電容充放電實驗演示裝置的製作方法

2023-06-27 00:28:27 2

本實用新型屬於物理實驗領域。

背景技術：

電容器的充放電過程是電容器工作的基本過程，在此變化過程中，電路中的電流和電壓是瞬態變化量，是摸不著、看不到的；電容器的充放電基本原理圖如圖1所示，調整滑動變阻器RP的阻值可以改變電容器充放電的進程。但這種電路不能直觀的觀察到電容充放電現象，特別是演示充放電的電流變化規律。因此教學過程中急需一種電容充放電演示電路，用於電路分析課程教學，幫助學生理解電容充放電電路，便於學生易學易懂。

技術實現要素：

本實用新型目的是為了解決電容充放電實驗不直觀的問題，提供了一種電容充放電實驗演示裝置。

本實用新型所述電容充放電實驗演示裝置，包括LM339電壓比較晶片IC1、CD4066四雙向模擬開關IC2、NE555時基集成電路IC3、CD4017計數器IC4、電源開關S1、三聯雙擲開關S2、充放電頻閃燈組L1～L3、電阻R1～電阻R11、滑動變阻器RP和電池G；

三聯雙擲開關S2的三個雙擲開關分別為S2-A、S2-B、S2-C；

電池G的正極同時連接雙擲開關S2-A的一號選擇端、電阻R1的一端、LM339電壓比較晶片IC1的3腳、CD4066四雙向模擬開關IC2的14腳、NE555時基集成電路IC3的4腳及8腳、電阻R6的一端和CD4017計數器IC4的16腳；

電池G的負極連接電源開關S1的一端，電源開關S1的另一端同時連接雙擲開關S2-A的二號選擇端和被測電容Cs的負極，並接地；

被測電容Cs的正極同時連接LM339電壓比較晶片IC1的4腳、6腳、8腳、10腳和滑動變阻器RP的一個固定端，滑動變阻器RP的另一個固定端及其活動端同時連接雙擲開關S2-A的固定端；

LM339電壓比較晶片IC1的5腳同時連接電阻R1的另一端和電阻R2的一端；

LM339電壓比較晶片IC1的7腳同時連接電阻R2的另一端和電阻R3的一端；

LM339電壓比較晶片IC1的9腳同時連接電阻R3的另一端和電阻R4的一端；

LM339電壓比較晶片IC1的11腳同時連接電阻R4的另一端和電阻R5的一端；

LM339電壓比較晶片IC1的12腳同時連接電阻R5的另一端、CD4066四雙向模擬開關IC2的7腳和電阻R11的一端，並接地；

LM339電壓比較晶片IC1的2腳連接CD4066四雙向模擬開關IC2的13腳；

LM339電壓比較晶片IC1的1腳連接CD4066四雙向模擬開關IC2的12腳；

LM339電壓比較晶片IC1的14腳連接CD4066四雙向模擬開關IC2的5腳；

LM339電壓比較晶片IC1的13腳連接CD4066四雙向模擬開關IC2的6腳；

CD4066四雙向模擬開關IC2的1腳連接電阻R7的一端，電阻R7的另一端同時連接電阻R6的另一端和NE555時基集成電路IC3的7腳；

CD4066四雙向模擬開關IC2的2腳及11腳同時連接電阻R8的一端；

CD4066四雙向模擬開關IC2的10腳及3腳同時連接電阻R8的另一端和電阻R9的一端；

CD4066四雙向模擬開關IC2的4腳及9腳同時連接電阻R9的另一端和電阻R10的一端；

CD4066四雙向模擬開關IC2的8腳同時連接電阻R10的另一端、NE555時基集成電路IC3的2腳及6腳；

NE555時基集成電路IC3的5腳通過電容C1接地；

NE555時基集成電路IC3的1腳接地；

NE555時基集成電路IC3的3腳連接CD4017計數器IC4的14腳；

CD4017計數器IC4的7腳與15腳短接；

CD4017計數器IC4的3腳、2腳、4腳分別連接充放電頻閃燈組L1～L3的一端，並通過雙擲開關S2-B和雙擲開關S2-C切換充放電頻閃燈組L2、L3的連接位置；

