Hogyan működnek az RC áramkörök

Egy RC áramkörben kombinációt vagy R (ellenállás) és C (kondenzátor) speciális konfigurációkat alkalmaznak az áramáram szabályozására, a kívánt feltétel megvalósításához.

Az egyik a kondenzátor fő felhasználási területei olyan kapcsolóegység formájában van, amely lehetővé teszi az AC átjutását, de blokkolja a DC-t. Szinte minden gyakorlati áramkörben látni fog néhány ellenállást, amelyek sorba vannak kapcsolva a kondenzátorral.

Az ellenállás korlátozza az áram áramlását, és némi késést okoz a kondenzátorba táplált tápfeszültségen azáltal, hogy a kondenzátorban töltés keletkezik, arányosan a betáplált feszültséggel.

RC idő állandó

Az RC idő (T) meghatározásának képlete nagyon egyszerű:

T = RC ahol T = időállandó másodpercekben R = ellenállás megohmokban C = kapacitás mikrofarádokban.

(Megfigyelhetjük, hogy ugyanez a számérték a T esetében akkor van megadva, ha R ohmokban van, míg C a farádokban, de a gyakorlatban a megohmok és a mikrofaradák gyakran sokkal könnyebb egységek.)

Egy RC áramkörben az RC időállandó meghatározható az az idő, amely alatt a kondenzátoron alkalmazott feszültség az alkalmazott feszültség 63% -ának eléréséhez szükséges.

(ezt a 63% -os nagyságrendet részesítik előnyben a könnyű számítás érdekében). A való életben a kondenzátoron átmenő feszültség tovább halmozódhat az alkalmazott feszültség gyakorlatilag (de soha nem egészen) 100% -áig, amint az az alábbi ábrán látható.

Az időállandó elem az időtartamot időfaktor formájában jelöli, például az RC hálózat 1 időfaktoránál 63% összes feszültség halmozódik fel, 2X időállandó utáni időszakban 80% teljes feszültség épül fel benne a kondenzátor és így tovább.

5 időállandó után majdnem (de nem egészen) 100% -os feszültség keletkezhet a kondenzátoron. A kondenzátor kisülési tényezői ugyanolyan alapvető módon, de fordított sorrendben fordulnak elő.

Ez azt jelenti, hogy az 5 időállandóval megegyező időintervallum után a kondenzátorra alkalmazott feszültség a teljes feszültség 100-63 = 63% -os csökkenését éri el.

A kondenzátorok soha nincsenek teljesen feltöltve vagy kisütve

Elméletileg legalább egy kondenzátor semmilyen módon nem töltheti fel a teljes alkalmazott feszültségszintet, és nem is teljesen lemerülhet.

A valóságban úgy tekinthető, hogy a teljes töltés vagy a teljes kisütés 5 időállandónak megfelelő időtartamon belül teljesült.

Ezért az alább látható áramkörben az 1. tápfeszültség-kapcsoló 5-ször időállandó másodperc alatt 'teljes' feltöltést okoz a kondenzátoron.

Ezután az 1. kapcsoló kinyitásakor a kondenzátor olyan helyzetbe kerülhet, hogy a tényleges alkalmazott feszültséggel megegyező feszültséget tárol. És ezt a töltést határozatlan ideig fogja tartani, feltéve, hogy a kondenzátornak nincs belső szivárgása.

A töltésvesztésnek ez a folyamata valójában rendkívül lassú lesz, mivel a való világban egyetlen kondenzátor sem lehet tökéletes, azonban ez a tárolt töltés bizonyos jelentős ideig továbbra is az eredeti „teljes töltésű” feszültség hatékony forrása lehet.

Ha a kondenzátort nagy feszültséggel alkalmazzák, akkor gyorsan áramütést okozhat abban az esetben, ha az áramkör kikapcsolása után is megérintik.

