Jak działają obwody RC

Wypróbuj Nasz Instrument Do Eliminowania Problemów





W obwodzie RC kombinacja R (rezystor) i C (kondensator) jest używana w określonych konfiguracjach w celu regulacji przepływu prądu, w celu wprowadzenia pożądanego stanu.

Jeden z główne zastosowania kondensatora ma postać jednostki sprzęgającej, która umożliwia przejście prądu przemiennego, ale blokuje prąd stały. W prawie każdym praktycznym obwodzie zobaczysz kilka rezystancji połączonych szeregowo z kondensatorem.



Rezystancja ogranicza przepływ prądu i powoduje pewne opóźnienie napięcia zasilania podawanego do kondensatora, powodując narastanie ładunku w kondensatorze, proporcjonalnie do podawanego napięcia.

Stała czasowa RC

Wzór na określenie czasu RC (T) jest bardzo prosty:



T = RC, gdzie T = stała czasowa w sekundach R = rezystancja w megaomach C = pojemność w mikrofaradach.

(Można zauważyć, że ta sama wartość liczbowa dla T jest podana, jeśli R jest w omach, a C w faradach, ale w praktyce megaomy i mikrofarady są często znacznie łatwiejszymi jednostkami).

W obwodzie RC stałą czasową RC można zdefiniować jako czas, w którym napięcie przyłożone na kondensator osiąga 63% przyłożonego napięcia.

(ta wartość 63% jest faktycznie preferowana ze względu na łatwość obliczeń). W rzeczywistości napięcie na kondensatorze może narastać do praktycznie (ale nigdy do końca) 100% przyłożonego napięcia, jak pokazano na poniższym rysunku.

Element stałej czasowej oznacza długość czasu w postaci współczynnika czasowego, na przykład przy 1 współczynniku czasu sieci RC akumulowane jest 63% całkowitego napięcia, w okresie po 2X stałej czasowej wewnątrz wzrasta napięcie całkowite 80% kondensator i tak dalej.

Po stałej czasowej 5 prawie (ale nie całkiem) 100% napięcie może wzrosnąć na kondensatorze. Współczynniki rozładowania kondensatora zachodzą w ten sam podstawowy sposób, ale w odwrotnej kolejności.

Oznacza to, że po okresie czasu równym stałej czasowej 5 napięcie przyłożone do kondensatora osiągnie spadek o 100-63 = 37% pełnego napięcia i tak dalej.

Kondensatory nigdy nie są w pełni naładowane ani rozładowane

Teoretycznie przynajmniej kondensator nie może w żaden sposób ładować się do pełnego przyłożonego poziomu napięcia ani nie może być całkowicie rozładowany.

W rzeczywistości pełne naładowanie lub całkowite rozładowanie można uznać za dokonane w okresie odpowiadającym 5 stałym czasowym.

Dlatego w obwodzie pokazanym poniżej, przełącznik zasilania 1 spowoduje „pełne” naładowanie kondensatora w ciągu 5 x stałych sekund.

Następnie, gdy przełącznik 1 jest otwarty, kondensator może znajdować się w sytuacji, w której będzie przechowywał napięcie równe faktycznie przyłożonemu napięciu. I utrzyma ten ładunek przez nieokreślony czas, pod warunkiem, że kondensator ma zerowy upływ wewnętrzny.

Ten proces utraty ładunku będzie w rzeczywistości niezwykle powolny, ponieważ w rzeczywistości żaden kondensator nie może być doskonały, jednak przez pewien znaczący okres ten zmagazynowany ładunek może nadal być skutecznym źródłem pierwotnego napięcia pełnego naładowania.

Gdy kondensator jest przyłożony wysokim napięciem, może on szybko spowodować porażenie prądem elektrycznym w przypadku dotknięcia, nawet po wyłączeniu obwodu.

Aby wykonać cykl ładowania / rozładowania, jak pokazano na drugim schemacie graficznym powyżej, kiedy przełącznik 2 jest zamknięty, kondensator zaczyna się rozładowywać przez podłączony rezystor i zajmuje trochę czasu, aby zakończyć proces rozładowywania.

