资源简介

项目五 搭建简易闪烁电路
学习项目名称 搭建简易闪烁电路
情景应用 节日彩灯等
基础知识点 电容器的充放电 电容器的串联 电容器的并联
认知技能点 电容器的认知与检测 轻触按钮的认知与检测
操作技能点 在面包板上搭接简易闪烁电路 使用万用表测试电路的相关参数
课程场地 《电工技术基础与技能》课程教室
设计课时 7
一、项目应用
节日闪烁的彩灯流光溢彩，绚烂夺目，城市夜晚闪烁的夜灯等其实就是由各种不同的闪烁电路控制的，今天我们来完成一个简单的闪烁电路的搭建。
二、项目原理
（一）电容器与电容
任何两个彼此绝缘又相互靠近的导体都可以构成电容器，这两个导体称为电容器的两个极板，两个极板之间的绝缘物质称为电容器的介质。
(
图5-2电容器
)
电容器的基本特性是能够储存电荷。在电容器两端加上电压U，如图5-2所示，它的两个极板上就会分别聚集起等量的异种电荷，这样，电容器上就储存了一定量的电荷和电场能量。电压U越高，电容器极板上聚集的电荷q就越多，产生的电场就越强，存储的电场能量就越多。
实验表明，电容器所储存的电荷量q与其两个极板之间的电压U的比值是一个常数，称为电容器的电容量，它表示了电容器储存电荷的能力，简称电容，用字母C表示。
即
式中 C——电容，单位F（法拉）；
U——电容器两极板间的电压，单位V（伏特）；
q——电荷量，单位C（库仑）。
一般电容的法拉（F）单位太大，实际应用时通常用微法（μF）或皮法（pF），其换算关系为
1F=106μF=1012pF
电容器的参数较多，其中最重要的除了电容量以外，还有电容器的额定工作电压，也就是是电容器在规定温度范围内长时间正常工作的最高电压，也称为耐压值。电容器在正常工作时，工作电压不应超过其耐压值，否则电容器将会损坏。
（二）平行板电容器
如图5-3所示的平行板电容器是最简单的电容器，它由两块相互平行且相距很近而又彼此绝缘的金属板组成，这两块金属板就是电容器的两个极板，极板之间的空气就是电容器的介质。
实验证明平行板电容器的电容量C 与电容器的结构有关：平行板电容器的电容量与两极板间的正对面积及极板间电介质的介电常数成正比，与两极板之间的距离成反比，即
式中 C——平行板电容器电容，单位F；
S——电容器两极板的正对面积，单位是 m2；
ε——电介质的介电常数，单位是F/m；
d——两极板之间的距离，单位 m。
根据上述公式可知：平行板电容器的电容是电容器的固有属性，它只与电容器自身属性如电容器两极板的正对面积、两极板之间的距离及极板间电介质的介电常数有关，而与电容器带多少电荷、两极板之间有无电压无关。
（三）电容器的充电
如图5-4所示电容器的充放电电路中，电容C是一个容量很大、不带电的电容器。当开关K1闭合时如图5-5所示，电源向电容器开始充电，灯L开始较亮，然后逐渐变暗，最后熄灭，充电过程结束。电路中灯L的明暗变化说明电路中的充电电流在发生变化，若在电路中串联一个电流表，可发现其读数由大到小变化，最后为零；若在电容器两端加上电压表观察其电压变化，可发现在整个充电过程中电压表的读数从零开始逐渐变大，最后等于电源电压E。
充电时电源正极向电容器正极板供给正电荷，负极向电容器负极板供给负电荷。电荷在电路中形成定向移动，产生电流，两极板间有了电压。K1刚合上时，电源与电容器之间存在较大的电压，使大量电荷从电源移向电容器极板，产生较大电流，随着电荷的增加，电压减小，电流减小。当电容器两端电压等于电源电压时，电荷停止定向移动，电流为零，灯不亮。
（四）电容器的放电
当电容器充电完成后，断开开关K1,闭合开关K2，如图5-6所示，电容器开始放电。灯L开始较亮，然后逐渐变暗，最后熄灭，放电过程结束。电路中灯L的明暗变化说明电路中的放电电流在发生变化，若在电路中串联一个电流表，可发现其读数由大到小变化，最后为零；若在电容器两端加上电压表观察其电压变化，可发现在整个放电过程中电压表的读数从电源电压E开始逐渐变小，最后等于零。