A töltés / kisütés ciklusának végrehajtásához, amint az a fenti második grafikus ábrán látható, amikor a 2. kapcsoló zárt, a kondenzátor a csatlakoztatott ellenálláson keresztül kezd kisütni, és kis időbe telik a kisütési folyamat végrehajtása.

RC kombináció a relaxációs oszcillátorban

A fenti ábra egy nagyon alapvető relaxációs oszcillátor áramkör, amely egy kondenzátor alapvető töltéskisülés-elméletét használja.

Tartalmaz egy ellenállást (R) és egy kondenzátort (C), amelyeket sorba kötnek egy egyenáramú feszültségforráshoz. Annak érdekében, hogy fizikailag lássa az áramkör működését, a neonlámpa a kondenzátorral párhuzamosan használják.

A lámpa gyakorlatilag úgy viselkedik, mint egy nyitott áramkör, amíg a feszültség el nem éri a feszültség küszöbértékét, amikor azonnal bekapcsol és áramot vezet, mint egy vezető és izzik. Ennél az áramnál a tápfeszültség forrásának ezért magasabbnak kell lennie, mint a neon kiváltó feszültségének.

Hogyan működik

Amikor az áramkör be van kapcsolva, a kondenzátor lassan elkezd töltődni, az RC időállandója határozza meg. A lámpa növekvő feszültséget kap, amelyet a kondenzátoron fejlesztenek ki.

Abban a pillanatban, amikor ez a töltés a kondenzátoron keresztül elér egy olyan értéket, amely egyenlő lehet a neon égési feszültségével, a neonlámpa vezet és elkezd világítani.

Amikor ez megtörténik, a neon létrehoz egy kisütési utat a kondenzátor számára, és most a kondenzátor megkezdi a kisütést. Ez viszont a neon feszültségének csökkenését okozza, és amikor ez a szint a neon égési feszültsége alá csökken, a lámpa kikapcsol és kikapcsol.

A folyamat folytatódik, és a neon bekapcsolt állapotban van. A villogási sebesség vagy frekvencia az RC időállandó értékétől függ, amely beállítható úgy, hogy lehetővé tegye a lassú vagy a gyors villogás sebességét.

Ha a komponens értékeit a diagramon mutatjuk be, akkor az áramkör időállandója T = 5 (megohm) x 0,1 (mikrofarád) = 0,5 másodperc.

Ez azt jelenti, hogy az RC értékek megváltoztatásával a neon villogási sebessége ennek megfelelően megváltoztatható, az egyéni preferenciák szerint.

RC konfiguráció AC áramkörökben

Ha váltakozó áramú áramkört használnak RC konfigurációban, az áram váltakozó jellege miatt az AC egyik félciklusa hatékonyan feltölti a kondenzátort, és ugyanígy a következő negatív félciklussal is lemerül. Ez azt eredményezi, hogy a kondenzátor váltakozva töltődik és kisül, válaszul az AC ciklus változó polaritására.

Emiatt valójában az AC feszültségek nem kerülnek tárolásra a kondenzátorban, inkább hagyják, hogy áthaladjanak a kondenzátoron. Ezt az áramlási sebességet azonban az áramkör útjában lévő meglévő RC időállandó korlátozza.

Az RC-komponensek az alkalmazott feszültség hány százalékával döntenek a kondenzátor fel- és lemerüléséről. Ezzel párhuzamosan a kondenzátor enyhe ellenállást is képes biztosítani a váltakozó áram átengedésére a reaktancia útján, annak ellenére, hogy ez a reaktancia alapvetően nem fogyaszt energiát. Elsődleges hatása az RC áramkörben bekövetkező frekvencia-válaszra vonatkozik.

RC-CSATLAKOZÁS ÁRAMKÖRBEN

Az audio áramkör adott szakaszának kondenzátoron keresztüli összekapcsolása egy másik szakaszhoz gyakori és elterjedt megvalósítás. Bár úgy tűnik, hogy a kapacitást önállóan használják, valójában részt vehet egy integrált soros ellenállásban, amelyet a „terhelés” kifejezés szimbolizál az alábbiak szerint.

