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输入计算

数学公式

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  1. Discharging Voltage

    Discharging Voltage: RC电路计算器

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

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结果

时间常数(τ = R × C)
0.1
充电时电容电压 V(t) 3.1606 V
放电时电容电压 V(t) 1.8394 V
时刻 t 的充电百分比 63.21 %

什么是RC电路?

RC电路由一个电阻(R)和一个电容(C)组合而成。接通电源后,电容会通过电阻按指数曲线充电;断开电源后,又会以同样的方式放电。其中最关键的参数就是时间常数 \(\tau = \text{R} \times \text{C}\),它决定了充放电过程的快慢。

包含电压源、电阻和电容的串联 RC 电路原理图
基本串联 RC 电路:电压源、电阻 R 和电容 C。

如何使用本计算器

依次填入电阻值(单位:欧姆 Ω)、电容值(单位:微法 µF)、电源电压 V₀(单位:伏特 V)以及经过的时间 t(单位:秒 s)。计算器会输出时间常数 τ、在时刻 t 时电容充电与放电的电压,以及此时已达到的充电百分比。

公式详解

时间常数的计算公式为 \(\tau = \text{R} \times \text{C}\)。由于电容是以微法(µF)为单位输入的,在相乘之前需先换算为法拉(\(\times 10^{-6}\))。充电电压遵循

$$V_C(t) = \text{V}_0 \left( 1 - e^{-t/\tau} \right)$$

放电电压遵循

$$V_D(t) = \text{V}_0 \, e^{-t/\tau}$$

经过一个 \(\tau\) 后,电容电压约达到 V₀ 的 63.2%;经过 \(5\tau\) 后基本充满(约 99.3%)。

电容随时间变化的指数充电与放电电压曲线
电容电压在充电时按指数上升,在放电时按指数下降。

实例演算

设 R = 1000 Ω、C = 100 µF,则

$$\tau = 1000 \times 0.0001 = 0.1 \text{ 秒}$$

当 V₀ = 5 V、t = 0.1 秒(恰好一个 \(\tau\))时:

$$V(t) = 5 \times \left( 1 - e^{-1} \right) = 5 \times 0.6321 = 3.161 \text{ V}$$

即电容已充电 63.21%。此时若处于放电状态,电压则为

$$5 \times e^{-1} = 1.839 \text{ V}$$

常见问题

充满电需要多久?在实际应用中,经过大约 5 个时间常数(\(5\tau\))后,电容电压即可达到电源电压的约 99.3%,可视为充满。

为什么要把 µF 换算成法拉?因为国际单位制(SI)的基本单位是法拉,\(1 \text{ µF} = 10^{-6} \text{ F}\)。使用法拉作为单位,才能保证算出的 \(\tau\) 以秒为单位。

这个计算器适用于交流电吗?本工具计算的是直流(阶跃)瞬态响应。交流分析需要改用容抗和相位来处理。

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