Πώς λειτουργούν τα κυκλώματα RC

Σε ένα κύκλωμα RC, ένας συνδυασμός ή R (αντίσταση) και C (πυκνωτής) χρησιμοποιείται σε συγκεκριμένες διαμορφώσεις για τη ρύθμιση της ροής του ρεύματος, για την εφαρμογή μιας επιθυμητής κατάστασης.

Ενα από κύριες χρήσεις ενός πυκνωτή έχει τη μορφή μονάδας ζεύξης που επιτρέπει στο AC να περάσει αλλά μπλοκάρει DC. Σε σχεδόν οποιοδήποτε πρακτικό κύκλωμα, θα δείτε μερικές αντιστάσεις ενωμένες σε σειρά με τον πυκνωτή.

Η αντίσταση περιορίζει τη ροή του ρεύματος και προκαλεί κάποια καθυστέρηση στην τάση τροφοδοσίας που τροφοδοτείται στον πυκνωτή προκαλώντας μια φόρτιση να συσσωρευτεί στον πυκνωτή, ανάλογα με την τάση τροφοδοσίας.

Σταθερή ώρα RC

Ο τύπος για τον προσδιορισμό του χρόνου RC (T) είναι πολύ απλός:

T = RC όπου T = σταθερά χρόνου σε δευτερόλεπτα R = αντίσταση σε megohms C = χωρητικότητα σε microfarads.

(Μπορεί να παρατηρηθεί ότι η ίδια ίδια αριθμητική τιμή για το Τ παρέχεται εάν το R είναι σε ohms και το C σε farads, αλλά στην πράξη τα megohms και τα microfarads είναι συχνά πολύ πιο εύκολα μονάδες.)

Σε ένα κύκλωμα RC, η σταθερά χρόνου RC μπορεί να οριστεί ως ο χρόνος που απαιτείται από την εφαρμοζόμενη τάση στον πυκνωτή για την επίτευξη του 63% της εφαρμοζόμενης τάσης.

(αυτό το μέγεθος 63% προτιμάται πραγματικά για ευκολία υπολογισμού). Στην πραγματική ζωή, η τάση στον πυκνωτή μπορεί να συνεχίσει να συσσωρεύεται σχεδόν (αλλά ποτέ αρκετά) στο 100% της εφαρμοζόμενης τάσης, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Το στοιχείο σταθερής ώρας υποδηλώνει τη διάρκεια του χρόνου με τη μορφή συντελεστή χρόνου, για παράδειγμα σε συντελεστή 1 χρόνου του δικτύου RC, συσσωρεύεται συνολική τάση 63%, σε μια περίοδο μετά από σταθερά χρόνου 2Χ, η συνολική τάση 80% συσσωρεύεται μέσα ο πυκνωτής και ούτω καθεξής.

Μετά από χρονική σταθερά 5 σχεδόν (αλλά όχι αρκετά) 100% τάση μπορεί να συσσωρευτεί στον πυκνωτή. Οι παράγοντες εκφόρτισης ενός πυκνωτή εμφανίζονται με τον ίδιο θεμελιώδη τρόπο αλλά με την αντίστροφη ακολουθία.

Δηλαδή, μετά από ένα χρονικό διάστημα ίσο με τη σταθερά χρόνου 5, η τάση που εφαρμόζεται στον πυκνωτή θα επιτύχει πτώση 100 - 63 = 37% της πλήρους τάσης και ούτω καθεξής.

Οι πυκνωτές δεν φορτίζονται ποτέ ποτέ ούτε εκφορτίζονται πλήρως

Θεωρητικά, τουλάχιστον, ένας πυκνωτής δεν μπορεί σε καμία περίπτωση να φορτίσει μέχρι το πλήρες εφαρμοζόμενο επίπεδο τάσης ούτε μπορεί να αποφορτιστεί πλήρως.

Στην πραγματικότητα, η πλήρης φόρτιση ή η ολική απαλλαγή, μπορεί να θεωρηθεί ότι επιτυγχάνεται εντός χρονικής περιόδου που αντιστοιχεί σε 5 χρονικές σταθερές.

Επομένως, στο κύκλωμα όπως φαίνεται παρακάτω, ο διακόπτης τροφοδοσίας 1 θα προκαλέσει «πλήρη» φόρτιση στον πυκνωτή σε 5 x σταθερά χρόνου.

