Cum funcționează circuitele RC

Într-un circuit RC, o combinație sau R (rezistor) și C (condensator) sunt utilizate în configurații specifice pentru a regla fluxul de curent, pentru a implementa o condiție dorită.

Unul dintre principalele utilizări ale unui condensator este sub forma unei unități de cuplare care permite trecerea AC, dar blochează DC. În aproape orice circuit practic, veți vedea câteva rezistențe unite în serie cu condensatorul.

Rezistența restricționează fluxul de curent și provoacă o oarecare întârziere în tensiunea de alimentare alimentată către condensator, provocând acumularea unei încărcări în condensator, proporțională cu tensiunea alimentată.

RC timp constant

Formula pentru determinarea timpului RC (T) este foarte simplă:

T = RC unde T = constantă de timp în secunde R = rezistență în megohmi C = capacitate în microfarade.

(Se poate observa că aceeași valoare numerică pentru T este furnizată dacă R este în ohmi și C în farade, dar în practică megohmii și microfaradele sunt adesea unități mult mai ușoare.)

Într-un circuit RC, constanta de timp RC poate fi definită ca timpul luat de tensiunea aplicată pe condensator pentru a atinge 63% din tensiunea aplicată.

(această magnitudine de 63% este de fapt preferată pentru ușurința calculului). În viața reală, tensiunea pe condensator poate continua să se acumuleze practic (dar niciodată deloc) 100% din tensiunea aplicată, așa cum se indică în figura de mai jos.

Elementul constantă de timp semnifică durata de timp sub formă de factor de timp, de exemplu la 1 factor de timp al rețelei RC, se acumulează 63% tensiune totală, într-o perioadă după 2X constantă de timp, se acumulează 80% tensiune totală în interior condensatorul și așa mai departe.

După o constantă de timp de 5, aproape (dar nu chiar) 100% tensiune se poate acumula pe condensator. Factorii de descărcare a unui condensator apar în același mod fundamental, dar în secvența inversă.

Adică, după un interval de timp egal cu constanta de timp 5, tensiunea aplicată condensatorului va realiza o scădere de 100 - 63 = 37% din tensiunea completă și așa mai departe.

Condensatoarele nu sunt niciodată complet încărcate sau descărcate

Teoretic, cel puțin, un condensator nu se poate încărca în nici un fel până la nivelul complet de tensiune aplicată și nu poate fi descărcat complet.

În realitate, încărcarea completă sau descărcarea totală pot fi considerate ca realizate într-o perioadă de timp corespunzătoare a 5 constante de timp.

Prin urmare, în circuitul așa cum se arată mai jos, comutatorul de alimentare 1 va provoca o încărcare „completă” pe condensator în 5 x secunde constante de timp.

Apoi, când comutatorul 1 este deschis, condensatorul poate fi atunci într-o situație în care va stoca o tensiune egală cu tensiunea reală aplicată. Și va reține această încărcare pentru o perioadă de timp nedeterminată, cu condiția ca condensatorul să nu aibă scurgeri interne.

Acest proces de pierdere a încărcării va fi de fapt extrem de lent, deoarece în lumea reală niciun condensator nu poate fi perfect, cu toate acestea, pentru o anumită perioadă de timp semnificativă, această încărcare stocată poate continua să fie o sursă eficientă a tensiunii originale de „încărcare completă”.

Când condensatorul este aplicat cu o tensiune ridicată, acesta poate fi rapid în poziția de a produce un șoc electric în cazul în care este atins chiar și după ce circuitul este oprit.

Pentru a executa ciclul de încărcare / descărcare așa cum este afișat în a doua diagramă grafică de mai sus, când comutatorul 2 este închis, condensatorul începe să se descarce prin rezistența conectată și durează o perioadă de timp pentru a-și realiza procesul de descărcare.

Combinație RC în oscilator de relaxare

Figura de mai sus este un circuit oscilator de relaxare foarte de bază care funcționează folosind teoria descărcării de încărcare de bază a unui condensator.

Acesta include un rezistor (R) și un condensator (C) conectat în serie la o sursă de tensiune de curent continuu. Pentru a putea vedea fizic funcționarea circuitului, a lampă neon este utilizat în paralel cu condensatorul.

Lampa se comportă practic ca un circuit deschis până când tensiunea atinge limita de tensiune prag, când se aprinde instantaneu și conduce curentul ca un conductor și începe să strălucească. Prin urmare, sursa de tensiune de alimentare pentru acest curent trebuie să fie mai mare decât cea a tensiunii de declanșare a neonului.

Cum functioneaza

Când circuitul este pornit, condensatorul începe încărcat încet, determinat de constanta de timp RC. Lampa începe să primească o tensiune crescătoare care se dezvoltă pe condensator.

