 2被点亮时，电容器被充的电压为0.2Vcc……直到LED 9被点亮时，电容器被充的电压为0.9Vcc.

（2）放电过程.将S2由“1”拨至“2”位置时，Cx无放电回路（实际上Cx还能经R3、R4放电，但R3、R4为高阻，放电可以忽略），IC的5脚电压电位不变，IC各输出端电压不变，LEDl-LED9点亮的数量维持不变，表明电容器有存储电能的特性.再将S2拨至“3”位置时，Cx经过R对地放电，随着电容器不断地放电，IC信号输入端5脚电位不断降低，其输出端L 9～L 1依次输出并保持高电平，LED9～LED 1依次被熄灭，LED发光管形成光柱的长度逐渐变短，从而形象地反映了电容器放电的过程.当LED9熄灭时，电容器的电压下降为0.9Vcc，当LED 8熄灭时，电容器的充电的电压下降为0.8Vcc……直到LED1熄灭时，电容器的充电的电压下降为0.1Vcc以下.

R为充、放电速度控制电位器.当R增大时充、放电速度变慢，当R减小时充、放电速度变快.根据电容器充、放电的时间常数由R×C决定，因此，改变Cx的容量也可以改变充、放电速度的快慢.

为了对电容器充、放电过程在电容器电压每改变0.1Vcc时进行准确地采样，电路设计为：将电容器的电压用高阻R3、R4进行分压输送到IC信号输入端5脚，当电容器充满电时，IC的5脚电位为4V.而IC内部有一个1.2 5V的基准电压源，十级精密分压链和十级电压比较器，根据IC的参数手册，通过以下公式设计R1、R2的阻值，使IC内部电压比较器输入端的分压链两端电压为4V，这样就能保证电压采样的准确性.其中R1还决定LED发光时的电流（即发光的亮度）.

3 制作

元器件选择：R1-R4均选用1／4W金属膜电阻器.Cx选用耐压值为10V以上的铝电解电容器，容量在100μF～4700μF之间.LEDl-LED9均选用5mm的高亮度发光二极管.R选用A型4.7K的小型电位器.S1为普通的拨动开关，S2选用单刀三位拨动式开关.将元件焊接在一个3×5.5cm的万能板上，只要元件参数正确，连接无误，无需调试即可正常工作.即便是不太懂电子技术的教师，也可以成功制作.将“电容器充、放电过程演示器”制成示教板，面板用4 0×3 0c m的铝塑板，如图2所示.电路板固定在面板的背面.