Στη συνέχεια, όταν ανοίγει ο διακόπτης 1, ο πυκνωτής μπορεί τότε να βρίσκεται σε μια κατάσταση όπου θα αποθηκεύει τάση ίση με την πραγματική εφαρμοζόμενη τάση. Και θα διατηρήσει αυτήν τη φόρτιση για αόριστο χρονικό διάστημα, υπό την προϋπόθεση ότι ο πυκνωτής δεν έχει εσωτερική διαρροή.

Αυτή η διαδικασία απώλειας φόρτισης θα είναι στην πραγματικότητα εξαιρετικά αργή, καθώς στον πραγματικό κόσμο κανένας πυκνωτής δεν μπορεί να είναι τέλειος, ωστόσο για ορισμένο σημαντικό χρονικό διάστημα αυτή η αποθηκευμένη φόρτιση μπορεί να συνεχίσει να αποτελεί αποτελεσματική πηγή της αρχικής τάσης «πλήρους φόρτισης».

Όταν ο πυκνωτής εφαρμόζεται με υψηλή τάση, μπορεί γρήγορα να είναι σε θέση να παραδώσει ηλεκτροπληξία σε περίπτωση που αγγιχτεί ακόμη και μετά το κύκλωμα απενεργοποιηθεί.

Για να εκτελέσετε τον κύκλο φόρτισης / εκφόρτισης όπως φαίνεται στο δεύτερο γραφικό διάγραμμα παραπάνω, όταν ο διακόπτης 2 είναι κλειστός, ο πυκνωτής αρχίζει να αποφορτίζει μέσω της συνδεδεμένης αντίστασης και χρειάζεται κάποιο χρονικό διάστημα για να ολοκληρώσει τη διαδικασία εκφόρτισης.

Συνδυασμός RC σε ταλαντωτή χαλάρωσης

Το παραπάνω σχήμα είναι ένα βασικό κύκλωμα ταλαντωτή χαλάρωσης που λειτουργεί χρησιμοποιώντας τη βασική θεωρία εκφόρτισης φορτίου ενός πυκνωτή.

Περιλαμβάνει μια αντίσταση (R) και έναν πυκνωτή (C) ενσύρματα σε σειρά σε μια πηγή τάσης dc. Για να μπορείτε να δείτε τη λειτουργία του κυκλώματος φυσικά, α λάμπα νέον χρησιμοποιείται παράλληλα με τον πυκνωτή.

Η λυχνία συμπεριφέρεται σχεδόν σαν ανοιχτό κύκλωμα έως ότου η τάση φτάσει στο όριο τάσης κατωφλίου, όταν ανάβει αμέσως και διεξάγει ρεύμα σαν αγωγός και αρχίζει να ανάβει. Η πηγή τάσης τροφοδοσίας για αυτό το ρεύμα πρέπει επομένως να είναι υψηλότερη από εκείνη της τάσης ενεργοποίησης νέου.

Πως δουλεύει

Όταν το κύκλωμα είναι ενεργοποιημένο, ο πυκνωτής αρχίζει αργά να φορτίζεται όπως καθορίζεται από τη σταθερά χρόνου RC. Ο λαμπτήρας αρχίζει να λαμβάνει μια αυξανόμενη τάση που αναπτύσσεται κατά μήκος του πυκνωτή.

Τη στιγμή που αυτό το φορτίο στον πυκνωτή επιτυγχάνει μια τιμή η οποία μπορεί να είναι ίση με την τάση πυροδότησης του νέον, η λυχνία νέον οδηγεί και αρχίζει να φωτίζεται.

Όταν συμβαίνει αυτό, το νέον δημιουργεί μια διαδρομή εκφόρτισης για τον πυκνωτή και τώρα ο πυκνωτής αρχίζει να αποφορτίζει. Αυτό με τη σειρά του προκαλεί πτώση της τάσης στο νέον και όταν αυτό το επίπεδο πέσει κάτω από την τάση πυροδότησης του νέου, η λάμπα σβήνει και σβήνει.

Η διαδικασία συνεχίζεται τώρα αναγκάζοντας το νέον να αναβοσβήνει. Ο ρυθμός αναβοσβήνει ή η συχνότητα εξαρτάται από τη σταθερή τιμή χρόνου RC, η οποία θα μπορούσε να ρυθμιστεί ώστε να επιτρέπει είτε αργή αναλαμπή είτε γρήγορη ταχύτητα αναβοσβήνει.

Εάν λάβουμε υπόψη τις τιμές των στοιχείων όπως φαίνεται στο διάγραμμα, η σταθερά χρόνου για το κύκλωμα T = 5 (megohms) x 0.1 (microfarads) = 0,5 δευτερόλεπτα.

