ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์

เครื่องคำนวณเวลาและตัวกรอง RC

คำนวณค่าคงตัวเวลา RC การชาร์จและคายประจุของตัวเก็บประจุ และการตอบสนองของตัวกรองผ่านต่ำหรือผ่านสูงแบบพาสซีฟ

01

ค่าที่ป้อน

ป้อนเป้าหมายที่มากกว่า 0% และน้อยกว่า 100% ของแรงดันจ่ายหรือแรงดันเริ่มต้น

แหล่งจ่ายและอุปกรณ์อุดมคติ ไม่มีโหลดที่เอาต์พุต การชาร์จเริ่มจาก 0 V และการคายประจุเริ่มจากแรงดันเริ่มต้นที่ป้อน

02

ผลลัพธ์

ค่าคงตัวเวลา · τ
—
ความถี่ตัด
—
แรงดันตัวเก็บประจุ
—
สัดส่วนแรงดัน
—
เวลาถึงเป้าหมาย—
กราฟการตอบสนอง
สูตรτ = R × C

สำรวจการชาร์จ การคายประจุ และตัวกรอง RC อันดับหนึ่ง

ใช้ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุอย่างละตัวเพื่อประมาณค่าคงตัวเวลา แรงดันตัวเก็บประจุตามเวลา หรือการตอบสนองความถี่ของตัวกรองในอุดมคติ การชาร์จเริ่มจากตัวเก็บประจุที่ยังไม่มีประจุ ส่วนการคายประจุเริ่มจากแรงดันเริ่มต้นที่คุณป้อน โหมดตัวกรองแทนวงจร RC อันดับหนึ่งที่ไม่มีโหลด การคำนวณไม่รวมค่าความคลาดเคลื่อนของอุปกรณ์ กระแสรั่ว และอิมพีแดนซ์เพิ่มเติมของแหล่งสัญญาณหรือโหลด

ขั้นตอนการใช้งาน

  1. เลือกโหมดชาร์จ คายประจุ ความถี่ต่ำผ่าน หรือความถี่สูงผ่าน ป้อนความต้านทานและความจุโดยตรวจสอบหน่วย ช่องป้อนใช้ kΩ และ nF เป็นค่าเริ่มต้น
  2. สำหรับการคำนวณเวลา ให้ป้อนแรงดันแหล่งจ่ายหรือแรงดันเริ่มต้น เวลาที่ผ่านไปเป็น ms และเปอร์เซ็นต์เป้าหมาย สำหรับตัวกรอง ให้ป้อนความถี่สัญญาณที่เป็นบวกเป็น Hz แล้วเปรียบเทียบกับความถี่ตัดที่แสดง
  3. อ่านผลลัพธ์ที่ตรงกับโหมดและกราฟการตอบสนอง การคำนวณเวลาแสดงแรงดันตัวเก็บประจุและเวลาที่ใช้ถึงเป้าหมาย ส่วนตัวกรองแสดงอัตราขยายแรงดัน เดซิเบล และเฟส กราฟใช้แกนที่ปรับเป็นค่ามาตรฐาน จึงควรเทียบตำแหน่งบนกราฟกับค่าคงตัวเวลาหรือความถี่ตัดที่แสดง