Ez az ellenállás, amelyet a kondenzátor segít, RC-kombinációt eredményez, amely felelős lehet egy bizonyos időállandó létrehozásáért.

Döntő fontosságú, hogy ez az időállandó kiegészítse az egyik szakaszról a másikra átvitt AC bemeneti frekvencia specifikációját.

Ha egy audió erősítő áramkör példáját vesszük, akkor a bemeneti frekvencia legmagasabb tartománya megközelítőleg 10 kHz körül lehet. Az ilyen gyakoriságú periódusciklus 1/10 000 = 0,1 milliszekundum lesz.

Ez azt jelenti, hogy ennek a frekvenciának a megengedése érdekében minden ciklus két töltési / kisütési jellemzőt valósít meg a kapcsolási kondenzátor funkció tekintetében, amelyek egy pozitív és egy negatív.

Ezért a magányos töltés / kisülés funkció időtartama 0,05 milliszekundum lesz.

A működéshez szükséges RC időállandónak meg kell felelnie a 0,05 milliszekundum értéknek, hogy elérje a táplált váltakozó feszültség 63% -át, és lényegében valamivel kevesebbet, hogy az alkalmazott feszültség 63% -ánál magasabb legyen.

Az RC Time Constant optimalizálása

A fenti statisztika ötletet ad a felhasználandó kapcsolókondenzátor lehető legjobb értékére vonatkozóan.

Ennek illusztrálásához tegyük fel, hogy egy kis teljesítményű tranzisztor normál bemeneti ellenállása megközelítőleg 1 k lehet. A leghatékonyabb RC-kapcsolás időállandója 0,05 milliszekundum lehet (lásd fent), ami a következő számításokkal érhető el:

0,05 x 10 = 1000 x C vagy C = 0,05 x 10^-9farádok = 0,50 pF (vagy valamivel alacsonyabb, mivel ez 63% -nál magasabb feszültséget enged át a kondenzátoron).

Gyakorlatilag egy jóval nagyobb kapacitási értéket lehet megvalósítani, amely akár 1µF vagy annál is nagyobb lehet. Ez általában jobb eredményeket hozhat, de éppen ellenkezőleg, csökkentheti a váltakozó áramú tengelykapcsoló vezetésének hatékonyságát.

A számítások azt is sugallják, hogy a kapacitív kapcsolás az AC frekvencia növekedésével egyre hatástalanabbá válik, amikor a valós kondenzátorokat kapcsolási áramkörökbe építik be.

RC hálózat használata a SZŰRŐ ÁRAMKÖRÖKBEN

A szabványos RC elrendezés, amelyet a szűrő áramkör ábrán látható.

Ha a bemeneti oldalt nézzük, találunk egy ellenállást, amely sorosan van rögzítve kapacitív reaktanciával, ami feszültségesés kialakulásához vezet a két elem között.

Abban az esetben, ha a kondenzátor reaktanciája (Xc) nagyobb, mint R, a bemeneti feszültség szinte teljes egészében felépül a kondenzátoron, és ezért a kimeneti feszültség eléri a bemeneti feszültséggel megegyező szintet.

Tudjuk, hogy a kondenzátor reaktivitása fordítottan arányos a frekvenciával. Ez azt jelenti, hogy ha az AC frekvencia növekszik, akkor a reaktancia csökken, ami a kimeneti feszültség arányosságának növekedését eredményezi (de a bemeneti feszültség jelentős részét az ellenállás leesik) ).

Mi a kritikus gyakoriság

Az AC jel hatékony összekapcsolásának biztosítása érdekében figyelembe kell vennünk a kritikus frekvenciának nevezett tényezőt.

