什麼是電容充電時間計算機?
這個工具用來模擬電容在簡單 RC(電阻-電容)電路中,透過電阻充電的過程。當接上直流電源時,電容電壓會以指數方式逐漸逼近電源電壓。本計算機可算出任一時刻的電容電壓、電路的時間常數、充電百分比,以及大致充滿電所需的時間。
使用方式
請輸入電源電壓(Vs,單位為伏特 V)、串聯電阻(R,單位為歐姆 Ω)、電容值(C,單位為微法拉 µF),以及經過的時間(t,單位為秒)。計算機會自動將微法拉換算為法拉,並套用指數充電公式進行運算。
公式說明
電容電壓的變化遵循 $$V(t) = \text{V}_s \left( 1 - e^{-t/RC} \right)$$ 其中 \(R\) 與 \(C\) 的乘積就是時間常數 \(\tau\),以秒為單位。經過一個時間常數後,電容約可充到電源電壓的 63.2%;而經過五個時間常數(\(5\tau\))後,則約充至 99.3%,在實務上即視為「充滿電」。
實例演算
假設 \(V_s = 12\,\text{V}\)、\(R = 1{,}000\,\Omega\)、\(C = 100\,\mu\text{F}\)(即 \(0.0001\,\text{F}\))。則時間常數 $$\tau = 1000 \times 0.0001 = 0.1\ \text{秒}$$ 經過 \(t = 0.1\) 秒(一個 \(\tau\))後,$$V(t) = 12 \times \left( 1 - e^{-1} \right) = 12 \times 0.6321 \approx 7.585\ \text{V}$$ 約為電源電壓的 63.2%。
常見問題
為什麼要把 µF 換算成法拉?公式採用 SI 國際單位制,因此微法拉必須除以 1,000,000 才能正確計算。
電容什麼時候才算「充滿」?就數學而言,它永遠無法達到 100%,但經過 \(5\tau\) 後已充至超過 99%,一般即視為充滿。
這個工具能用來計算放電嗎?不行,本計算機僅模擬充電過程。放電則遵循 \(V(t) = \text{V}_s \cdot e^{-t/RC}\)。