În momentul în care această încărcare pe condensator atinge o valoare care poate fi egală cu tensiunea de ardere a neonului, lampa de neon conduce și începe să se aprindă.

Când se întâmplă acest lucru, neonul creează o cale de descărcare pentru condensator și acum condensatorul începe să se descarce. La rândul său, acest lucru provoacă o scădere a tensiunii pe neon și atunci când acest nivel scade sub tensiunea de ardere a neonului, lampa se stinge și se stinge.

Procesul continuă acum, provocând neonul să clipească PORNIT. Rata sau frecvența intermitentului depinde de valoarea constantă a timpului RC, care ar putea fi ajustată pentru a permite o intermitent lent sau rapid.

Dacă luăm în considerare valorile componentelor așa cum se arată în diagramă, constanta de timp pentru circuitul T = 5 (megohmi) x 0,1 (microfarade) = 0,5 secunde.

Acest lucru implică faptul că prin modificarea valorilor RC, rata de intermitent a neonului poate fi modificată în consecință, în funcție de preferințele individuale.

Configurare RC în circuite de curent alternativ

Când un AC este utilizat într-o configurație RC, datorită naturii alternante a curentului, ciclul de jumătate al AC încarcă condensatorul în mod eficient și, de asemenea, este descărcat cu următorul semicicl negativ. Acest lucru face ca condensatorul să se încarce și să se descarce alternativ ca răspuns la polaritatea variabilă a formei de undă a ciclului de curent alternativ.

Din această cauză, de fapt, tensiunile de curent alternativ nu sunt stocate în condensator, ci sunt permise să treacă prin condensator. Cu toate acestea, acest pasaj de curent este constrâns de o constantă de timp RC existentă pe traseul circuitului.

Componentele RC decid în funcție de cât procent din tensiunea aplicată este încărcat și descărcat condensatorul. În același timp, condensatorul poate oferi, de asemenea, o ușoară rezistență la trecerea AC prin modul de reactanță, chiar dacă această reactanță nu consumă nicio energie. Impactul său principal este asupra răspunsului în frecvență implicat în circuitul RC.

CUPLARE RC în CIRCUITE AC

Cuplarea unei anumite etape a unui circuit audio la o altă etapă printr-un condensator este o implementare obișnuită și răspândită. Deși capacitatea pare să fie utilizată independent, ea poate fi de fapt implicată cu o rezistență integrală în serie simbolizată prin termenul „sarcină” așa cum se arată mai jos.

Această rezistență, ajutată de condensator, dă naștere unei combinații RC care poate fi responsabilă de generarea unei anumite constante de timp.

Este crucial ca această constantă de timp să completeze specificația frecvenței semnalului de intrare CA care este transferată de la o etapă la alta.

Dacă presupunem exemplul unui circuit de amplificare audio, cea mai mare gamă a frecvenței de intrare ar putea fi de aproximativ 10 kHz. Ciclul perioadei de timp a acestui tip de frecvență va fi de 1 / 10.000 = 0,1 milisecunde.

Acestea fiind spuse, pentru a permite această frecvență, fiecare ciclu implementează două caracteristici de încărcare / descărcare în ceea ce privește funcția condensatorului de cuplare, care sunt una pozitivă și una negativă.

Prin urmare, perioada de timp pentru o funcționalitate de încărcare / descărcare solitară va fi de 0,05 milisecunde.

Constanta de timp RC necesară pentru a permite această funcționare trebuie să satisfacă valoarea de 0,05 milisecunde pentru a atinge 63% din nivelul alimentat de tensiune alternativă și, în esență, ceva mai mică pentru a permite trecerea mai mare de 63% din tensiunea aplicată.

Optimizarea constantei de timp RC

Statisticile de mai sus ne oferă o idee cu privire la cea mai bună valoare posibilă a condensatorului de cuplare care trebuie utilizat.

Pentru a ilustra acest lucru, să presupunem că rezistența normală de intrare a unui tranzistor cu putere redusă poate fi de aproximativ 1 k. Constanta de timp a unui cuplaj RC cel mai eficient ar putea fi de 0,05 milisecunde (a se vedea mai sus), care poate fi realizată cu următoarele calcule:

0,05 x 10 = 1.000 x C sau C = 0.05 x 10^-9farade = 0,50 pF (sau, eventual, ușor mai mici, deoarece acest lucru ar permite trecerea unei tensiuni mai mari de 63% prin condensator).

Practic vorbind, s-ar putea implementa în general o valoare a capacității mult mai mare, care poate fi la fel de mare ca 1µF sau chiar mai mult. Acest lucru poate oferi în mod obișnuit rezultate îmbunătățite, dar dimpotrivă poate determina reducerea eficienței conductei de cuplare AC.

De asemenea, calculele sugerează că cuplarea capacitivă devine din ce în ce mai ineficientă pe măsură ce crește frecvența de curent alternativ, atunci când condensatorii reali sunt implementați în circuitele de cuplare.