Αυτό συνεπάγεται ότι αλλάζοντας τις τιμές RC, ο ρυθμός αναβοσβήνει του νέον μπορεί ανάλογα να αλλάξει, ανάλογα με τις μεμονωμένες προτιμήσεις.

Διαμόρφωση RC σε κυκλώματα AC

Όταν ένα AC χρησιμοποιείται σε μια διαμόρφωση RC, λόγω της εναλλασσόμενης φύσης του ρεύματος, ο μισός κύκλος του AC φορτίζει αποτελεσματικά τον πυκνωτή και ομοίως αποφορτίζεται με τον επόμενο αρνητικό μισό κύκλο. Αυτό αναγκάζει τον πυκνωτή να φορτίζει και να εκφορτώνει εναλλακτικά σε απόκριση της ποικίλης πολικότητας της κυματομορφής του κύκλου AC.

Εξαιτίας αυτού, στην πραγματικότητα, οι τάσεις AC δεν αποθηκεύονται στον πυκνωτή, αλλά επιτρέπεται να διέρχονται μέσω του πυκνωτή. Ωστόσο, αυτό το πέρασμα ρεύματος περιορίζεται από μια υπάρχουσα σταθερά χρόνου RC στη διαδρομή του κυκλώματος.

Τα εξαρτήματα RC αποφασίζουν από το ποσοστό της εφαρμοζόμενης τάσης που φορτώνεται και αποφορτίζεται ο πυκνωτής. Ταυτόχρονα, ο πυκνωτής μπορεί επίσης να παρέχει μια μικρή αντίσταση στη διέλευση του AC μέσω της αντίδρασης, παρόλο που αυτή η αντίδραση βασικά δεν καταναλώνει καμία ισχύ. Ο κύριος αντίκτυπός του είναι στην απόκριση συχνότητας που εμπλέκεται στο κύκλωμα RC.

RC COUPLING σε AC ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ

Η σύζευξη ενός συγκεκριμένου σταδίου ενός κυκλώματος ήχου σε ένα άλλο στάδιο μέσω ενός πυκνωτή είναι μια κοινή και ευρεία εφαρμογή. Ενώ η χωρητικότητα φαίνεται να χρησιμοποιείται ανεξάρτητα, στην πραγματικότητα μπορεί να εμπλέκεται με μια ολοκληρωμένη αντίσταση σειράς που συμβολίζεται με τον όρο «φορτίο» όπως φαίνεται παρακάτω.

Αυτή η αντίσταση, υποβοηθούμενη από τον πυκνωτή, δημιουργεί έναν συνδυασμό RC που μπορεί να είναι υπεύθυνος για τη δημιουργία μιας συγκεκριμένης χρονικής σταθεράς.

Είναι ζωτικής σημασίας αυτή η χρονική σταθερά να συμπληρώνει την προδιαγραφή της συχνότητας σήματος AC εισόδου που μεταφέρεται από το ένα στάδιο στο άλλο.

Αν υποθέσουμε το παράδειγμα ενός κυκλώματος ενισχυτή ήχου, το υψηλότερο εύρος η συχνότητα εισόδου θα μπορούσε να είναι περίπου 10 kHz. Ο κύκλος χρονικής περιόδου αυτού του είδους της συχνότητας θα είναι 1 / 10.000 = 0,1 χιλιοστά του δευτερολέπτου.

Τούτου λεχθέντος, προκειμένου να επιτραπεί αυτή η συχνότητα, κάθε κύκλος εφαρμόζει δύο χαρακτηριστικά φόρτισης / εκφόρτισης σε σχέση με τη λειτουργία του πυκνωτή ζεύξης, τα οποία είναι ένα θετικό και ένα αρνητικό.

Ως εκ τούτου, η χρονική περίοδος για μια λειτουργική φόρτιση / εκφόρτιση θα είναι 0,05 χιλιοστά του δευτερολέπτου.

Η σταθερά χρόνου RC που απαιτείται για την ενεργοποίηση αυτής της λειτουργίας πρέπει να ικανοποιεί την τιμή των 0,05 χιλιοστών του δευτερολέπτου προκειμένου να φτάσει το 63% της στάθμης τάσης τροφοδοσίας εναλλασσόμενου ρεύματος, και ουσιαστικά κάπως μικρότερη για να επιτρέψει τη διέλευση υψηλότερη από το 63% της εφαρμοζόμενης τάσης.