Kombinacja RC w oscylatorze relaksacyjnym

Powyższy rysunek przedstawia bardzo podstawowy obwód oscylatora relaksacyjnego działający w oparciu o podstawową teorię rozładowania ładunku kondensatora.

Zawiera rezystor (R) i kondensator (C) połączone szeregowo ze źródłem napięcia stałego. Aby móc fizycznie zobaczyć działanie obwodu, a lampa neonowa jest używany równolegle z kondensatorem.

Lampa zachowuje się praktycznie jak otwarty obwód, dopóki napięcie nie osiągnie progowej wartości granicznej napięcia, kiedy to natychmiast włącza się i przewodzi prąd zupełnie jak przewodnik i zaczyna świecić. W związku z tym źródło napięcia zasilającego dla tego prądu musi być wyższe niż napięcie wyzwalania neonu.

Jak to działa

Gdy obwód jest włączony, kondensator powoli zaczyna się ładować, zgodnie ze stałą czasową RC. Lampa zaczyna otrzymywać rosnące napięcie, które jest wytwarzane na kondensatorze.

W momencie, gdy ładunek ten na kondensatorze osiągnie wartość, która może być równa napięciu zapłonu neonu, lampa neonowa przewodzi i zaczyna świecić.

Kiedy tak się dzieje, neon tworzy ścieżkę rozładowania dla kondensatora i teraz kondensator zaczyna się rozładowywać. To z kolei powoduje spadek napięcia na neonie, a kiedy poziom ten spadnie poniżej napięcia zapłonu neonu, lampa wyłącza się i gaśnie.

Proces jest teraz kontynuowany, powodując miganie neonu. Szybkość lub częstotliwość migania zależy od wartości stałej czasowej RC, którą można dostosować, aby umożliwić powolne lub szybkie miganie.

Jeśli weźmiemy pod uwagę wartości składowe, jak pokazano na schemacie, stała czasowa dla obwodu T = 5 (megaomów) x 0,1 (mikrofaradów) = 0,5 sekundy.

Oznacza to, że zmieniając wartości RC, można odpowiednio zmienić szybkość migania neonu, zgodnie z indywidualnymi preferencjami.

Konfiguracja RC w obwodach AC

Gdy prąd zmienny jest używany w konfiguracji RC, ze względu na zmienną naturę prądu, połowa cyklu prądu przemiennego skutecznie ładuje kondensator i podobnie jest rozładowywana w następnym ujemnym półcyklu. Powoduje to, że kondensator naprzemiennie ładuje się i rozładowuje w odpowiedzi na zmienną polaryzację przebiegu prądu przemiennego.

Z tego powodu napięcia AC nie są gromadzone w kondensatorze, a raczej przechodzą przez kondensator. Jednak ten przepływ prądu jest ograniczony przez istniejącą stałą czasową RC na ścieżce obwodu.

Komponenty RC decydują o tym, o ile procent przyłożonego napięcia kondensator jest ładowany i rozładowywany. Jednocześnie kondensator może również zapewniać niewielki opór dla przejścia prądu przemiennego na drodze reaktancji, chociaż ta reaktancja w zasadzie nie zużywa żadnej mocy. Jego główny wpływ ma charakterystyka częstotliwościowa występująca w obwodzie RC.

SPRZĘGŁO RC w OBWODACH AC

Sprzężenie określonego stopnia obwodu audio z innym stopniem poprzez kondensator jest powszechną i szeroko rozpowszechnioną implementacją. Chociaż wydaje się, że pojemność jest używana niezależnie, w rzeczywistości może być związana z integralną rezystancją szeregową symbolizowaną przez termin „obciążenie”, jak pokazano poniżej.

Ta rezystancja, wspomagana przez kondensator, powoduje powstanie kombinacji RC, która może być odpowiedzialna za generowanie określonej stałej czasowej.

