Obwód RC. Równanie różniczkowe i stała czasowa
Napięcie kondensatora ładowanego przez opornik nie rośnie liniowo. W miarę ładowania maleje napięcie na oporniku, a więc także prąd. Proste równanie obwodu prowadzi do przebiegu wykładniczego i pojęcia stałej czasowej.
W tym materiale
Napięcie kondensatora ładowanego przez opornik nie rośnie liniowo. W miarę ładowania maleje napięcie na oporniku, a więc także prąd. Proste równanie obwodu prowadzi do przebiegu wykładniczego i pojęcia stałej czasowej.
Potrzebne wiadomości: Prawo Kirchhoffa, pojemność kondensatora, pochodna i funkcja wykładnicza.
Od bilansu napięć do równania
Idealne źródło stałego napięcia ε łączymy szeregowo z opornikiem R i kondensatorem C. Niech u oznacza napięcie kondensatora, a i dodatni prąd jego ładowania. Ponieważ q = Cu i i = dq/dt, dla stałego C mamy i = C du/dt. Prawo Kirchhoffa daje:
Ri+u=\varepsilon,\qquad RC\frac{du}{dt}+u=\varepsilon.
Dla początkowo rozładowanego kondensatora, u(0) = 0, rozwiązanie wynosi:
u(t)=\varepsilon(1-e^{-t/\tau}),\qquad i(t)=\frac{\varepsilon}{R}e^{-t/\tau},\qquad \tau=RC.
Iloczyn RC ma jednostkę sekundy. Można to sprawdzić z Ω·F = (V/A)(C/V) = C/A = s. τ nie jest czasem pełnego naładowania: po jednej stałej czasowej napięcie osiąga około 63,2% wartości końcowej. W modelu wykładniczym dochodzenie do ε jest asymptotyczne.
Warunki początkowe i końcowe
W chwili 0⁺ napięcie kondensatora nadal wynosi zero, a prąd ε/R. Dla czasu dążącego do nieskończoności napięcie zbliża się do ε i prąd do zera. Te granice pozwalają odróżnić poprawne rozwiązanie od funkcji opisującej rozładowanie.
Po odłączeniu źródła i zamknięciu drogi rozładowania przez R kondensator o początkowym napięciu U₀ spełnia RC du/dt + u = 0. Energia pola elektrycznego wynosi E = Cu²/2. Otrzymujemy:
u(t)=U_0e^{-t/\tau},\qquad E(t)=E_0e^{-2t/\tau}.
Energia maleje więc szybciej niż samo napięcie. W obu wykładnikach cały iloraz czasu i stałej czasowej jest bezwymiarowy.
Przykład
Dla R = 1000 Ω i C = 100 μF stała czasowa wynosi 0,10 s. Przy źródle 5 V po 0,10 s napięcie osiągnie około 3,16 V, a prąd spadnie z początkowych 5 mA do około 1,84 mA.
Rozpatrujemy elementy liniowe o stałych parametrach, bez prądów upływu i dodatkowych oporów źródła. Rzeczywisty przebieg może się od nich różnić. Napięcie idealnego kondensatora nie może skoczyć bez impulsu prądu; skończony opór w tym obwodzie wyklucza taki impuls.
Zadania do tego tematu
- Obwód RC — zadanie: napięcie i prąd po jednej stałej czasowej
- Obwód RC — zadanie: spadek napięcia i energii podczas rozładowania
Komentarze (0)
Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.
RSS komentarzy · Powiadomienia e-mail
Dodaj komentarz
Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto