Электроника:Постоянный ток/Постоянные времени в RC и L/R цепях/Расчёт неизвестного времени

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Расчёт неизвестного времени

До этого мы рассчитывали изменение напряжения или силы тока за определённый и уже известный промежуток времени. Иногда требуется решить противоположную задачу – необходимо определить время, которое потребуется реактивной схеме для достижения заданного значения электрической характеристики. Это особенно актуально, когда мы проектируем RC- или L/R-схему с функцией выполнения точной синхронизации. Чтобы рассчитать это, нужно изменить нашу универсальную формулу постоянной времени. Исходная формула выглядит так:

Рис. 1. Универсальная формула постоянной времени из предыдущих разделов.

Расчёт времени с использованием универсальной постоянной времени

Однако теперь мы хотим рассчитать общее время, а не количественные изменения напряжения или силы тока. Для этого алгебраически преобразуем формулу так, чтобы время оказалось по одну сторону от знака равенства, а всё остальные - по другую:

Рис. 2-3. Универсальное решение для определения общего времени, если известны постоянная времени и начальные/конечные значения электрической характеристики.

Рис. 2-3. Универсальное решение для определения общего времени, если известны постоянная времени и начальные/конечные значения электрической характеристики.

Обозначение ln – это натуральный логарифм: эта функция обратна возведению в степень числа е. Фактически, эти две функции (возведение e в степень и извлечение натурального логарифма) связаны следующим образом:

Если, e^x = a, то ln a = x.

Если, e^x = a, то натуральный логарифм a даст нам x: степень, в которую требуется возвести e, чтобы получить a.

Давайте посмотрим, как всё это работает на реальной схеме. Возьмём ту же схему «резистор-конденсатор» из начала главы (см. раздел «2. Переходные процессы в цепях с конденсатором»). Теперь мы можем действовать «в обратном направлении», т.е. зная определенные значения напряжения на конденсаторе, сможем определять, сколько времени потребовалось, чтобы это значение было достигнуто.

Рис. 4. Пример схемы «резисторного-конденсатор» из раздела про переходные процессы в RC-цепях.

Постоянная времени остаётся прежней: 1 секунда (10 кОм умноженные на 100 мкФ), а начальные/конечные значения также остаются неизменными (E_C = 0 вольт в начале и 15 вольт в конце). Согласно нашей таблице, которую мы составили тогда, конденсатор зарядится до 12,970 вольт за 2 секунды. Давайте подставим значение 12,970 вольт в качестве «изменения» в нашей новой формуле и поглядим, получим ли мы 2 секунды в ответе:

Рис. 5. Подставляем уже известное значение напряжения для конденсатора и получаем, что это значение будет достигнуто через 2 секунды.

Действительно, мы получили значение 2 секунды для времени, которое требуется для перепада напряжения на конденсаторе от 0 до 12,970 вольт. Этот вариант универсальной формулы постоянной времени будет работать для всех ёмкостных и индуктивных цепей, как для «зарядки», так и «для разрядки», при условии, что надлежащие значения постоянной времени, а также начальные/конечные значения являются корректными.

Помните, что самое главное при решении подобных задач – не напутать с исходными данными. Ну, а затем, с учётом порядка действий в этой формуле, просто на вашем калькуляторе надо будет нажать много-много кнопок!

Итог

• Чтобы определить время, необходимое RC- или L/R-цепи для достижения определённого значения напряжения или силы тока, нужно видоизменить универсальную формулу постоянной времени, чтобы вычислить прошедшее время, а не изменение электрической характеристики.

• Чтобы извлечь искомое время из показателя степени числа е, используется натуральный логарифм (ln), представленный на любом научном калькуляторе.