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輸入計算

數學公式

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  1. Discharging Voltage

    Discharging Voltage: RC 電路計算機

    Tau = R x C; discharging voltage decays from V0 toward 0

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結果

時間常數(τ = R × C)
0.1
充電時的電容器電壓 V(t) 3.1606 V
放電時的電容器電壓 V(t) 1.8394 V
時間 t 時的充電百分比 63.21 %

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。

包含電壓源、電阻和電容的串聯 RC 電路原理圖
基本串聯 RC 電路:電壓源、電阻 R 和電容 C。

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%)。

電容隨時間變化的指數充電與放電電壓曲線
電容電壓在充電時呈指數上升,在放電時呈指數下降。

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。

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