RC 放電電路

當從完全充電的 RC 電路中移除電壓源時,電容器 C 將通過電阻 R 放電。

在之前的RC 充電電路教程中,我們看到了電容器 C 如何通過電阻充電,直到達到等於 5 個時間常數或 5T 的時間,然後保持完全充電狀態。

如果這個完全充電的電容器現在與其 DC 電池電源電壓斷開,它將無限期地儲存其在充電過程中產生的能量(假設一個理想的電容器並忽略任何內部損耗),保持其端子上的電壓恆定。

如果現在拆下電池並用短路代替,當開關再次閉合時,電容器會通過電阻器 R 自身放電,因為我們現在有一個 RC 放電電路。當電容器通過串聯電阻器放電時,電容器內部儲存的能量被提取,電容器兩端的電壓 Vc 衰減到零,如下所示。

RC 放電電路

rc 放電電路

與之前的 RC 充電電路一樣,在 RC 放電電路中,時間常數( τ)仍然等於 63% 的值。然後,對於最初完全充電的 RC 放電電路,在一個時間常數 1T 之後電容器兩端的電壓下降了其初始值的 63% ,即其初始值的 1-0.63 = 0.37 或 37% 。

電路的時間常數是電容器放電至其完全充電值的 37% 以內所需的時間。因此,對於 RC 電阻電路,給出一個時間常數,即電路板上的電壓代表其最終值的 37%,即零伏特(完全放電),在我們的曲線中,這給出為 0.37Vs。

隨著電容器放電,它以不斷下降的速率失去電荷。在放電電路的初始條件開始時,是 T = 0,I = 0 和 q = Q。跨電容器板的電壓等於電源電壓, Vc = Vs。當板上的電壓處於其最高值時,最大放電電流在電路周圍流動。

RC 放電電路曲線

rc 放電電路曲線

當開關閉合時,電容器現在開始放電,如圖所示,RC 放電曲線的衰減在開始時更陡峭,因為放電速率在開始時最快,然後隨著電容器以較慢的速率失去電荷而逐漸減小。隨著放電繼續,Vc 下降,放電電流減少。

與前面的充電電路一樣,電容器兩端的電壓 C 在 0.7T 時等於 0.5Vc,穩態完全放電值最終達到 5T。

對於 RC 放電電路,放電期間電容器兩端的電壓( Vc)隨時間的變化定義為:

其中,

  • Vc 是電容兩端的電壓
  • Vs 是電源電壓
  • t 是自電源電壓消除後經過的時間
  • RC 是 RC 放電電路的時間常數

就像之前的 RC 充電電路一樣,我們可以說在 RC 放電電路中,電容器將自身放電到一個時間常數所需的時間如下:

其中,R 的單位是 Ω,C 單位是法拉。

然後我們可以在下表中顯示給定時間常數下 RC 放電電路中電容器的百分比電壓和電流值。

RC 放電時間對照表

時間 RC 值 電壓 電流
0.5τ 0.5T = 0.5RC 60.7% 39.3%
0.7τ 0.7T = 0.7RC 49.7% 50.3%
1.0τ 1T = 1RC 36.6% 63.4%
2.0τ 2T = 2RC 13.5% 86.5%
3.0τ 3T = 3RC 5.0% 95.0%
4.0τ 4T = 4RC 1.8% 98.2%
5.0τ 5T = 5RC 0.7% 99.3%

注意,由於 RC 放電電路的放電曲線是指數的,出於所有實際目的,在五個時間常數之後,電容器被認為是完全放電的。

因此,RC 電路的時間常數是衡量其充電或放電速度的指標。

RC 放電電路示例 No1

電容器充滿電至 10 伏。當開關閉合時,計算 RC 放電電路的 RC 時間常數 τ。

rc 放電電路示例

時間常數 τ 使用公式 T = R * C 以秒為單位求得。

因此,時間常數 τ 給出為:T = R * C = 100k×22uF = 2.2 秒

a) 0.7 時間常數下電容兩端的電壓是多少?

在 0.7 時間常數( 0.7T)Vc = 0.5Vc。因此,Vc = 0.5×10V = 5V

b) 1 個時間常數後,電容兩端的電壓是多少?

在 1 時間常數( 1T)Vc = 0.37Vc。因此,Vc = 0.37×10V = 3.7V

c) 電容器自身“完全放電”需要多長時間(等於 5 個時間常數)

1 時間常數( 1T)= 2.2 秒。因此,5T = 5×2.2 = 11 秒