Istotne jest, aby ta stała czasowa uzupełniała specyfikację częstotliwości wejściowego sygnału AC, który jest przenoszony z jednego stopnia na drugi.

Jeśli przyjmiemy przykład obwodu wzmacniacza audio, najwyższy zakres częstotliwości wejściowej może wynosić około 10 kHz. Cykl czasu tego rodzaju częstotliwości będzie wynosił 1/10 000 = 0,1 milisekundy.

To powiedziawszy, aby umożliwić taką częstotliwość, każdy cykl realizuje dwie charakterystyki ładowania / rozładowania w odniesieniu do funkcji kondensatora sprzęgającego, które są dodatnie i ujemne.

Dlatego czas dla funkcji pojedynczego ładowania / rozładowania będzie wynosił 0,05 milisekundy.

Stała czasowa RC wymagana do umożliwienia tego działania musi spełniać wartość 0,05 milisekundy, aby osiągnąć 63% podawanego poziomu napięcia przemiennego i zasadniczo nieco mniej, aby umożliwić przejście powyżej 63 procent przyłożonego napięcia.

Optymalizacja stałej czasowej RC

Powyższe statystyki dają nam wyobrażenie o najlepszej możliwej wartości użytego kondensatora sprzęgającego.

Aby to zilustrować, powiedzmy, że normalna rezystancja wejściowa tranzystora małej mocy może wynosić około 1 k. Stała czasowa najbardziej efektywnego sprzężenia RC może wynosić 0,05 milisekundy (patrz wyżej), co można osiągnąć za pomocą następujących obliczeń:

0,05 x 10 = 1000 x C lub C = 0,05 x 10-9farady = 0,50 pF (lub prawdopodobnie nieco mniej, ponieważ pozwoliłoby to na przepływ wyższego niż 63% napięcia przez kondensator).

Praktycznie rzecz biorąc, można ogólnie zastosować znacznie większą wartość pojemności, która może wynosić nawet 1 µF lub nawet więcej. Zwykle może to zapewnić lepsze wyniki, ale wręcz przeciwnie, może powodować zmniejszenie wydajności przewodzenia sprzężenia AC.

Obliczenia sugerują również, że sprzężenie pojemnościowe staje się coraz bardziej nieefektywne wraz ze wzrostem częstotliwości prądu przemiennego, gdy rzeczywiste kondensatory są zaimplementowane w obwodach sprzęgających.

Korzystanie z sieci RC w OBWODACH FILTRACYJNYCH

Standardowy układ RC zaimplementowany jako plik obwód filtra pokazano na poniższym rysunku.

Jeśli spojrzymy na stronę wejściową, znajdziemy rezystor połączony szeregowo z reaktancją pojemnościową, powodując spadek napięcia na dwóch elementach.

W przypadku, gdy reaktancja kondensatora (Xc) jest wyższa niż R, prawie całe napięcie wejściowe narasta na kondensatorze, a zatem napięcie wyjściowe osiąga poziom równy napięciu wejściowemu.

Wiemy, że reaktancja kondensatora jest odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości, co oznacza, że ​​zwiększenie częstotliwości prądu przemiennego spowoduje spadek reaktancji, co spowoduje zwiększenie proporcjonalności napięcia wyjściowego (ale znaczna część napięcia wejściowego zostanie obniżona przez rezystor ).

Co to jest częstotliwość krytyczna

Aby zapewnić efektywne sprzężenie sygnału AC, musimy wziąć pod uwagę współczynnik zwany częstotliwością krytyczną.

Przy tej częstotliwości element wartości reaktancji ma tendencję do tak silnego wpływu, że w takim stanie kondensator sprzęgający zaczyna blokować sygnał zamiast skutecznie przewodzić.

W takiej sytuacji stosunek woltów (na wyjściu) do woltów (na wejściu) zaczyna szybko spadać. Zostało to pokazane poniżej w podstawowej formie diagramu.