การตั้งค่าและข้อจำกัด

ค่าคงตัวเวลาและความถี่ตัด
ค่าคงตัวเวลาที่ใช้ร่วมกันคือ τ = R × C และความถี่ตัดคือ fc = 1 / (2πRC) การเพิ่มค่าของอุปกรณ์ตัวใดตัวหนึ่งจะเพิ่มค่าคงตัวเวลาและลดความถี่ตัด ค่าทั้งสองยังแสดงอยู่เมื่อคุณสลับระหว่างโหมดเวลาและโหมดตัวกรอง
เปอร์เซ็นต์เป้าหมาย
เป้าหมายต้องมากกว่า 0% และน้อยกว่า 100% ในโหมดชาร์จ เป้าหมายคือสัดส่วนของแรงดันแหล่งจ่ายสุดท้าย ส่วนในโหมดคายประจุ เป้าหมายคือสัดส่วนของแรงดันเริ่มต้นที่ยังเหลืออยู่ เส้นโค้งเอ็กซ์โพเนนเชียลในอุดมคติเข้าใกล้ค่าสุดท้ายโดยไม่ถึงค่านั้นในเวลาที่จำกัด
อัตราขยายและเฟส
อัตราขยายของตัวกรองเป็นอัตราส่วนแรงดันขาออกต่อขาเข้า ไม่ใช่อัตราส่วนกำลัง ขาออกของตัวกรองความถี่ต่ำผ่านวัดคร่อมตัวเก็บประจุ ส่วนขาออกของตัวกรองความถี่สูงผ่านวัดคร่อมตัวต้านทาน ผลเฟสอธิบายสัญญาณไซน์ขาออกเทียบกับขาเข้าในวงจรอุดมคติที่เลือก

ตัวอย่างการใช้งาน

เลือกการชาร์จด้วย R = 10 kΩ, C = 100 nF แหล่งจ่าย 5 V เวลาที่ผ่านไป 1 ms และเป้าหมาย 90% ค่าคงตัวเวลาเท่ากับ 1 ms และความถี่ตัดประมาณ 159.155 Hz

ผลลัพธ์ที่คาดหวัง
RCτfcVc (1 ms)t (90%)
10 kΩ100 nF1 ms159.155 Hz3.1606 V2.30259 ms

ที่ 1 ms แรงดันตัวเก็บประจุประมาณ 3.1606 V หรือ 63.2121% การถึง 90% ใช้เวลาประมาณ 2.30259 ms การคายประจุจาก 5 V ให้แรงดันประมาณ 1.8394 V เมื่อผ่านไปเท่ากัน ในโหมดความถี่ต่ำผ่านที่ความถี่ตัดที่แสดง อัตราขยายประมาณ 0.707107 V/V พร้อมค่า −3.0103 dB และเฟส −45°

คำถามและการแก้ปัญหา

ทำไมเวลาถึงเป้าหมายจึงเปลี่ยนเมื่อสลับไปคายประจุ?

ตอนนี้เป้าหมายหมายถึงแรงดันที่เหลืออยู่ แทนแรงดันที่เพิ่มถึงระหว่างการชาร์จ เป้าหมายสูงจะถึงเร็วในช่วงคายประจุและถึงช้ากว่าในช่วงชาร์จ เลือกเปอร์เซ็นต์แรงดันที่เหลือซึ่งตรงกับค่าเกณฑ์ที่คุณต้องการ

ใช้ผลนี้เป็นการตอบสนองของตัวกรองที่มีโหลดได้หรือไม่?

แบบจำลองสมมติว่าขาออกไม่ดึงกระแส และแหล่งสัญญาณขาเข้าไม่เพิ่มความต้านทาน โหลดหรือความต้านทานของแหล่งสัญญาณที่มีนัยสำคัญจะเปลี่ยนพฤติกรรมวงจร ให้รวมผลเหล่านั้นในแบบจำลองวงจรที่เหมาะสม แทนการถือว่าผลนี้เป็นการตอบสนองขณะมีโหลด

ทำไมผลการคำนวณเวลาหรือตัวกรองจึงว่าง?

ความต้านทานและความจุต้องเป็นบวก การคำนวณเวลาต้องใช้แรงดันและเวลาที่ผ่านไปที่ไม่เป็นลบ พร้อมเป้าหมายภายในช่วงที่อนุญาต ส่วนความถี่ตัวกรองต้องเป็นบวก แก้ค่าป้อนที่ถูกเน้นและตรวจสอบว่าหน่วยที่ป้อนตรงกับช่อง