放电过程中，由于电容器两极板间的电压使回路中有电流产生。开始这个电压较大，因此电流较大，随着电容极板上的正、负电荷不断中和，极板间的电压逐渐减小，电流也减小，最后放电结束，极板间不存在电压，电流为零。
最后，通过电容器的充电放电过程可知：
电容器是一种储能元件，电容器在充电时把电源中的电能转换为电场能量储存起来，而在放电时把储存的电场能量释放出来。即电容器本身只与电源进行能量交换，并不消耗能量。
电路中的电流是由于电容器的充电和放电所形成的，而并非电荷直接通过电容器中的介质。在充放电结束后电路处于断开状态，因此电容器具有“隔直流”的作用；若电容器接通交流电源时，由于交流电流的大小和方向不断发生交替变化，使电容器反复进行充电和放电，电路中就存在持续的交流电流，这就是电容器的“通交流”作用。
（五）电容器中的能量
给电容器充电时，使电容器的两个极板上带上了等量的异种电荷，所以在这两个极板之间就形成了电场。所以电容器充电的过程可以说是把电源中的电能转化为电容器中的电场能量的过程。而电容器放电的过程就是把电容器中的电场能量转化为电能的过程。
所以，我们可以得出结论：电容器是一种储能元件，当电容器两端电压增加时，电容器便从电源吸收能量储存在它两极板的电场中，当电容器两端电压降低时，它便把储存的电场能量释放出来。电容器本身只与电源进行能量交换，不消耗能量。
电容器中储存的电场能量为
式中 WC——电容器中储存的电场能量，单位J（焦耳）；
C——电容器的电容，单位F（法拉）；
UC——电容器两个极板之间的电压，单位V（伏特）。
（六）电容器的串联
将两个或两个以上的电容器首尾依次相连，就组成了电容器串联电路。如图5-7（a）所示，是由三个电容器组成的串联电路。这几个串联的电容可以用一个电容来代替，这个电容成为串联电路的等效电容，即电路的总电容，如图5-7（b）所示。
电容器串联电路的总电容C的倒数等于各串联电容的倒数之和。即
（七）电容器的并联
如图5-8（a）所示，是三个电容器的并联电路，其并联后的等效电容等于各并联的电容器的电容量之和。即
三、项目认知
（一）电容器的分类
电容器的种类很多，其不同的分类情况如下：按有无极性分，可分为有极性电容器和无极性电容器；按结构形式分，可分为固定电容器、可变电容器和半可变电容器；按其介质材料分，可分为纸介电容器、瓷片电容器、云母电容器、涤纶电容器等等。接下来重点介绍几种常见的电容器。
瓷片电容器
瓷片电容器是以陶瓷材料作为介质，在陶瓷上覆银制成电极，并在外层涂上保护漆制成的电容器，其实物如图5-9所示。其特点是损耗小、耐热性好、绝缘电阻高、稳定性好，广泛使用于电子电路中。瓷片电容器是无极性固定电容器，其在电路中的符号如图5-10所示。
瓷片电容器体积小，因此其电容量的标注方法通常采用数码法。瓷片电容器的电容量大小通常用三位数字表示：前两位数字表示有效数字，即一个两位数，第三位数字表示指数，即零的个数，单位是皮法（pF）。如图5-9所示电容器标注为“224”，表示其标称电容量为22×104pF=220000pF=0.22μF。
2、涤纶电容器
涤纶电容器是以涤纶薄膜作为介质，以金属箔或金属化薄膜为电极制成的电容器，其实物如图5-11所示。其特点是体积小、容量大、成本低，绝缘性能好、耐热性、耐压性、耐潮性都很好，但稳定性较差，通常用于低频电路中。涤纶电容器也是无极性固定电容器，电路符号如图5-10。
涤纶电容的标注也采用数码法，如图5-11所示，为“2A563J”，其中“563”表示其标称电容量为56103pF=56000pF；“J”表示允许误差，查表5-1可知允许误差为±5%；“2A”表示其耐压等级，其中“2”表示102，通过查表5-2可知“A”表示的电压为1V，“2A”表示其耐压等级为1021V=100V。
