Kako funkcioniraju RC krugovi

U RC krugu, kombinacija ili R (otpornik) i C (kondenzator) koriste se u određenim konfiguracijama kako bi se regulirao protok struje, za provođenje željenog stanja.

Jedan od glavne namjene kondenzatora je u obliku spojnice koja omogućuje AC prolaz, ali blokira DC. U gotovo svakom praktičnom krugu vidjet ćete nekoliko otpora koji su se serijski spojili s kondenzatorom.

Otpor ograničava protok struje i uzrokuje određeno zakašnjenje napona napajanja kondenzatora uzrokujući nakupljanje naboja u kondenzatoru, proporcionalno naponu napajanja.

RC konstanta vremena

Formula za određivanje RC vremena (T) vrlo je jednostavna:

T = RC gdje je T = vremenska konstanta u sekundama R = otpor u megohmama C = kapacitivnost u mikrofaradima.

(Može se primijetiti da je ista ista numerička vrijednost za T navedena ako je R u ohima, a C u faradima, ali u praksi su megomi i mikrofaradi često daleko jednostavnije jedinice.)

U RC krugu, RC vremenska konstanta može se definirati kao vrijeme potrebno naponom na kondenzatoru da postigne 63% primijenjenog napona.

(ova 63% veličina je zapravo poželjna zbog jednostavnosti izračuna). U stvarnom životu napon na kondenzatoru može se akumulirati do praktički (ali nikada sasvim) 100% primijenjenog napona, kao što je prikazano na donjoj slici.

Element vremenske konstante označava duljinu vremena u obliku vremenskog faktora, na primjer kod 1 vremenskog faktora RC mreže akumulira se 63% ukupnog napona, u razdoblju nakon 2X vremenske konstante, 80% ukupnog napona se izgradi unutra kondenzator i tako dalje.

Nakon vremenske konstante od 5 na kondenzatoru se može nakupiti gotovo (ali ne sasvim) 100% napon. Faktori pražnjenja kondenzatora javljaju se na isti temeljni način, ali obrnutim redoslijedom.

Znači, nakon vremenskog intervala jednakog vremenskoj konstanti 5, napon primijenjen na kondenzatoru postići će pad od 100 - 63 = 37% punog napona i tako dalje.

Kondenzatori se nikada ne pune ili ne prazne

Teoretski, u najmanju ruku, kondenzator se ni na koji način ne smije napuniti do punog primijenjenog napona, niti se može potpuno isprazniti.

U stvarnosti se potpuno punjenje ili potpuno pražnjenje može smatrati postignutim u vremenskom razdoblju koje odgovara 5 vremenskim konstantama.

Stoga će u krugu kao što je prikazano dolje, sklopka za uključivanje 1 izazvati 'potpuno' punjenje na kondenzatoru u 5 x vremenskih konstanti sekundi.

Dalje, kada se otvori prekidač 1, kondenzator se tada može nalaziti u situaciji u kojoj će pohranjivati ​​napon jednak stvarnom primijenjenom naponu. I zadržat će ovo punjenje neograničeno vrijeme pod uvjetom da kondenzator nema nula unutarnjeg curenja.

Ovaj postupak gubitka naboja zapravo će biti vrlo trom, jer u stvarnom svijetu niti jedan kondenzator ne može biti savršen, no tijekom određenog značajnog vremenskog razdoblja taj pohranjeni naboj može i dalje biti učinkovit izvor izvornog napona 'punog napunjenja'.

Kada se kondenzator primijeni pod visokim naponom, može brzo doći u položaj električnog udara u slučaju dodira čak i nakon isključivanja kruga.

Da bi se izveo ciklus punjenja / pražnjenja kako je prikazano na drugom grafičkom dijagramu gore, kada je sklopka 2 zatvorena, kondenzator se počinje prazniti putem priključenog otpora i treba mu određeno vrijeme da postigne svoj postupak pražnjenja.

RC kombinacija u relaksacijskom oscilatoru

Gornja slika je vrlo osnovni krug relaksacijskog oscilatora koji radi pomoću osnovne teorije pražnjenja naboja kondenzatora.

Sadrži otpornik (R) i kondenzator (C) spojeni u seriju na izvor istosmjernog napona. Da bi mogli fizički vidjeti rad kruga, a neonska lampa koristi se paralelno s kondenzatorom.

Svjetiljka se ponaša praktički poput otvorenog kruga sve dok napon ne dosegne svoju graničnu vrijednost napona, kada se trenutačno UKLJUČI i provodi struju prilično poput vodiča i počinje svijetliti. Stoga izvor napajanja za ovu struju mora biti veći od napona neonskog okidača.

Kako radi

Kad je krug uključen, kondenzator se polako počinje puniti kako je određeno RC vremenskom konstantom. Svjetiljka počinje primati rastući napon koji se razvija preko kondenzatora.