Punkt krytyczny, zwany punktem wycofania lub częstotliwością odcięcia (f), jest oceniany jako:

fc = 1 / 2πRC

gdzie R jest w omach, C w faradach i Liczba Pi = 3,1416

Ale z poprzedniej dyskusji wiemy, że RC = stała czasowa T, dlatego równanie wygląda następująco:

fc = 1 / 2πT

gdzie T jest stałą czasową w sekundach.

Efektywność pracy tego typu filtra charakteryzuje się ich częstotliwością odcięcia oraz szybkością, z jaką stosunek woltów (wejście) / wolty (wyjście) zaczyna spadać powyżej progu częstotliwości odcięcia.

Ten ostatni jest ogólnie reprezentowany jako (niektóre) dB na oktawę (dla każdej podwójnej częstotliwości), jak pokazano na poniższym rysunku, który przedstawia zależność między dB a stosunkiem woltów (wejście) / wolty (wyjście), a także zapewnia dokładną charakterystykę częstotliwościową krzywa.

FILTRY NISKOPRZEPUSTOWE RC

Jak sama nazwa wskazuje, filtry dolnoprzepustowe są zaprojektowane tak, aby przepuszczać sygnały AC poniżej częstotliwości odcięcia przy minimalnej utracie lub osłabieniu siły sygnału. W przypadku sygnałów, które są powyżej częstotliwości odcięcia, filtr dolnoprzepustowy generuje zwiększone tłumienie.

Możliwe jest obliczenie dokładnych wartości składników dla tych filtrów. Na przykład można zbudować standardowy filtr zarysowania stosowany zwykle we wzmacniaczach w celu tłumienia częstotliwości powyżej, powiedzmy, 10 kHz. Ta konkretna wartość oznacza zamierzoną częstotliwość odcięcia filtra.

FILTRY WYSOKOPRĘŻNE RC

Filtry górnoprzepustowe działają w odwrotny sposób. Tłumią częstotliwości, które pojawiają się poniżej częstotliwości odcięcia, ale dopuszczają wszystkie częstotliwości na poziomie lub powyżej ustawionej częstotliwości odcięcia bez tłumienia.

Aby zrealizować tę implementację filtra górnoprzepustowego, elementy RC w obwodzie są po prostu zamieniane między sobą, jak pokazano poniżej.

Filtr górnoprzepustowy jest podobny do swojego odpowiednika dolnoprzepustowego. Są one zwykle stosowane we wzmacniaczach i urządzeniach audio, aby pozbyć się szumu lub „dudnienia” generowanego przez nieodłączne, niepożądane niskie częstotliwości.

Wybrana częstotliwość odcięcia, która ma zostać wyeliminowana, powinna być na tyle niska, aby nie kolidowała z „dobrą” charakterystyką basów. Dlatego ustalona wielkość zwykle mieści się w zakresie od 15 do 20 Hz.

Obliczanie częstotliwości odcięcia RC

Dokładniej, ten sam wzór jest potrzebny do obliczenia tej częstotliwości odcięcia, a więc przy 20 Hz jako progu odcięcia mamy:

20 = 1/2 x 3,14 x RC

RC = 125.

Oznacza to, że tak długo, jak sieć RC jest wybrana tak, że ich produkt wynosi 125, umożliwi zamierzony górnoprzepustowy odcięcie sygnałów poniżej 20 Hz.

W praktycznych obwodach takie filtry są zwykle wprowadzane na stopień przedwzmacniacza lub we wzmacniaczu bezpośrednio przed istniejącym obwodem kontroli tonu.

Dla Urządzenia Hi-Fi , te odcięte obwody filtrów są zwykle znacznie bardziej wyrafinowane niż te wyjaśnione tutaj, aby umożliwić punktom odcięcia z większą wydajnością i dokładnością punktu odcięcia.

.




Poprzedni: Lampy neonowe - obwody robocze i aplikacyjne Dalej: Obwód automatycznego odkażania rąk - w pełni bezkontaktowy