Sådan fungerer RC-kredsløb

Sådan fungerer RC-kredsløb

I et RC-kredsløb anvendes en kombination eller R (modstand) og C (kondensator) i specifikke konfigurationer for at regulere strømmen af ​​strøm til implementering af en ønsket tilstand.



En af de de vigtigste anvendelser af en kondensator er i form af en koblingsenhed, der tillader AC at passere, men blokerer DC. I næsten ethvert praktisk kredsløb vil du se et par modstande forbundet i serie med kondensatoren.

Modstanden begrænser strømmen og forårsager en vis forsinkelse på tværs af forsyningsspændingen, der tilføres kondensatoren ved at få en opladning til at opbygges i kondensatoren, der er proportional med den tilførte spænding.





RC tidskonstant

Formlen til bestemmelse af RC-tiden (T) er meget ligetil:

T = RC hvor T = tidskonstant i sekunder R = modstand i megohms C = kapacitans i mikrofarader.



(Det kan bemærkes, at den samme numeriske værdi for T er angivet, hvis R er i ohm og C i farads, men i praksis er megohms og microfarads ofte langt lettere enheder.)

I et RC-kredsløb kan RC-tidskonstanten defineres som den tid, det tager af den påførte spænding over kondensatoren at opnå 63% af den påførte spænding.

(denne størrelse på 63% foretrækkes faktisk for at lette beregningen). I virkeligheden akkumuleres spændingen over kondensatoren til næsten (men aldrig helt) 100% af den anvendte spænding, som angivet i nedenstående figur.

Tidskonstantelementet angiver længden af ​​tid i form af tidsfaktor, for eksempel ved 1 tidsfaktor i RC-netværket akkumuleres 63% total spænding, i en periode efter 2X tidskonstant er 80% total spænding opbygget indeni kondensatoren og så videre.

Efter en tidskonstant på 5 kan næsten (men ikke helt) 100% spænding opbygges over kondensatoren. Kondensatorens afladningsfaktorer forekommer på samme grundlæggende måde, men i den omvendte rækkefølge.

Betydning, efter et tidsinterval svarende til tidskonstanten 5, vil spændingen, der påføres kondensatoren, opnå et fald på 100 - 63 = 37% af den fulde spænding og så videre.

Kondensatorer er aldrig fuldt opladet eller afladet

Teoretisk set kan en kondensator i det mindste på ingen måde oplades op til det fulde påførte spændingsniveau, og den kan heller ikke aflades helt.

I virkeligheden kan fuld opladning eller total afladning betragtes som udført inden for en tidsperiode svarende til 5 tidskonstanter.

Derfor, i kredsløbet som vist nedenfor, vil strømafbryder 1 forårsage en 'fuld' opladning på kondensatoren i 5 x tidskonstant sekunder.

Derefter, når switch 1 åbnes, kan kondensatoren derefter være i en situation, hvor den vil lagre en spænding svarende til den faktisk anvendte spænding. Og det vil holde denne opladning i en ubegrænset periode, forudsat at kondensatoren ikke har nogen intern lækage.

Denne proces med at miste opladning vil faktisk være ekstremt træg, da i den virkelige verden ingen kondensator kan være perfekt, men i en vis betydelig periode kan denne lagrede opladning fortsat være en effektiv kilde til den originale 'fuld opladning'-spænding.

Når kondensatoren påføres med en høj spænding, kan den hurtigt være i stand til at levere et elektrisk stød, hvis det berøres, selv efter at kredsløbet er slukket.

For at udføre opladnings- / afladningscyklussen som vist i det andet grafiske diagram ovenfor, når omskifter 2 er lukket, begynder kondensatoren at aflade via den tilsluttede modstand og tager noget tid at gennemføre sin afladningsproces.

RC-kombination i afslapningsoscillator

Ovenstående figur er et meget grundlæggende afslapningsoscillatorkredsløb, der fungerer ved hjælp af kondensatorens grundlæggende afladningsteori.

Den inkluderer en modstand (R) og kondensator (C), der er koblet i serie til en jævnstrømsspændingskilde. For at kunne se kredsløbets funktion fysisk, a neonlampe bruges parallelt med kondensatoren.

Lampen opfører sig næsten som et åbent kredsløb, indtil spændingen når sin tærskelspændingsgrænse, når den straks tændes og leder strøm som en leder og begynder at gløde. Kilden til forsyningsspænding for denne strøm skal derfor være højere end den for neonudløsende spænding.

Hvordan det virker

Når kredsløbet er tændt, begynder kondensatoren langsomt at oplades som bestemt af RC-tidskonstanten. Lampen begynder at modtage en stigende spænding, der udvikles over kondensatoren.