U trenutku kada ovaj naboj preko kondenzatora postigne vrijednost koja može biti jednaka naponu paljenja neona, neonska žarulja provodi i počinje svijetliti.

Kada se to dogodi, neon stvara put pražnjenja kondenzatora i sada se kondenzator počinje prazniti. To zauzvrat uzrokuje pad napona na neonu i kad ta razina padne ispod napona paljenja neona, žarulja se isključuje i gasi.

Postupak se sada nastavlja, a neon bljeska ON OFF. Brzina ili frekvencija treptanja ovise o vrijednosti RC vremenske konstante, koja se može prilagoditi kako bi se omogućilo sporo treperenje ili brzina treperenja.

Ako uzmemo u obzir vrijednosti komponenata kako je prikazano na dijagramu, vremenska konstanta za krug T = 5 (megohmi) x 0,1 (mikrofaradi) = 0,5 sekundi.

To podrazumijeva da se promjenom vrijednosti RC, brzina treptanja neona može shodno tome mijenjati, prema individualnim željama.

RC konfiguracija u izmjeničnim krugovima

Kada se AC koristi u RC konfiguraciji, zbog izmjenične prirode struje, polumjesec izmjeničnog napona učinkovito puni kondenzator, a isto tako se prazni sa sljedećim negativnim poluciklom. To uzrokuje da se kondenzator naizmjenično puni i prazni kao odgovor na promjenjivu polarnost oblika vala izmjeničnog ciklusa.

Zbog toga se zapravo napon izmjenične struje ne pohranjuje u kondenzatoru, već mu je dozvoljeno da prolazi kroz kondenzator. Međutim, ovaj prolaz struje ograničava postojeća RC vremenska konstanta na putu kruga.

RC komponente odlučuju za koliki postotak primijenjenog napona kondenzator se puni i prazni. Istodobno, kondenzator također može pružiti lagani otpor prolasku izmjeničnog napona putem reaktancije, iako ta reaktancija u osnovi ne troši nikakvu snagu. Njegov je primarni utjecaj na frekvencijski odziv uključen u RC krug.

RC SPOJNICA u izmjeničnim krugovima

Spajanje određenog stupnja audiosklopke s drugim stupnjem putem kondenzatora uobičajena je i raširena primjena. Iako se čini da se kapacitivnost koristi neovisno, on zapravo može biti povezan s integriranim serijskim otporom koji simbolizira pojam 'opterećenje', kao što je prikazano u nastavku.

Ovaj otpor, potpomognut kondenzatorom, daje RC kombinaciju koja može biti odgovorna za generiranje određene vremenske konstante.

Ključno je da ova vremenska konstanta dopunjava specifikaciju ulazne frekvencije izmjeničnog signala koja se prenosi s jedne faze na drugu.

Ako pretpostavimo primjer kruga audio pojačala, najveći ulazni raspon ulazne frekvencije mogao bi biti oko 10 kHz. Ciklus vremenskog razdoblja ove vrste frekvencije bit će 1/10 000 = 0,1 milisekunde.

To je reklo, da bi se omogućila ova frekvencija, svaki ciklus implementira dvije karakteristike punjenja / pražnjenja s obzirom na funkciju spojnog kondenzatora, koje su jedna pozitivna i jedna negativna.

Stoga će vremensko razdoblje za pojedinačnu funkciju punjenja / pražnjenja biti 0,05 milisekundi.

RC vremenska konstanta potrebna za omogućavanje ovog funkcioniranja mora zadovoljiti vrijednost od 0,05 milisekundi da bi se postiglo 63% napona izmjeničnog napona i u osnovi nešto manje da bi se omogućio prolaz veći od 63 posto primijenjenog napona.

Optimizacija RC konstante vremena

Gornja statistika daje nam ideju u vezi s najboljom mogućom vrijednošću spojnog kondenzatora koji se koristi.

Da bismo to ilustrirali, recimo da normalni ulazni otpor tranzistora male snage može biti približno 1 k. Vremenska konstanta najučinkovitijeg RC sprezanja može biti 0,05 milisekundi (vidi gore), što se može postići sljedećim izračunima:

0,05 x 10 = 1 000 x C ili C = 0,05 x 10^-9farads = 0,50 pF (ili možda nešto niži, jer bi to omogućilo prolaz više od 63% napona kroz kondenzator).

Praktično govoreći, općenito se može primijeniti mnogo veća vrijednost kapacitivnosti koja može biti i do 1µF ili čak više. To obično može pružiti poboljšane rezultate, ali naprotiv može prouzročiti smanjenje učinkovitosti provođenja AC spojnice.

Također, proračuni sugeriraju da kapacitivno spajanje postaje sve neučinkovitije kako se povećava frekvencija izmjenične struje, kada se u krugovima spajanja ugrađuju stvarni kondenzatori.

