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关于对电容充电的问题.

昨日,一网友问了个关于电容给电容充电的问题,我觉得这问题很好,在这里和大家分享,并做一些衍生.

问题1.一个理想电容,假设容值是1u,初始电压有30V,现在通过一个未知的电阻给另外一个相同的电容充电(该电容初始电压为0),那么最后两个电容上的电压分别是多少?

 

问题2.充电过程中,损耗了多少能量?

问题3.假如把那个电阻换成一个理想电感(1uH,没有串联电阻),那么两个电容上最终是什么样的电压...


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2012-10-17 13:36
沙发~哈哈哈哈
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2012-10-17 13:36

哇 板凳板凳!~

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老梁头
LV.10
4
2012-10-17 13:55
@电源网-娜娜姐
哇板凳板凳!~
飘过~~~~~~~~
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jiame2006
LV.7
5
2012-10-17 14:00

1.根据公式V=Q/C

V是电容上电压

Q是充电的电量  

C是容量

所以按这样计算,还是30/2=15V.

2.电阻R5的阻值未知,损耗的能量要按充电过程中有效值电流来计算,电流变化过程应该是一条斜线,至于斜率多少,就要看电阻多大了,最大电流=30/R5,最小是0,取平均值,算出消耗的功率。

3.装上电感,应该只会阻碍充电的电流变化,但是充电过程中电流是从大到小的变化过程,所以电感在这里只是会产生充电的电流上升斜坡,到一定值后阻碍作用消失,然后转为阻值电流变小,这时候电感上面产生负电压,这样两个电容上的压差变小了,所以电流逐渐变小,到最后电容上的电压还是15V。

以上纯属一己之见,错漏之处请版主指正,谢谢。

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dulai1985
LV.10
6
2012-10-17 14:30
@电源网-娜娜姐
哇板凳板凳!~

我也来~~~~

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bode
LV.9
7
2012-10-17 15:36

1、R5的值不影响它消耗的功率,R5上的损耗,是电容C1初始储能的一半。

最后剩下的一般能量,被C1和C2均分了,电压很容易算出来。

U^2=1/4*30^2  U=15V.

 

2、如果R换成电感的话,三者就发生谐振了,电压和电流都会是正弦的了。

个人愚见。

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aczg01987
LV.10
8
2012-10-17 17:04

初始状态Uc1=30V,Uc2=0V,放电一段时间后当Uc1=Uc2时放电结束,因两个电容一样的,按电量和电容量得出电压为15V

 

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aczg01987
LV.10
9
2012-10-17 17:05
@bode
1、R5的值不影响它消耗的功率,R5上的损耗,是电容C1初始储能的一半。最后剩下的一般能量,被C1和C2均分了,电压很容易算出来。U^2=1/4*30^2 U=15V. 2、如果R换成电感的话,三者就发生谐振了,电压和电流都会是正弦的了。个人愚见。

R5的值不影响它消耗的功率?

不太理解这个,加入R5为0 OHM呢?

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r2271297
LV.6
10
2012-10-17 18:00

问题一和二,可以列方程去求,但是微分方程解起来头疼,最简单的可以用电量守恒,分析电路可得,最终C1、C2电压相等,那么根据电量守恒可得出两电容电压值,进一步得出能量的损耗,整个计算过程中R5的值不需要知道,也就是与R5无关。

问题三,这个如果要得到准确电压似乎只能列方程求,至少我还没有想到等效的方法,不过如果只是要知道是什么样的电压,那么很简单肯定是谐振了,幅度和频率与电感大小有关!

 

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r2271297
LV.6
11
2012-10-17 18:06
@aczg01987
R5的值不影响它消耗的功率?不太理解这个,加入R5为0OHM呢?

零欧就是充电电流为无穷大,这个就要讨论发散和收敛的程度了,总之还是产生损耗!

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jafck
LV.4
12
2012-10-17 19:56

 

为编写方便,附上WORD2010公式模板模板 

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fly
13
2012-10-17 21:34

1,假设稳定后的电压为U,C1,C2串联,因此电路电流相等,因此有C1*dUc1/dt=-C2*dUc2/dt, C1,C2容值相等,因此有:30-U=U-0,所以U=15V。

2,损失的能量,交换前,C1上的储能为0.5*Uc1^2*C1=9/2000;

交换后总能量为0.5*U^2*C1+0.5*U^2*C2=9/4000;

因此损失的能量为9/2000-9/4000=9/4000焦耳。

3,如果将电路中的电阻换为电感,而电路中没有其它电阻,那么能量将在电感电容中进行无损交换,电感和电容将产生等幅震荡,震荡的幅值为30V,震荡的频率为回路的固有谐振频率。回路中两个电容串联,因此总电容为0.5u,电感假设为1u,则震荡频率为1/(2*pi*sqrt(L*0.5*C)),计算出来应该为225KHz。所以电容上的电压应该为一振幅从0到30V,频率为225KHz的正弦波。

