時間常數(shù)表示過渡反應的時間過程的常數(shù)。指該化學量從最大值衰減到最大值的1/e所須要的時間。對于某一按指數(shù)規(guī)律衰變的量,其幅值衰變?yōu)?/e倍時所需的時間稱為時間常數(shù)。
RC的時間常數(shù):表示過渡反應的時間過程的常數(shù)。在內(nèi)阻、電容的電路中,它是阻值和電容的乘積。若C的單位是μF(微法),R的單位是MΩ(兆歐),時間常數(shù)的單位就是秒。在這樣的電路中當恒定電壓I流過時,電容的端電流達到最大值(等于IR)的1-1/e時即約0.63倍所須要的時間即是時間常數(shù),而在電路斷掉時,時間常數(shù)是電容的端電流達到最大值的1/e,即約0.37倍時所須要的時間。
RLC暫態(tài)電路時間常數(shù)是在RC電路中,電容電流Uc總是由初始值Uc(0)按指數(shù)規(guī)律單調(diào)的衰減到零,其時間常數(shù)τ=RC。
注:求時間常數(shù)時,把電容以外的電路視為有源二端網(wǎng)路,將電源置零,之后求出有源二端網(wǎng)路的等效內(nèi)阻即為R在RL電路中,iL總是由初始值iL(0)按指數(shù)規(guī)律單調(diào)的衰減到零,其時間常數(shù)τ=L/R
RC電路時間常數(shù)的估算
假定有電源Vu通過內(nèi)阻R給電容C充電,V0為電容上的初始電流值,Vu為電容飽含電后的電流值,Vt為任意時刻t時電容上的電流值,這么便可以得到如下的估算公式:
Vt=V0+(Vu–V0)*[1–exp(-t/RC)]
假如電容上的初始電流為0,則公式可以簡化為:
Vt=Vu*[1–exp(-t/RC)]
由上述公式可知,由于指數(shù)值只可能無限接近于0求電阻的物理公式,但永遠不會等于0,所以電容電量要完全飽含,須要無窮大的時間。
當t=RC時,Vt=0.63Vu;
當t=2RC時,Vt=0.86Vu;
當t=3RC時,Vt=0.95Vu;
當t=4RC時,Vt=0.98Vu;
當t=5RC時,Vt=0.99Vu;
可見,經(jīng)過3~5個RC后,充電過程基本結束。
當電容飽含電后,將電源Vu漏電,電容C會通過R放電,則任意時刻t,電容上的電流為:
Vt=Vu*exp(-t/RC)
對于簡單的串聯(lián)電路,時間常數(shù)就等于內(nèi)阻R和電容C的乘積,并且,在實際電路中,時間常數(shù)RC并不這么容易算,比如右圖(a)。
rc電路時間常數(shù)的定義及估算
對于上圖(a),倘若從充電的角度去估算時間常數(shù)會比較難,我們不妨換個角度來思索,我們曉得,時間常數(shù)只與內(nèi)阻和電容有關,而與電源無關,對于簡單的由一個內(nèi)阻R和一個電容C串聯(lián)的電路來說,其充電和放電的時間參數(shù)是一樣的,都是RC,所以,我們可以把上圖中的電源漏電,使電容C1放電,如上圖(b)所示,很容易得到其時間常數(shù):
t=RC=(R1//R2)*C
使用同樣的方式,可以將右圖(a)電路等效成(b)的放電電路方式,得到電路的時間常數(shù):
t=RC=R1*(C1+C2)
rc電路時間常數(shù)的定義及估算
用同樣的方式,可以將右圖(a)電路等效成(b)的放電電路方式,得到電路的時間常數(shù):
t=RC=((R1//R3//R4)+R2)*C1
rc電路時間常數(shù)的定義及估算
對于電路時間常數(shù)RC的估算,可以歸納為以下幾點:
1、如果RC電路中的電源是電流源方式,先把電源“短路”而保留其串聯(lián)電阻;
2、把除去電源后的電路簡化成一個等效內(nèi)阻R和等效電容C串聯(lián)的RC放電回路,等效內(nèi)阻R和等效電容C的乘積就是電路的時間常數(shù);
3、如果電路使用的是電壓源方式,應把電壓源開路而保留它的并聯(lián)電阻,再按簡化電路的方式求出時間常數(shù);
4、計算時間常數(shù)應注意各個參數(shù)的單位,當內(nèi)阻的單位是“歐姆”,電容的單位是“法拉”時,乘得的時間常數(shù)單位才是“秒”。
對于在高頻工作下的RC電路,因為寄生參數(shù)的影響,很難按照電路中各元元件的標稱值來估算出時間常數(shù)RC,這時,我們可以按照電容的充放電特點來通過曲線方式估算,上面早已介紹過了,電容充電時,經(jīng)過一個時間常數(shù)RC時,電容上的電流等于充電電源電流的0.63倍,放電時,經(jīng)過一個時間常數(shù)RC時求電阻的物理公式,電容上的電流增長到電源電流的0.37倍。
rc電路時間常數(shù)的定義及估算
如上圖所示,如通過實驗的方式繪出電容的充放電曲線,在起點處做一條充放電切線,則切線與縱軸的交點就是時間常數(shù)RC。