Sine wave and RMS: what “220 V” really meansคลื่นไซน์และค่าอาร์เอ็มเอส: “220 V” หมายความว่าอะไรจริง ๆ

Graph a sine wave, square it, average it and take the root. See why mains quoted as 220 V swings to 311 V, and why the √2 rule only works for sines.วาดกราฟคลื่นไซน์ ยกกำลังสอง หาค่าเฉลี่ย แล้วถอดราก ดูว่าทำไมไฟบ้านที่ระบุว่า 220 V จึงแกว่งถึง 311 V และทำไมกฎ √2 ใช้ได้กับคลื่นไซน์เท่านั้น

Loading module…กำลังโหลดโมดูล…

Describing a sine wave

A sinusoidal voltage is fixed by three numbers: its peak Vp, its frequency f and its phase φ. The period is T = 1/f and the angular frequency ω = 2πf.

v(t) = Vp·sin(ωt + φ)
T = 1/f,   ω = 2πf
Vpp = 2·Vp

RMS: root of the mean of the square

The average of a sine wave over a period is zero, so the average is useless for power. RMS (root-mean-square) asks a better question: what DC voltage would heat a resistor equally? Square the waveform so every part is positive, take the mean over one period, then the square root.

For a sine, the mean of sin² is exactly ½, so Vrms = Vp/√2. That is why Thai mains, quoted as 220 V rms, actually peaks at 220·√2 ≈ 311 V.

Vrms = √( (1/T)·∫ v² dt )
sine: Vrms = Vp / √2 ≈ 0.707·Vp

Square and triangle waves break the √2 rule

The factor √2 comes from the shape of a sine. A square wave sits at ±Vp all the time, so v² is Vp² everywhere and Vrms = Vp. A triangle wave spends more time near zero, so Vrms = Vp/√3. The ratio Vp/Vrms is called the crest factor.

  • Sine: Vrms = 0.707·Vp, crest factor 1.414
  • Square: Vrms = Vp, crest factor 1
  • Triangle: Vrms = 0.577·Vp, crest factor 1.732

The phasor: a rotating arrow

Picture an arrow of length Vp rotating anticlockwise at ω. Its height at any instant is Vp·sin(ωt + φ): the sine wave. The phase φ is just where the arrow starts. Phasors turn calculus on sines into geometry, which is how the RLC and three-phase sections work.

Worked example (the simulator’s default values)

  1. Sine wave, Vp = 311 V, f = 50 Hz.
  2. T = 1/50 = 20 ms; ω = 2π·50 = 314.2 rad/s; Vpp = 622 V.
  3. Vrms = 311/√2 = 220 V: the number on the electricity bill.
  4. Switch to a square wave of the same peak: Vrms = 311 V, so the same peak delivers twice the heating power (Vrms² is twice as big).

Common mistakes

  • Using Vrms = Vp/√2 for every waveform. It is true only for sines.
  • Confusing peak and peak-to-peak: an oscilloscope’s Vpp is twice the peak.
  • Treating the average of a sine as its “effective” value. The average over a period is zero; RMS is the effective value.

Common questions

How do you convert peak voltage to RMS?

For a sine wave divide by √2: Vrms = Vp/√2 ≈ 0.707·Vp. For other shapes use the definition: square, average over a period, square root.

Why is 220 V mains 311 V peak?

220 V is the RMS value. The peak of a sine is √2 times its RMS, and 220·√2 ≈ 311 V.

What is RMS used for?

RMS is the equivalent DC value for heating: a resistor dissipates P = Vrms²/R on AC, exactly as it would on that much DC. Ratings of mains, meters and loads are all RMS.

การอธิบายคลื่นไซน์

แรงดันรูปไซน์กำหนดได้ด้วยตัวเลขสามตัว: ค่ายอด Vp ความถี่ f และเฟส φ คาบคือ T = 1/f และความถี่เชิงมุม ω = 2πf

v(t) = Vp·sin(ωt + φ)
T = 1/f,   ω = 2πf
Vpp = 2·Vp

ค่าอาร์เอ็มเอส: รากของค่าเฉลี่ยของกำลังสอง

ค่าเฉลี่ยของคลื่นไซน์ตลอดหนึ่งคาบเป็นศูนย์ จึงใช้คิดเรื่องกำลังไม่ได้ ค่า rms ถามคำถามที่ดีกว่า: แรงดันไฟตรงเท่าใดที่ทำให้ตัวต้านทานร้อนเท่ากัน ยกกำลังสองรูปคลื่นเพื่อให้ทุกส่วนเป็นบวก หาค่าเฉลี่ยตลอดหนึ่งคาบ แล้วถอดรากที่สอง

