v2.0.9792.42761
Fizyka dla każdego
Filtry RC i odpowiedź częstotliwościowa · 1 min czytania

Pojemność wyznaczona z tłumienia sinusoidy

Opublikowano: 25.10.2026
Wyślij link e-mailem Własna poczta Komentarze: 0

W nieobciążonym filtrze dolnoprzepustowym R = 2,00 kΩ. Przy f = 800 Hz zmierzono amplitudę wejścia 2,50 V i amplitudę wyjścia 1,50 V. Przyjmij idealne źródło, idealne R i C oraz sinusoidalny stan ustalony. Wyznacz C, fg i przewidywane przesunięcie fazowe. Wyjaśnij, dlaczego sam taki pomiar nie rozdzieliłby nieznanego R od nieznanego C.

Pokaż rozwiązanieUkryj rozwiązanie
Wskazówka

Zmierzony stosunek amplitud wynosi 0,6. Odwróć równanie k = 1/√(1 + x²), wybierając dodatnie x = ωRC.

Rozwiązanie

1. Pomiar daje iloczyn ωRC

Stosunek amplitud wynosi k = 1,50/2,50 = 0,600. Kwadratujemy, odwracamy i dopiero potem odejmujemy jeden:

k^2=\frac{1}{1+x^2},\qquad x^2=\frac{1}{k^2}-1=\frac{1}{0{,}36}-1=\frac{16}{9}.

Fizycznie x = ωRC > 0, więc wybieramy x = 4/3. Ujemny pierwiastek nie jest drugą dopuszczalną pojemnością w tym modelu.

2. Z iloczynu odzyskujemy C

C=\frac{x}{2\pi fR}=\frac{4/3}{2\pi\cdot800\,\mathrm{Hz}\cdot2000\,\Omega}\approx132{,}63\,\mathrm{nF}.

Rachunek wykonany w hercach, omach i sekundach daje farady. Wynik to około 1,3263 · 10⁻⁷ F; zapis 132,63 µF byłby tysiąc razy za duży. Jednocześnie x = f/fg, zatem fg = 800 Hz · 3/4 = 600 Hz.

3. Faza jest niezależnym sprawdzianem modelu

\varphi=-\arctan\frac43\approx-53{,}130^\circ.

Wyjście powinno być opóźnione. Para k = 3/5 i sin(|φ|) = 4/5 tworzy znany trójkąt 3–4–5. Gdyby rzeczywisty pomiar fazy wyraźnie nie zgadzał się z przewidywaniem, należałoby sprawdzić między innymi obciążenie, opór źródła, częstotliwość i sposób odczytu amplitud. Nie wolno automatycznie przypisać każdej rozbieżności kondensatorowi.

Gdyby nieznane były zarówno R, jak i C, dane wyznaczałyby jedynie RC = x/(2πf). Dwa razy większe R i dwa razy mniejsze C dałyby tę samą odpowiedź częstotliwościową idealnego, nieobciążonego filtru.

Znana wartość R usuwa tę niejednoznaczność: wyliczone C jest jedyną dodatnią pojemnością zgodną z zadanym idealnym modelem.

Wynik: C ≈ 132,63 nF; fg = 600 Hz; φ ≈ −53,130°.

Powiązana teoria

Filtr RC dolnoprzepustowy: amplituda i opóźnienie sinusoidy

Dalsza lektura

Materiał referencyjny

Zobacz amplitudę i fazę

Najpierw przewiduj: Ustaw częstotliwość równą f₀ = 1/(2πRC). Jaki ułamek amplitudy zostanie na wyjściu? Sprawdź też przesunięcie obu sinusoid.

Zmieniaj jedną wielkość i porównuj wyniki

Ruch uruchamiasz samodzielnie. Esc zatrzymuje animację; suwaki i przycisk „Jeden krok” pozwalają oglądać kolejne chwile bez odtwarzania.

Filtr dolnoprzepustowy RC z napięciem wyjściowym na kondensatorze.
Filtr dolnoprzepustowy RC z napięciem wyjściowym na kondensatorze. Wybierz rysunek, aby otworzyć go w pełnym rozmiarze.

R₁ = 10 kΩ i C₁ = 0,1 µF dają RC = 0,001 s oraz f₀ ≈ 159,155 Hz. Przy tej częstotliwości pojedynczy nieobciążony filtr ma |H| ≈ 0,707; kaskada jednakowych stopni bez bufora ma |H| = 1/3.

Co oblicza model i gdzie kończą się jego założenia?

Wykres przedstawia amplitudę napięcia, dlatego G_{\rm dB}=20\log_{10}|H|. f₀ = 1/(2πR₁C₁) jest częstotliwością odniesienia pojedynczego nieobciążonego stopnia. W układzie obciążonym lub w kaskadzie nie musi być częstotliwością graniczną całego układu. Amplituda wejścia wynosi 5 V, a nie 5 V wartości skutecznej.

Obciążenie RL jest równoległe do kondensatora wyjściowego. Zmniejsza wzmocnienie stałoprądowe do RL/(R₁ + RL). W kaskadach R₂ = kR₁ oraz C₂ = C₁/k, więc oba izolowane stopnie mają tę samą stałą RC. Bez bufora człon R₁C₂ pozostaje w mianowniku transmitancji i obniża amplitudę względem kaskady buforowanej.

Porównujemy sinusoidy w stanie ustalonym. Faza nie jest prędkością przesyłania informacji; wyprzedzenie fazowe w filtrze górnoprzepustowym nie oznacza reakcji na przyszłe zdarzenie. Pomijamy pasożytnicze elementy i tolerancje. Suwak czasu pokazuje t/T sinusoidy; odtwarzanie jest celowo spowolnione do jednego okresu na dwie sekundy.

Najpierw spróbuj samodzielnie. Zapisz dane, wybierz prawa fizyczne i sprawdź jednostki. Przejdź do zadań ze sprawdzaniem odpowiedzi »

Ostatnie materiały autora

Wszystkie materiały autora »

Komentarze (0)

Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.

Dodaj komentarz

Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto

Emotikony

Zaznacz tekst i wybierz formatowanie lub użyj Ctrl/Cmd+B, I, U w polu komentarza. Znaczniki HTML nie są wykonywane.

Wybór wszystkich komentarzy obejmuje odpowiedzi. Powiadomienia wymagają potwierdzenia adresu; zrezygnujesz z nich przez link w wiadomości.

← Wróć do działu: Zadania Do góry ↑
Nie znalazłeś szukanego materiału? Napisz do nas — pomóż nam rozwijać Fizykę dla każdego.