本實(shí)用新型屬于物理實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

電容器的充放電過(guò)程是電容器工作的基本過(guò)程，在此變化過(guò)程中，電路中的電流和電壓是瞬態(tài)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(diào)整滑動(dòng)變阻器RP的阻值可以改變電容器充放電的進(jìn)程。但這種電路不能直觀的觀察到電容充放電現(xiàn)象，特別是演示充放電的電流變化規(guī)律。因此教學(xué)過(guò)程中急需一種電容充放電演示電路，用于電路分析課程教學(xué)，幫助學(xué)生理解電容充放電電路，便于學(xué)生易學(xué)易懂。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型目的是為了解決電容充放電實(shí)驗(yàn)不直觀的問(wèn)題，提供了一種電容充放電實(shí)驗(yàn)演示裝置。

本實(shí)用新型所述電容充放電實(shí)驗(yàn)演示裝置，包括LM339電壓比較芯片IC1、CD4066四雙向模擬開關(guān)IC2、NE555時(shí)基集成電路IC3、CD4017計(jì)數(shù)器IC4、電源開關(guān)S1、三聯(lián)雙擲開關(guān)S2、充放電頻閃燈組L1～L3、電阻R1～電阻R11、滑動(dòng)變阻器RP和電池G；

三聯(lián)雙擲開關(guān)S2的三個(gè)雙擲開關(guān)分別為S2-A、S2-B、S2-C；

電池G的正極同時(shí)連接雙擲開關(guān)S2-A的一號(hào)選擇端、電阻R1的一端、LM339電壓比較芯片IC1的3腳、CD4066四雙向模擬開關(guān)IC2的14腳、NE555時(shí)基集成電路IC3的4腳及8腳、電阻R6的一端和CD4017計(jì)數(shù)器IC4的16腳；

電池G的負(fù)極連接電源開關(guān)S1的一端，電源開關(guān)S1的另一端同時(shí)連接雙擲開關(guān)S2-A的二號(hào)選擇端和被測(cè)電容Cs的負(fù)極，并接地；

被測(cè)電容Cs的正極同時(shí)連接LM339電壓比較芯片IC1的4腳、6腳、8腳、10腳和滑動(dòng)變阻器RP的一個(gè)固定端，滑動(dòng)變阻器RP的另一個(gè)固定端及其活動(dòng)端同時(shí)連接雙擲開關(guān)S2-A的固定端；

LM339電壓比較芯片IC1的5腳同時(shí)連接電阻R1的另一端和電阻R2的一端；

LM339電壓比較芯片IC1的7腳同時(shí)連接電阻R2的另一端和電阻R3的一端；

LM339電壓比較芯片IC1的9腳同時(shí)連接電阻R3的另一端和電阻R4的一端；

LM339電壓比較芯片IC1的11腳同時(shí)連接電阻R4的另一端和電阻R5的一端；

LM339電壓比較芯片IC1的12腳同時(shí)連接電阻R5的另一端、CD4066四雙向模擬開關(guān)IC2的7腳和電阻R11的一端，并接地；

LM339電壓比較芯片IC1的2腳連接CD4066四雙向模擬開關(guān)IC2的13腳；

LM339電壓比較芯片IC1的1腳連接CD4066四雙向模擬開關(guān)IC2的12腳；

LM339電壓比較芯片IC1的14腳連接CD4066四雙向模擬開關(guān)IC2的5腳；

LM339電壓比較芯片IC1的13腳連接CD4066四雙向模擬開關(guān)IC2的6腳；

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

CD4066四雙向模擬開關(guān)IC2的2腳及11腳同時(shí)連接電阻R8的一端；

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

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

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

NE555時(shí)基集成電路IC3的5腳通過(guò)電容C1接地；

NE555時(shí)基集成電路IC3的1腳接地；

NE555時(shí)基集成電路IC3的3腳連接CD4017計(jì)數(shù)器IC4的14腳；

CD4017計(jì)數(shù)器IC4的7腳與15腳短接；

CD4017計(jì)數(shù)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，并通過(guò)雙擲開關(guān)S2-B和雙擲開關(guān)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(shí)連接電阻R11的另一端。

優(yōu)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(guān)IC2的2腳與電池G的正極之間串聯(lián)電阻R12和指示燈LED1；

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

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

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

優(yōu)選地，充放電頻閃燈組L1～L3均由四個(gè)LED燈串聯(lián)構(gòu)成。

優(yōu)選地，充放電頻閃燈組L1～L3的LED燈為綠色。

優(yōu)選地，指示燈LED1～LED4為綠色。

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)：本實(shí)用新型所述電容充放電實(shí)驗(yàn)演示裝置是物理教具，充電時(shí)，充放電頻閃燈組逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，且隨著充電的進(jìn)程旋轉(zhuǎn)速度變慢；放電時(shí)，充放電頻閃燈組順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，且隨著充電的進(jìn)程旋轉(zhuǎn)速度變快。采用教具直觀演示有利于教學(xué)，可把抽象的概念變成形象直觀過(guò)程，可以使學(xué)生能更直觀地觀測(cè)到電容充放電的電流變化規(guī)律，從而幫助學(xué)生理解電容充放電電路。

附圖說(shuō)明

圖1是電容充放電基本電路原理圖；

圖2是本實(shí)用新型所述電容充放電實(shí)驗(yàn)演示裝置的電路原理圖；

圖3是充放電頻閃燈組的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：下面結(jié)合圖2至圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述電容充放電實(shí)驗(yàn)演示裝置如圖2所示。

三聯(lián)雙擲開關(guān)S2的三個(gè)雙擲開關(guān)分別為S2-A、S2-B、S2-C；這三個(gè)雙擲開關(guān)是聯(lián)動(dòng)的，撥至①位，S2-A使電容Cs接入電池G的串聯(lián)回路，進(jìn)行充電過(guò)程；撥至②位，S2-A使電容Cs接入放電回路，進(jìn)行放電過(guò)程。下面以充電過(guò)程為例來(lái)說(shuō)明該裝置的演示過(guò)程，放電過(guò)程與其相反，但原理相同。

閉合S1、三聯(lián)雙擲開關(guān)S2撥至①位進(jìn)行充電操作。

LM339電壓比較芯片IC1為內(nèi)含四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器A1～A4的集成電路，將電容充電從開始到結(jié)束的電荷積累過(guò)程分作四段來(lái)顯示。利用電容Cs在充電過(guò)程中兩端電壓的上升過(guò)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(gè)參考電壓通過(guò)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(guò)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(fā)光，表示在充電過(guò)程中電容存儲(chǔ)電荷量的多少。另一方面使CD4066中的四個(gè)模擬開關(guān)K4、K3、K2、K1依次斷開。

充放電頻閃燈組的工作由CD4017驅(qū)動(dòng)，用來(lái)顯示充放電過(guò)程中電流的流動(dòng)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只發(fā)光管，三組中每4只發(fā)光管按順序相間排列，通過(guò)相間順序發(fā)光顯示出電流流動(dòng)的效果。通過(guò)S2-B、S2-C改變發(fā)光管的發(fā)光順序，用來(lái)區(qū)別充電、放電。充放電速度的快慢是通過(guò)發(fā)光管“光流”速度的快慢來(lái)表示的。當(dāng)輸入CD4017的CP腳的時(shí)鐘脈沖頻率高時(shí)，光流速度快，當(dāng)輸入脈沖頻率低時(shí)，光流速度慢。

給CD4017的CP腳發(fā)送時(shí)鐘脈沖由NE555來(lái)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(jìn)程，當(dāng)其電壓高過(guò)1/4V0時(shí)，A4的反相輸入端電壓高于其同相輸入端電村，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(jìn)一步充電，當(dāng)其電壓高過(guò)2/4V0時(shí)，A3輸出低電平，令K3斷開，進(jìn)一步將R9也接入NE555的7腳和2腳之間，R9和R10串聯(lián)，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(huì)超過(guò)V0，因此A1的不會(huì)出現(xiàn)反相輸入端電壓超過(guò)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(lián)在NE555的7腳和2腳之間。

每當(dāng)CD4017接到時(shí)鐘脈沖，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，輸入脈沖頻率越高，L3、L2、L1頻閃的越快。

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

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式對(duì)實(shí)施方式一作進(jìn)一步說(shuō)明，充放電頻閃燈組L1、L2、L3沿圓周方向均布，充電時(shí)，發(fā)光順序中L3、L2、L1，為逆時(shí)針；在放電時(shí)，發(fā)光順序中L2、L3、L1，為順時(shí)針，非常方便的區(qū)別是充電過(guò)程還是放電過(guò)程。