其实整个计算都不需要用到微分方程。

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aczg01987
LV.10
14
2012-10-18 09:12
@r2271297
零欧就是充电电流为无穷大,这个就要讨论发散和收敛的程度了,总之还是产生损耗!
学习啦
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aczg01987
LV.10
15
2012-10-18 09:13
@fly
1,假设稳定后的电压为U,C1,C2串联,因此电路电流相等,因此有C1*dUc1/dt=-C2*dUc2/dt,C1,C2容值相等,因此有:30-U=U-0,所以U=15V。2,损失的能量,交换前,C1上的储能为0.5*Uc1^2*C1=9/2000;交换后总能量为0.5*U^2*C1+0.5*U^2*C2=9/4000;因此损失的能量为9/2000-9/4000=9/4000焦耳。3,如果将电路中的电阻换为电感,而电路中没有其它电阻,那么能量将在电感电容中进行无损交换,电感和电容将产生等幅震荡,震荡的幅值为30V,震荡的频率为回路的固有谐振频率。回路中两个电容串联,因此总电容为0.5u,电感假设为1u,则震荡频率为1/(2*pi*sqrt(L*0.5*C)),计算出来应该为225KHz。所以电容上的电压应该为一振幅从0到30V,频率为225KHz的正弦波。其实整个计算都不需要用到微分方程。
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r2271297
LV.6
16
2012-10-18 10:20
@fly
1,假设稳定后的电压为U,C1,C2串联,因此电路电流相等,因此有C1*dUc1/dt=-C2*dUc2/dt,C1,C2容值相等,因此有:30-U=U-0,所以U=15V。2,损失的能量,交换前,C1上的储能为0.5*Uc1^2*C1=9/2000;交换后总能量为0.5*U^2*C1+0.5*U^2*C2=9/4000;因此损失的能量为9/2000-9/4000=9/4000焦耳。3,如果将电路中的电阻换为电感,而电路中没有其它电阻,那么能量将在电感电容中进行无损交换,电感和电容将产生等幅震荡,震荡的幅值为30V,震荡的频率为回路的固有谐振频率。回路中两个电容串联,因此总电容为0.5u,电感假设为1u,则震荡频率为1/(2*pi*sqrt(L*0.5*C)),计算出来应该为225KHz。所以电容上的电压应该为一振幅从0到30V,频率为225KHz的正弦波。其实整个计算都不需要用到微分方程。
对的,电感也是不存储电荷,所以幅度应该是不变的,10楼的理解有点错误,多谢纠正
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2012-10-18 13:46

好吧....再换一下...

把C1改成30V的恒压源.....再问....

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r2271297
LV.6
18
2012-10-18 13:52
@sometimes
好吧....再换一下...把C1改成30V的恒压源.....再问....

好吧...我认为楼主已经没事干了....

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fly
19
2012-10-18 15:01
@sometimes
好吧....再换一下...把C1改成30V的恒压源.....再问....

好吧,那俺再试着回答一下:

1,这个时候就是RC充电电路了,充满后C1的电压为30V

2,RC充电电路的效率为50%,与电阻阻值无关,电阻消耗的能量为:0.5*C*Us^2,数值就不算了

3,没有电阻,也就是无损的,电感能量和电容能量交换,所以仍然是等幅震荡,频率为LC构成的谐振频率,只是由于US为电压源,可以提供无穷大的能量,因此这个振幅也应该是无穷大的。

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r2271297
LV.6
20
2012-10-18 15:42
@fly
好吧,那俺再试着回答一下:1,这个时候就是RC充电电路了,充满后C1的电压为30V2,RC充电电路的效率为50%,与电阻阻值无关,电阻消耗的能量为:0.5*C*Us^2,数值就不算了3,没有电阻,也就是无损的,电感能量和电容能量交换,所以仍然是等幅震荡,频率为LC构成的谐振频率,只是由于US为电压源,可以提供无穷大的能量,因此这个振幅也应该是无穷大的。

好吧...对于第三点我无语了...

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jafck
LV.4
21
2012-10-18 15:49
@sometimes
好吧....再换一下...把C1改成30V的恒压源.....再问....
  
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r2271297
LV.6
22
2012-10-18 15:54
@jafck
[图片]  

好吧...这次楼上全对了...

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fly
23
2012-10-18 15:54
@r2271297
好吧...对于第三点我无语了...[图片]
第3点有啥问题不?
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2012-10-18 16:24
@fly
第3点有啥问题不?
振幅不是无穷...
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fly
25
2012-10-18 16:46
@sometimes
振幅不是无穷...
对对,刚认真想了下,的确不应该是无穷大,应该为电压源电压的2倍,也就是振幅为0到60V。
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r2271297
LV.6
26
2012-10-18 16:51
@fly
第3点有啥问题不?

对于理想的直流电压源,正向可以提供无穷大的能量没错,但是反向他同样吸收无穷大的能量,所以只会周而复始释放和吸收,电容的电压是一个震荡电压!

 

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fly
27
2012-10-18 16:58
@r2271297
好吧...这次楼上全对了...[图片]
为何LC无震荡??
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jafck
LV.4
28
2012-10-18 17:45
@fly
为何LC无震荡??
你觉得电感L在恒压源面前电压极性会有变化吗
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jafck
LV.4
29
2012-10-18 17:52
@fly
为何LC无震荡??

换句话这么说,你觉得整个回路电流的方向是否会改变。

因为UA 一直大于UB直到充电结束,电流只能从左往右。如果振荡了必然会有电流从右到左。

显然不可能。

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fly
30
2012-10-18 19:48
@jafck
换句话这么说,你觉得整个回路电流的方向是否会改变。因为UA一直大于UB直到充电结束,电流只能从左往右。如果振荡了必然会有电流从右到左。显然不可能。
为什么不可能呢?要知道电感和电容是不消耗能量的,它吸收了多少能量就要释放出多少能量。当充电时,电感和电容吸收了能量,因此需要一个释放的过程,这就产生了震荡。
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r2271297
LV.6
31
2012-10-19 08:55
@jafck
换句话这么说,你觉得整个回路电流的方向是否会改变。因为UA一直大于UB直到充电结束,电流只能从左往右。如果振荡了必然会有电流从右到左。显然不可能。
看来你应该要多了解下电感的功能, 当充电结束,也就是当Ub等Ua时,电感上的电流同时也达到最大值,也就是储能达到最大了,那么它的能量在下一时刻就要释放,给电容充电,这样电容电压就会大于电压源了,肯定就会有反向电流!
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