I det øjeblik denne opladning over kondensatoren når en værdi, der kan være lig med neonens affyringsspænding, leder neonlampen og begynder at lyse.

Når dette sker, skaber neonet en afladningsvej for kondensatoren, og nu begynder kondensatoren at aflade. Dette medfører igen et fald i spændingen over neonet, og når dette niveau går under neonets affyringsspænding, slukkes lampen og slukker.

Processen fortsætter nu med at få neon til at blinke TIL FRA. Blinkhastigheden eller frekvensen afhænger af RC-tidskonstantværdien, som kan justeres til enten at muliggøre en langsom blinkende eller hurtig blinkhastighed.

Hvis vi betragter komponentværdierne som vist i diagrammet, er tidskonstanten for kredsløbet T = 5 (megohms) x 0,1 (mikrofarader) = 0,5 sekunder.

Dette indebærer, at ved at ændre RC-værdierne kan neonets blinkhastighed ændres i overensstemmelse hermed efter individuel præference.

RC-konfiguration i AC-kredsløb

Når en vekselstrøm bruges i en RC-konfiguration, på grund af strømens skiftende natur, oplader den ene halvcyklus af vekselstrøm kondensatoren effektivt, og den aflades ligeledes med den næste negative halve cyklus. Dette får kondensatoren til skiftevis at oplade og aflade som reaktion på den varierende polaritet af AC-cyklusbølgeformen.

På grund af dette bliver AC-spændinger faktisk ikke gemt i kondensatoren, men får lov til at passere gennem kondensatoren. Imidlertid er denne passage af strøm begrænset af en eksisterende RC-tidskonstant i kredsløbets sti.

RC-komponenterne bestemmer, hvor meget procent af den anvendte spænding kondensatoren oplades og aflades. Samtidig kan kondensatoren også give en svag modstand over for vekselstrømens passage gennem reaktans, selvom denne reaktans stort set ikke bruger nogen strøm. Dens primære indvirkning er på frekvensresponsen involveret i RC-kredsløbet.

RC-KOBLING I AC-KREDSER

Kobling af et bestemt trin i et lydkredsløb til et andet trin gennem en kondensator er en almindelig og udbredt implementering. Mens kapacitansen ser ud til at blive brugt uafhængigt, kan den faktisk være involveret i en integreret seriemodstand symboliseret ved udtrykket 'belastning' som vist nedenfor.

Denne modstand, hjulpet af kondensatoren, giver anledning til en RC-kombination, der kan være ansvarlig for at generere en bestemt tidskonstant.

Det er afgørende, at denne tidskonstant supplerer specifikationen for den indgangs AC signalfrekvens, der overføres fra et trin til et andet.

Hvis vi antager eksemplet med et lydforstærkerkredsløb, kan indgangsfrekvensen være det højeste område ca. 10 kHz. Tidsperioden for denne slags frekvens er 1/10.000 = 0,1 millisekunder.

Når det er sagt, for at tillade denne frekvens implementerer hver cyklus to opladnings- / afladningsegenskaber med hensyn til koblingskondensatorfunktionen, som er en positiv og en negativ.

Derfor er tidsrummet for en ensom opladnings- / afladningsfunktionalitet 0,05 millisekunder.

RC-tidskonstanten, der kræves for at muliggøre denne funktion, skal tilfredsstille værdien på 0,05 millisekunder for at nå 63% af det tilførte vekselstrømsniveau og i det væsentlige noget mindre for at tillade passage af mere end 63 procent af den påførte spænding.

Optimering af RC-tidskonstant

Ovenstående statistikker giver os en idé om den bedst mulige værdi af koblingskondensatoren, der skal bruges.

For at illustrere dette, lad os sige, at den normale indgangsmodstand for en laveffekttransistor kan være ca. 1 k. Tidskonstanten for en mest effektiv RC-kobling kan være 0,05 millisekunder (se ovenfor), hvilket kan opnås med følgende beregninger:

0,05 x 10 = 1.000 x C eller C = 0,05 x 10-9farads = 0,50 pF (eller muligvis lidt lavere, da det ville tillade, at højere end 63% spænding passerer gennem kondensatoren).

Praktisk set kunne en meget større kapacitansværdi generelt implementeres, som kan være så stor som 1 µF eller endnu mere. Dette kan typisk give forbedrede resultater, men tværtimod kan det medføre reduktion i effektiviteten af ​​AC-koblingsledningen.

Beregninger antyder også, at kapacitiv kobling bliver mere og mere ineffektiv, når vekselstrømsfrekvensen stiger, når ægte kondensatorer implementeres i koblingskredsløb.