สำหรับไซน์ ค่าเฉลี่ยของ sin² เท่ากับ ½ พอดี ดังนั้น Vrms = Vp/√2 นี่คือเหตุผลที่ไฟบ้านในไทยซึ่งระบุว่า 220 V rms มีค่ายอดจริงประมาณ 220·√2 ≈ 311 V

Vrms = √( (1/T)·∫ v² dt )
ไซน์: Vrms = Vp / √2 ≈ 0.707·Vp

คลื่นสี่เหลี่ยมและสามเหลี่ยมไม่เป็นไปตามกฎ √2

ตัวประกอบ √2 มาจากรูปร่างของไซน์ คลื่นสี่เหลี่ยมอยู่ที่ ±Vp ตลอดเวลา v² จึงเท่ากับ Vp² ทุกขณะ และ Vrms = Vp คลื่นสามเหลี่ยมอยู่ใกล้ศูนย์นานกว่า จึงได้ Vrms = Vp/√3 อัตราส่วน Vp/Vrms เรียกว่าแฟกเตอร์ยอด (crest factor)

  • ไซน์: Vrms = 0.707·Vp แฟกเตอร์ยอด 1.414
  • สี่เหลี่ยม: Vrms = Vp แฟกเตอร์ยอด 1
  • สามเหลี่ยม: Vrms = 0.577·Vp แฟกเตอร์ยอด 1.732

เฟสเซอร์: ลูกศรที่หมุน

นึกภาพลูกศรยาว Vp หมุนทวนเข็มนาฬิกาด้วยความเร็ว ω ความสูงของลูกศรในแต่ละขณะคือ Vp·sin(ωt + φ) ซึ่งก็คือคลื่นไซน์ เฟส φ คือตำแหน่งเริ่มต้นของลูกศร เฟสเซอร์เปลี่ยนแคลคูลัสของไซน์ให้เป็นเรขาคณิต ซึ่งเป็นพื้นฐานของหัวข้อ RLC และไฟฟ้าสามเฟส

ตัวอย่างการคำนวณ (ค่าเริ่มต้นของโปรแกรมจำลอง)

  1. คลื่นไซน์ Vp = 311 V, f = 50 Hz
  2. T = 1/50 = 20 ms; ω = 2π·50 = 314.2 rad/s; Vpp = 622 V
  3. Vrms = 311/√2 = 220 V ซึ่งคือตัวเลขในบิลค่าไฟ
  4. เปลี่ยนเป็นคลื่นสี่เหลี่ยมที่มีค่ายอดเท่ากัน: Vrms = 311 V ค่ายอดเท่ากันจึงให้กำลังความร้อนเป็นสองเท่า (Vrms² เป็นสองเท่า)

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

  • ใช้ Vrms = Vp/√2 กับทุกรูปคลื่น ซึ่งจริงสำหรับไซน์เท่านั้น
  • สับสนระหว่างค่ายอดกับค่ายอดถึงยอด: Vpp บนออสซิลโลสโคปเป็นสองเท่าของค่ายอด
  • ใช้ค่าเฉลี่ยของไซน์เป็นค่า “ประสิทธิผล” ค่าเฉลี่ยตลอดหนึ่งคาบเป็นศูนย์ ค่า rms ต่างหากคือค่าประสิทธิผล

คำถามที่พบบ่อย

แปลงแรงดันค่ายอดเป็นค่า rms อย่างไร?

สำหรับคลื่นไซน์ให้หารด้วย √2: Vrms = Vp/√2 ≈ 0.707·Vp สำหรับรูปคลื่นอื่นให้ใช้นิยาม: ยกกำลังสอง หาค่าเฉลี่ยตลอดหนึ่งคาบ แล้วถอดรากที่สอง

ทำไมไฟบ้าน 220 V จึงมีค่ายอด 311 V?

220 V คือค่า rms ค่ายอดของไซน์เป็น √2 เท่าของค่า rms และ 220·√2 ≈ 311 V

ค่า rms ใช้ทำอะไร?

ค่า rms คือค่าไฟตรงที่ให้ความร้อนเท่ากัน ตัวต้านทานใช้กำลัง P = Vrms²/R บนไฟสลับ เท่ากับเมื่อจ่ายไฟตรงขนาดนั้น พิกัดของไฟบ้าน มิเตอร์ และโหลดล้วนเป็นค่า rms