表5-1电容器允许误差的字母符号
字母符号 D F G J K M
允许误差 ±0.5% ±1% ±2% ±5% ±10% ±20%
表5-2电容器耐压值字母对应表
字母 A B C D E F G H J K Z
电压 1.0 1.25 1.6 2.0 2.5 3.15 4.0 5.0 6.3 8.0 9.0
3、电解电容器
电解电容器是有极性电容，如图5-12所示，其管脚有长短之分，长管脚为正极，短管脚为负极，若管脚已被剪短，可根据电解电容圆柱体上的负极标注判断正负极。电解电容的电路符号如图5-13所示。
电解电容器的通常采用直标法，即将各参数直接用数字标注在电容器上。如图5-12所示电容器的标称电容量为68μF，耐压值为450V。
（二）电容器的检测
使用数字式万用表测量电容器时，将万用表转换开关旋至2000μF档，将万用表两表笔分别接电容器的两个管脚即可测出电容器的电容量，如图5-14所示。
使用数字式万用表检测电解电容器质量时，应注意：
首先应选择合适的档位。将万用表转换开关旋至电阻档，根据电容器的容量选择合适的量程，一般容量在1μF以内的选择20K档，容量在1～100μF以内的选择2K档，容量大于100μF的选择200Ω档。
然后将万用表的红表笔接电解电容器正极,黑表笔接电解电容器负极,若显示值从0.00开始逐渐增加,最后显示溢出符号“.OL”,表明电解电容器正常；若万用表始终显示0.00,则说明电解电容器内部短路；若万用表始终显示溢出符号“.OL”，则表示电解电容器内部断路。
（三）轻触按钮
轻触按钮，又称轻触开关或按键开关，其实物如图5-15所示。
轻触按钮的工作原理如图5-16所示，在常态时（即按钮未按下时），其四个管脚中的1与3、2与4之间是接通的。按下按钮（施加压力）后轻触按钮内部接通，常开触点闭合接通电路，松开按钮后其内部弹片会使其恢复断开。
使用轻触按钮时需找到其常开触点，将万用表打到蜂鸣器档，使万用表的两个表笔分别与轻触按钮相邻的两个管脚相接，若听到蜂鸣器响，则这两个管脚是常闭触点；若蜂鸣器不响，而按下按钮后蜂鸣器发声，则这两个管脚即为常开触点。通常在使用轻触按钮时选择对角线如1与4或2与3可确保正确。
四、项目实施
（一）项目概述
本项目的任务在完成面包板上搭接如图5-4所示的电容器充电和放电电路，观察实验现象，并测量相关数据。
（二）工艺设计
1、根据表5-3核对元器件清单
表5-3 元器件清单
序号 名称 规格 数量
1 瓷片电容 103 3个
2 涤纶电容 224 1个
3 电解电容 220μF/50V 1个
4 小灯珠 2.5V,0.3A 1个
5 轻触按钮 LB16 2个
6 排针 两联 1个
7 杜邦线 公头 3根
8 面包板 SYB-120 1块
2、电路元件布局图
电路元件布局如图5-17所示。
装配并调试电路
在所有元器件安装完成之后，将稳压电源调至+5V接入电路中，进行调试，观察相关实验详细，测量实验数据。
（三）任务执行
在所给的参考时间内，按表5-4 项目任务执行表中的执行步骤，对照执行标准完成执行内容中的各项任务，任务完成后在执行结果中打√，如有疑问请立即咨询指导老师。
表5-4项目任务执行表
序号 执行步骤 执行内容 执行标准 参考时间 执行结果
1 核对元器件清单并检测 瓷片电容的检测 判断质量好坏 20分钟
涤纶电容的检测
电解电容的检测
轻触按钮的检测
小灯珠的检测
2 元件布局安装 根据电路元件布局图在面包板上插装元件 布局合理 5分钟
3 导线安装 将两联排针P1插装在面包板上，连接K1和电容器的正极 按照电路图检测线路连接是否正确 使用万用表电阻档检测连接是否可靠 10分钟
