什麼是 RC 電路?
RC 電路是由一個電阻(R)與一個電容(C)所組成。當接上電源時,電容器會透過電阻以指數曲線的方式充電;而當電源移除後,它也會以同樣的形式放電。其中最關鍵的參數就是時間常數 \(\tau = \text{R} \times \text{C}\),它決定了這些變化發生的快慢。
如何使用本計算機
請輸入以歐姆(Ω)為單位的電阻、以微法(µF)為單位的電容、以伏特(V)為單位的電源電壓 V₀,以及以秒(s)為單位的經過時間 t。計算機會回傳時間常數 τ、在時間 t 時電容器充電與放電的電壓,以及此時達到的充電百分比。
公式解析
時間常數為 \(\tau = \text{R} \times \text{C}\)。由於電容是以 µF 輸入,計算前會先換算成法拉(\(\times 10^{-6}\))再相乘。充電電壓遵循
$$V_C(t) = \text{V}_0 \left( 1 - e^{-t/\tau} \right)$$放電則遵循
$$V_D(t) = \text{V}_0 \, e^{-t/\tau}$$經過一個 τ 後,電容器會充到約 63.2% 的 V₀;經過 5τ 後則幾乎完全充滿(約 99.3%)。
實例演算
假設 R = 1000 Ω、C = 100 µF,則 \(\tau = 1000 \times 0.0001 = 0.1\) 秒。若 V₀ = 5 V,在 t = 0.1 秒(剛好一個 τ)時:
$$V(t) = 5 \times \left( 1 - e^{-1} \right) = 5 \times 0.6321 = 3.161 \ \text{V}$$也就是電容器已充電 63.21%。此時放電的電壓則為 \(5 \times e^{-1} = 1.839\) V。
常見問題
要多久才會充飽?實務上,大約經過 5 個時間常數(5τ)後,電容器就會達到電源電壓的約 99.3%。
為什麼要把 µF 換算成法拉?SI 的基本單位是法拉,\(1 \ \text{µF} = 10^{-6} \ \text{F}\)。使用法拉可讓 τ 的單位保持為秒。
這適用於交流電(AC)嗎?本工具模擬的是直流(DC)的暫態(步階)響應。交流分析則需改用電抗與相位來計算。