Ennél a frekvenciánál a reaktanciaérték elemet annyira rosszul befolyásolja, hogy ilyen állapotban a kapcsoló kondenzátor hatékony vezetés helyett blokkolni kezdi a jelet.

Ilyen helyzetben a volt (kimenet) / volt (be) arány gyorsan csökken. Ezt az alábbiakban alapdiagramikus formában mutatjuk be.

A kritikus pontot, úgynevezett roll-off pontnak vagy cut-off frekvenciának (f) a következőképpen kell értékelni:

fc = 1 / 2πRC

ahol R ohmokban van, C farádokban van és Pi = 3,1416

De az előző beszélgetésből tudjuk, hogy RC = T időállandó, ezért az egyenlet:

fc = 1 / 2πT

ahol T az időállandó másodpercben.

Az ilyen típusú szűrők működési hatékonyságát a kikapcsolási frekvenciájuk és az a sebesség jellemzi, amelyen keresztül a volt (be) / volt (kimenet) arány kezd csökkenni a határérték-küszöbérték felett.

Ez utóbbi általában (némelyik) dB / oktáv (minden egyes frekvencia megduplázódott), amint azt a következő ábra jelzi, amely kapcsolatot mutat a dB és a volt (in) / volt (out) arány között, és pontos frekvencia-választ is ad ív.

RC LOW-PASS szűrők

Ahogy a neve is sugallja, aluláteresztő szűrők úgy vannak kialakítva, hogy a határfrekvencia alatti váltóáramú jeleket továbbítsák a jelerősség minimális veszteségével vagy csillapításával. Azon jelek esetében, amelyek meghaladják a határértéket, az aluláteresztő szűrő fokozott csillapítást generál.

Kiszámítható ezeknek a szűrőknek a pontos komponensértéke. Például az erősítőkben általában használt standard karcszűrő megépíthető a frekvenciák csillapítására, mondjuk 10 kHz felett. Ez a specifikus érték a szűrő tervezett határértékét jelöli.

RC HIGH PASS SZŰRŐK

A felüláteresztő szűrőket fordított működésre tervezték. Csökkentik azokat a frekvenciákat, amelyek a küszöbérték alatt jelennek meg, de az összes frekvenciát a beállított küszöbfrekvencián vagy annál nagyobb mértékben engedik meg csillapítás nélkül.

Ennek a felüláteresztő szűrő megvalósításnak az elérése érdekében az áramkörben lévő RC alkatrészeket egyszerűen kicserélik egymással az alábbiak szerint.

A felüláteresztő szűrő hasonló az aluláteresztő szűrőhöz. Ezeket általában az erősítőkben és az audioeszközökben használják, hogy megszabaduljanak a bennük rejlő, nem kívánt alacsony frekvenciák által keltett zajtól vagy „zúgástól”.

A kiválasztott kiküszöbölendő frekvenciának elég alacsonynak kell lennie, hogy ne ütközzen a „jó” mélyhang-válaszsal. Ezért a meghatározott nagyságrend általában a 15 és 20 Hz közötti tartományban van.

Az RC határértékének kiszámítása

Pontosan ugyanarra a képletre van szükség ennek a határértéknek a kiszámításához, így 20 Hz-rel, mint a határértékkel:

20 = 1/2 x 3,14 x RC

RC = 125.

Ez azt jelzi, hogy mindaddig, amíg az RC hálózatot úgy választják meg, hogy a termékük 125-ös legyen, 20 Hz alatti jelek esetén lehetővé válik a tervezett áteresztés.

A gyakorlati áramkörökben az ilyen szűrőket tipikusan a előerősítő szakasz , vagy az erősítőben közvetlenül egy meglévő hangvezérlő áramkör előtt.

Mert Hi-Fi eszközök , ezek a levágott szűrőáramkörök általában sokkal kifinomultabbak, mint az itt kifejtettek, hogy nagyobb hatékonysággal és tűpontos pontossággal lehessen képezni a levágási pontokat.

.