Utilizarea rețelei RC în CIRCUITE FILTER

Un aranjament RC standard implementat ca circuit de filtrare este demonstrat în figura de mai jos.

Dacă ne uităm la partea de intrare, găsim un rezistor atașat în serie cu o reactanță capacitivă, provocând o cădere de tensiune între cele două elemente.

În cazul în care reactanța condensatorului (Xc) este mai mare decât R, aproape toată tensiunea de intrare se acumulează pe condensator și, prin urmare, tensiunea de ieșire atinge nivelul egal cu tensiunea de intrare.

Știm că reactanța condensatorului este invers proporțională cu frecvența, ceea ce implică, dacă frecvența de curent alternativ este crescută, va duce la scăderea reactanței, ceea ce va duce la creșterea proporționalității tensiunii de ieșire (dar o parte semnificativă a tensiunii de intrare va fi scăzută de rezistor ).

Ce este frecvența critică

Pentru a asigura o cuplare eficientă a semnalului de curent alternativ, trebuie să luăm în considerare factorul numit frecvență critică.

La această frecvență, elementul valorii reactanței tinde să fie atât de grav afectat încât, în astfel de condiții, condensatorul de cuplare începe să blocheze semnalul în loc să conducă eficient.

Într-o astfel de situație, raportul volți (out) / volți (in) începe să scadă rapid. Acest lucru este demonstrat mai jos în formă schematică de bază.

Punctul critic, numit punctul de derulare sau frecvența de tăiere (f) este evaluat ca:

fc = 1 / 2πRC

unde R este în ohmi, C este în farade și Pi = 3,1416

Dar din discuția anterioară știm că RC = constanta de timp T, prin urmare ecuația devine:

fc = 1 / 2πT

unde T este constanta de timp în secunde.

Eficiența de lucru a acestui tip de filtru este caracterizată de frecvența lor de întrerupere și de rata prin care raportul volți (în) / volți (ieșire) începe să scadă peste pragul de frecvență de întrerupere.

Acesta din urmă este reprezentat, în general, ca (oarecare) dB pe octavă (pentru fiecare frecvență dublată), așa cum se indică în figura următoare, care prezintă relația dintre dB și volți (în) / volți (ieșire) și oferă, de asemenea, un răspuns de frecvență precis curba.

FILTRE RC LOW-PASS

Așa cum sugerează și numele, filtre low-pass sunt proiectate pentru a transmite semnale de curent alternativ sub frecvența de întrerupere, cu pierderea minimă sau atenuarea puterii semnalului. Pentru semnalele care sunt peste frecvența de întrerupere, filtrul trece jos generează o atenuare crescută.

Este posibil să se calculeze valorile componente exacte pentru aceste filtre. De exemplu, un filtru standard de zero utilizat în mod normal în amplificatoare ar putea fi construit pentru a atenua frecvențele peste, să zicem, 10 kHz. Această valoare specifică semnifică frecvența de întrerupere a filtrului.

FILTRE RC PASS ÎNALT

Filtrele high-pass sunt proiectate să funcționeze invers. Acestea atenuează frecvențele care apar sub frecvența de întrerupere, dar permit toate frecvențele la sau peste frecvența de întrerupere setată fără atenuare.

Pentru a realiza această implementare a filtrului de trecere înaltă, componentele RC din circuit sunt pur și simplu schimbate între ele, după cum se indică mai jos.

Un filtru trece sus este similar cu omologul său trece jos. Acestea sunt utilizate în general în amplificatoare și dispozitive audio, pentru a scăpa de zgomot sau „zgomot” generat de frecvențele joase inerente, nedorite.

Frecvența de oprire selectată, care urmează să fie eliminată, ar trebui să fie suficient de scăzută, astfel încât să nu intre în conflict cu răspunsul de bas „bun”. Prin urmare, magnitudinea decisă este în mod normal în intervalul 15-20 Hz.

Calculul frecvenței de tăiere RC

Precis, aceeași formulă este necesară pentru a calcula această frecvență de decupare, astfel, cu 20 Hz ca prag de întrerupere avem:

20 = 1/2 x 3,14 x RC

RC = 125.

Acest lucru indică faptul că, atâta timp cât rețeaua RC este selectată astfel încât produsul lor să fie de 125, va permite tăierea intenționată a trecerii înalte sub semnale de 20 Hz.

În circuitele practice, astfel de filtre sunt de obicei introduse la stadiul preamplificatorului , sau în amplificator imediat înainte de un circuit de control al tonului existent.

Pentru Dispozitive Hi-Fi , aceste circuite de filtrare tăiate sunt de obicei mult mai sofisticate decât cele explicate aici, pentru a permite punctele de tăiere cu o eficiență mai mare și o precizie a punctului pin.

.