Brug af RC netværk i FILTER CIRCUITS

Et standard RC arrangement implementeret som en filter kredsløb er vist i nedenstående figur.

Hvis vi ser på indgangssiden, finder vi en modstand fastgjort i serie med en kapacitiv reaktans, der får et spændingsfald til at udvikle sig over de to elementer.

Hvis kondensatorreaktansen (Xc) tilfældigvis er højere end R, bygger næsten al indgangsspændingen op over kondensatoren, og derfor når udgangsspændingen det niveau, der er lig med indgangsspændingen.

Vi ved, at kondensatorens reaktans er omvendt proportional med frekvensen. Dette indebærer, at hvis AC-frekvensen øges, vil reaktansen falde, hvilket resulterer i, at udgangsspændingen øger proportionaliteten (men en betydelig del af indgangsspændingen falder af modstanden. ).

Hvad er kritisk frekvens

For at sikre en effektiv kobling af vekselstrømsignalet er vi nødt til at overveje den faktor, der kaldes kritisk frekvens.

Ved denne frekvens har reaktansværdielementet tendens til at blive så hårdt påvirket, at koblingskondensatoren i en sådan tilstand begynder at blokere signalet i stedet for effektivt at lede.

I en sådan situation begynder forholdet mellem volt (out) / volt (in) hurtigt at falde. Dette demonstreres nedenfor i grundlæggende skematisk form.

Det kritiske punkt, kaldet afgrænsningspunkt eller afskæringsfrekvens (f), vurderes som:

fc = 1 / 2πRC

hvor R er i ohm, C er i farads, og Pi = 3,1416

Men fra den foregående diskussion ved vi, at RC = tidskonstant T, derfor bliver ligningen:

fc = 1 / 2πT

hvor T er tidskonstanten i sekunder.

Arbejdseffektiviteten for denne type filter er kendetegnet ved deres afskæringsfrekvens og af den hastighed, gennem hvilken forholdet mellem volt (in) / volt (ud) begynder at falde over tærsklen for afskæringsfrekvens.

Sidstnævnte er generelt repræsenteret som (noget) dB pr. Oktav (for hver fordoblet frekvens) som angivet i den følgende figur, der viser forholdet mellem dB og volt (in) / volt (out) -forholdet, og giver også et nøjagtigt frekvensrespons kurve.

RC FILTER MED LAV PASS

Som navnet antyder, lavpasfiltre er designet til at passere vekselstrømssignaler under afskæringsfrekvensen med minimalt tab eller dæmpning af signalstyrken. For signaler, der er over afskæringsfrekvensen, genererer lavpasfilter en øget dæmpning.

Det er muligt at beregne nøjagtige komponentværdier for disse filtre. Som et eksempel kunne et standard ridse filter, der normalt bruges i forstærkere, bygges til at dæmpe frekvenser over f.eks. 10 kHz. Denne specifikke værdi angiver filterets påtænkte afskæringsfrekvens.

RC HIGH-PASS FILTER

Højpasfiltre er designet til at fungere omvendt. De dæmper frekvenser, der vises under afskæringsfrekvensen, men tillader alle frekvenser ved eller over den indstillede afskæringsfrekvens uden dæmpning.

For at udføre denne implementering af højpasfilter byttes RC-komponenterne i kredsløbet simpelthen med hinanden som angivet nedenfor.

Et højpasfilter svarer til dets lavpas-modstykke. Disse bruges generelt i forstærkere og lydenheder for at slippe af med støj eller 'rumble' genereret af de iboende, uønskede lave frekvenser.

Den valgte afskæringsfrekvens, der skal elimineres, skal være lav nok, så den ikke kommer i konflikt med det 'gode' basrespons. Derfor er den besluttede størrelse normalt i området 15 til 20 Hz.

Beregning af RC-afskæringsfrekvens

Præcis kræves den samme formel for at beregne denne afskæringsfrekvens, således med 20 Hz som den afskæringsgrænse, vi har:

20 = 1/2 x 3,14 x RC

RC = 125.

Dette indikerer, at så længe RC-netværket er valgt således, at deres produkt er 125, muliggør den tilsigtede højpasafskæring under 20 Hz signaler.

I praktiske kredsløb introduceres sådanne filtre typisk på forforstærkerfase , eller i forstærkeren umiddelbart før et eksisterende tonekontrolkredsløb.

Til Hi-Fi-enheder , disse afskårne filterkredsløb er normalt langt mere sofistikerede end dem, der er forklaret her, for at muliggøre afskæringspunkterne med højere effektivitet og nøjagtighed ved pinpoint.

.




Forrige: Neonlamper - Arbejds- og applikationskredsløb Næste: Automatisk hånddesinfektionskredsløb - Fuldt kontaktløs