将两联排针P2插装在面包板上，其中一个管脚与K2相接
如图所示用杜邦线连接排针P1与P2
用杜邦线将K2与电源负极线相接
4 装配调试 将直流稳压电源开关打开，将其电压调至+5V，接入电路 用万用表直流电压20V档测量5V电源电压正常 30分钟
按下轻触按钮K1,观察电容器充电现象
充电结束后按下轻触按钮K2,观察电容器放电现象
放电结束后，拔下排针P1的短路帽，将数字万用表红表笔插入20A级电流测量孔，根据电流的流向将万用表表笔分别搭在两根排针上，并按下按钮K1开始充电，充电结束后，盖上短路帽 使用万用表观察电容器充电时电流的变化情况
拔下排针P2的短路帽，根据电流的流向将万用表表笔分别搭在两根排针上，并按下按钮K2开始放电，放电结束后盖上短路帽 使用万用表观察电容器放电时电流的变化情况
重复充放电过程 将万用表打到直流电压档，红黑表笔分别放在电容器的正负极，观察充电和放电过程中电容器两端电压的变化情况
总计：65分钟
项目评价
根据表5-5完成任务检测。
表5-5 任务检测标准
序号 检测内容 执行标准 自评 教师评
1 电路功能 1.电路功能完全实现 -A
2.实现部分功能 -B
3.不能实现功能 -C
2 工艺要求 1.电路布局美观合理 -A
2.布局欠美观 -B
3.布局杂乱无章 -C
3 安全文明 1.工具摆放整齐，仪表使用规范，无安全事故 -A
2.工具不齐，但无安全事故 -B
3.出现安全事故或损坏仪表 -C
六、项目拓展
超级电容器
超级电容器是一种能存储大量电子的典型的电容器，其容量能达到几百甚至上千法拉。如图5-18这种电容器的充电速度非常快，可以在非常短的时间内快速的充电到它的电压等级内的任意电压，而且超级电容器的电量输出可以达到电池的10倍。
与传统电容器相比，超级电容器的充电和放电速度快，并且对过充电和过放电有一定的承受能力，使用安全，循环寿命长，工作温度范围宽，绿色环保。由于这些特点，超级电容器现广泛应用于各行各业，如：快速充电手电筒、电动玩具、电动工具等；以及电动汽车、电动叉车、起重机、航空航天等运输领域；太阳能、风能等再生能源领域。如图5-19即为使用超级电容器的电动汽车。
七、项目练习
一、填空题
1．电容器的基本特性是能够 。
2．电容器按有无极性分，可分为有极性电容器和无极性电容器。其中瓷片电容是 电容器，而电解电容是 电容器。
3．某瓷片电容上标注为“105”，则其标称电容值为 。
4．某电解电容上标注为“25V 47μF”，则其标称电容值为 ，耐压值为 。
二、判断题
（ ）1．电容器充电和放电时电路中的电荷直接通过了电容器中的介质。
（ ）2．电容器是一种储能元件。
（ ）3．电容器充电完成后，电容器的两极板上就带上了等量的异种电荷。
（ ）4．当电容器的容量不够时，可以通过并联电容器使容量增大。
（ ）5．电容器能通直流隔交流。
选择题
1.下列关于电容器分类的说法错误的是（ ）
A.按有无极性分，可分为有极性电容器和无极性电容器
B.按结构形式分，可分为固定电容器、可变电容器和半可变电容器
C.按其介质材料分，可分为瓷片电容器、云母电容器、涤纶电容器等
D.按用途分，可分为电子电容器和电工电容器
2.某涤纶电容器上标注为“2A562J”其电容量为（ ）
A.562μF B.5600μF C.5600pF D.5620pF
3.关于电容器中储存的能量，下列说法正确的是（ ）
A.电能 B.电场能量 C.磁场能量 D.内能
4.下图5-20所示电容器左边的管脚为电容器的（ ）
A.正极 B.负极 C.无极性 D.无法判断

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