充放電頻閃燈組L1～L3的另一端同時連接電阻R11的另一端。

優選地，還包括電阻R12～電阻R15和指示燈LED1～LED4；

CD4066四雙向模擬開關IC2的2腳與電池G的正極之間串聯電阻R12和指示燈LED1；

CD4066四雙向模擬開關IC2的1腳與電池G的正極之間串聯電阻R13和指示燈LED2；

CD4066四雙向模擬開關IC2的14腳與電池G的正極之間串聯電阻R14和指示燈LED3；

CD4066四雙向模擬開關IC2的13腳與電池G的正極之間串聯電阻R15和指示燈LED4。

優選地，充放電頻閃燈組L1～L3均由四個LED燈串聯構成。

優選地，充放電頻閃燈組L1～L3的LED燈為綠色。

優選地，指示燈LED1～LED4為綠色。

本實用新型的優點：本實用新型所述電容充放電實驗演示裝置是物理教具，充電時，充放電頻閃燈組逆時針旋轉，且隨著充電的進程旋轉速度變慢；放電時，充放電頻閃燈組順時針旋轉，且隨著充電的進程旋轉速度變快。採用教具直觀演示有利於教學，可把抽象的概念變成形象直觀過程，可以使學生能更直觀地觀測到電容充放電的電流變化規律，從而幫助學生理解電容充放電電路。

附圖說明

圖1是電容充放電基本電路原理圖；

圖2是本實用新型所述電容充放電實驗演示裝置的電路原理圖；

圖3是充放電頻閃燈組的結構示意圖。

具體實施方式

具體實施方式一：下面結合圖2至圖3說明本實施方式，本實施方式所述電容充放電實驗演示裝置如圖2所示。

三聯雙擲開關S2的三個雙擲開關分別為S2-A、S2-B、S2-C；這三個雙擲開關是聯動的，撥至①位，S2-A使電容Cs接入電池G的串聯迴路，進行充電過程；撥至②位，S2-A使電容Cs接入放電迴路，進行放電過程。下面以充電過程為例來說明該裝置的演示過程，放電過程與其相反，但原理相同。

閉合S1、三聯雙擲開關S2撥至①位進行充電操作。

LM339電壓比較晶片IC1為內含四個獨立的電壓比較器A1～A4的集成電路，將電容充電從開始到結束的電荷積累過程分作四段來顯示。利用電容Cs在充電過程中兩端電壓的上升過程作為電壓比較器A1～A4的比較電壓，將充電終止電壓分為四段作為參考電壓，將每一分段電壓作為參考電壓加至A1～A4的同相輸入端，四個參考電壓通過分壓電阻R1～R4將電池G的電壓V0分為1/4V0、2/4V0、3/4V0、V0，A1～A4的反相輸入一起接電池G的正極。

在電容Cs充電過程中，隨著充電電壓的上升，電壓比較器的輸出端依次輸出低電平，一方面使LED1～LED4依次發光，表示在充電過程中電容存儲電荷量的多少。另一方面使CD4066中的四個模擬開關K4、K3、K2、K1依次斷開。

充放電頻閃燈組的工作由CD4017驅動，用來顯示充放電過程中電流的流動效果和電流方向。圖2給出具體電路中，只使用了CD4017的三組輸出(Q0～Q2)，每組輸出接4隻發光管，三組中每4隻發光管按順序相間排列，通過相間順序發光顯示出電流流動的效果。通過S2-B、S2-C改變發光管的發光順序，用來區別充電、放電。充放電速度的快慢是通過發光管「光流」速度的快慢來表示的。當輸入CD4017的CP腳的時鐘脈衝頻率高時，光流速度快，當輸入脈衝頻率低時，光流速度慢。

給CD4017的CP腳發送時鐘脈衝由NE555來完成，圖2中將NE555接成多諧振蕩器，其頻率的高低由7腳、2腳之間的接入電阻阻值決定，即接入阻值大，其振蕩頻率高；反之，接入阻值小，其振蕩頻率低。

隨著電容Cs的充電進程，當其電壓高過1/4V0時，A4的反相輸入端電壓高於其同相輸入端電村，則A4輸出低電平，即LM339的13腳輸出低電平，則K4斷開，R10被接入NE555的7腳和2腳之間；隨著電容Cs的進一步充電，當其電壓高過2/4V0時，A3輸出低電平，令K3斷開，進一步將R9也接入NE555的7腳和2腳之間，R9和R10串聯，阻值增大，頻率逐漸增高，因RP的分壓作用，電容Cs的電壓不會超過V0，因此A1的不會出現反相輸入端電壓超過同相輸入端的情況，即A4一直輸出高電平，K1始終閉合，R7一直串聯在NE555的7腳和2腳之間。

每當CD4017接到時鐘脈衝，其正常工作，CD4017的Q2、Q1、Q0依次輸出高電平，即L3、L2、L1按順序亮，輸入脈衝頻率越高，L3、L2、L1頻閃的越快。

本實施方式的演示裝置演示電容在充、放電過程中電流的流向和電流強度(用流速表示)、電容極板上電荷的積累和消散過程，將模擬過程數位化，直觀的演示電容的充電過程。

具體實施方式二：本實施方式對實施方式一作進一步說明，充放電頻閃燈組L1、L2、L3沿圓周方向均布，充電時，發光順序中L3、L2、L1，為逆時針；在放電時，發光順序中L2、L3、L1，為順時針，非常方便的區別是充電過程還是放電過程。