Korištenje RC mreže u FILTRIRANIM KRUGOVIMA

Standardni RC aranžman proveden kao krug filtra prikazano je na donjoj slici.

Ako pogledamo ulaznu stranu, nalazimo otpornik koji je serijski pričvršćen s kapacitivnom reaktancijom, što uzrokuje razvoj pada napona na dva elementa.

U slučaju da je reaktancija kondenzatora (Xc) veća od R, gotovo sav ulazni napon se nakuplja preko kondenzatora i stoga izlazni napon dostiže razinu jednaku ulaznom naponu.

Znamo da je reaktancija kondenzatora obrnuto proporcionalna frekvenciji. To podrazumijeva, ako se poveća frekvencija izmjenične struje, uzrokuje smanjenje reaktancije, što rezultira povećanjem proporcionalnosti izlaznog napona (ali otporniku će pasti značajan dio ulaznog napona ).

Što je kritična učestalost

Kako bismo osigurali učinkovito spajanje izmjeničnog signala, moramo uzeti u obzir faktor koji se naziva kritična frekvencija.

Na ovoj frekvenciji, element reaktancije ima tendenciju da bude toliko jako pogođen da u takvom stanju kondenzator spojke počinje blokirati signal umjesto da učinkovito provodi.

U takvoj situaciji omjer volti (van) / volti (ulaz) počinje brzo opadati. To je prikazano u nastavku u osnovnom dijagramskom obliku.

Kritična točka, koja se naziva točka odbijanja ili granična frekvencija (f), procjenjuje se kao:

fc = 1 / 2πRC

gdje je R u ohima, C je u faradima, i Pi = 3,1416

Ali iz prethodne rasprave znamo da je RC = vremenska konstanta T, stoga jednadžba postaje:

fc = 1 / 2πT

gdje je T vremenska konstanta u sekundama.

Učinkovitost rada ove vrste filtera karakterizira njihova granična frekvencija i brzina kroz koju omjer volti (ulaz) / volti (izlaz) počinju padati iznad praga granične frekvencije.

Potonji je općenito predstavljen kao (neki) dB po oktavi (za svaku udvostručenu frekvenciju), kao što je naznačeno na sljedećoj slici koja prikazuje odnos između dB i omjera volti (ulaz) / volti (izlaz), a također pruža točan frekvencijski odziv zavoj.

RC FILTERI NISKO PROLAZNI

Kao što i samo ime govori, niskopropusni filtri su dizajnirani za propuštanje izmjeničnih signala ispod granične frekvencije uz minimalni gubitak ili slabljenje jačine signala. Za signale koji su iznad granične frekvencije, niskopropusni filtar generira povećano slabljenje.

Za ove filtre moguće je izračunati točne vrijednosti komponenata. Kao primjer, mogao bi se izraditi standardni filtar za ogrebotine koji se obično koristi u pojačalima za prigušivanje frekvencija preko, recimo, 10 kHz. Ova specifična vrijednost označava namjeravanu graničnu frekvenciju filtra.

RC FILTERI VISOKOG PROLAZA

Visokopropusni filtri dizajnirani su da rade obratno. Oni prigušuju frekvencije koje se pojavljuju ispod granične frekvencije, ali dopuštaju sve frekvencije na ili iznad zadate granične frekvencije bez slabljenja.

Da bi se postigla ova implementacija visokopropusnog filtra, RC komponente u krugu jednostavno se zamjenjuju jedna s drugom kako je dolje naznačeno.

Visokopropusni filtar sličan je niskopropusnom kolegi. Obično se koriste u pojačalima i audio uređajima kako bi se riješili buke ili 'tutnjave' generirane svojstvenim, neželjenim niskim frekvencijama.

Odabrana granična frekvencija koju treba eliminirati trebala bi biti dovoljno niska kako se ne bi kosila s 'dobrim' odzivom basa. Stoga je utvrđena veličina normalno u rasponu od 15 do 20 Hz.

Izračunavanje RC granične frekvencije

Točno, ista formula potrebna je za izračunavanje ove granične frekvencije, pa s 20 Hz kao granični prag imamo:

20 = 1/2 x 3,14 x RC

RC = 125.

To ukazuje na to da će sve dok je RC mreža odabrana tako da njihov proizvod iznosi 125 omogućiti namjeravano visokopropusno prekidanje ispod 20 Hz signala.

U praktičnim krugovima takvi se filtri obično uvode na stupanj pretpojačala , ili u pojačalu neposredno prije postojećeg kruga upravljanja tonom.

Za Hi-Fi uređaji , ovi odsječeni krugovi filtra obično su mnogo sofisticiraniji od onih koji su ovdje objašnjeni, kako bi se osigurale točke prekida s većom učinkovitošću i preciznošću točaka.

.