Βελτιστοποίηση σταθερού χρόνου RC

Τα παραπάνω στατιστικά στοιχεία μας παρέχουν μια ιδέα σχετικά με την καλύτερη δυνατή τιμή του πυκνωτή ζεύξης που θα χρησιμοποιηθεί.

Για να το δείξουμε αυτό, ας πούμε ότι η κανονική αντίσταση εισόδου ενός τρανζίστορ χαμηλής ισχύος μπορεί να είναι περίπου 1 k. Η σταθερά χρόνου μιας πιο αποτελεσματικής σύνδεσης RC μπορεί να είναι 0,05 χιλιοστά του δευτερολέπτου (βλέπε παραπάνω), η οποία μπορεί να επιτευχθεί με τους ακόλουθους υπολογισμούς:

0,05 x 10 = 1.000 x C ή C = 0,05 x 10^-9farads = 0,50 pF (ή πιθανώς ελαφρώς χαμηλότερο, καθώς αυτό θα επέτρεπε τη διέλευση υψηλότερης από 63% τάσης μέσω του πυκνωτή).

Πρακτικά, θα μπορούσε γενικά να εφαρμοστεί μια πολύ μεγαλύτερη τιμή χωρητικότητας η οποία μπορεί να είναι τόσο μεγάλη όσο 1 μF ή ακόμα και περισσότερο. Αυτό μπορεί συνήθως να προσφέρει βελτιωμένα αποτελέσματα, αλλά αντίθετα μπορεί να προκαλέσει μείωση της αποτελεσματικότητας της αγωγιμότητας σύνδεσης AC.

Επίσης, οι υπολογισμοί υποδηλώνουν ότι η χωρητική ζεύξη γίνεται όλο και πιο αναποτελεσματική καθώς αυξάνεται η συχνότητα AC, όταν οι πραγματικοί πυκνωτές εφαρμόζονται σε κυκλώματα ζεύξης.

Χρήση δικτύου RC σε ΦΙΛΤΡΟ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ

Μια τυπική διάταξη RC που εφαρμόζεται ως κύκλωμα φίλτρου φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Αν κοιτάξουμε την πλευρά εισόδου, βρίσκουμε μια αντίσταση συνδεδεμένη σε σειρά με χωρητική αντίδραση, προκαλώντας την ανάπτυξη πτώσης τάσης στα δύο στοιχεία.

Σε περίπτωση που η αντίσταση του πυκνωτή (Xc) είναι υψηλότερη από το R, σχεδόν όλη η τάση εισόδου συσσωρεύεται κατά μήκος του πυκνωτή και επομένως η τάση εξόδου επιτυγχάνει το επίπεδο ίσο με την τάση εισόδου.

Γνωρίζουμε ότι η αντίσταση του πυκνωτή είναι αντιστρόφως ανάλογη με τη συχνότητα, Αυτό συνεπάγεται, εάν η συχνότητα AC αυξηθεί θα προκαλέσει μείωση της αντίδρασης, με αποτέλεσμα η τάση εξόδου να αυξήσει την αναλογικότητα (αλλά ένα σημαντικό μέρος της τάσης εισόδου θα μειωθεί από την αντίσταση ).

Τι είναι η κρίσιμη συχνότητα

Προκειμένου να διασφαλιστεί μια αποτελεσματική σύνδεση σήματος AC, πρέπει να λάβουμε υπόψη τον παράγοντα που ονομάζεται κρίσιμη συχνότητα.

Σε αυτήν τη συχνότητα, το στοιχείο τιμής αντίδρασης τείνει να επηρεαστεί τόσο άσχημα που σε τέτοια κατάσταση ο πυκνωτής ζεύξης αρχίζει να εμποδίζει το σήμα αντί να λειτουργεί αποτελεσματικά.

Σε μια τέτοια κατάσταση, ο λόγος βολτ (εξόδου) / βολτ (σε) αρχίζει να μειώνεται γρήγορα. Αυτό φαίνεται παρακάτω σε βασική διαγραμματική μορφή.

Το κρίσιμο σημείο, που ονομάζεται σημείο κύλισης ή συχνότητα αποκοπής (f) αξιολογείται ως:

fc = 1 / 2πRC

όπου το R είναι στα ohms, το C είναι στα farads και π = 3.1416

Αλλά από την προηγούμενη συζήτηση γνωρίζουμε ότι RC = σταθερά χρόνου T, επομένως η εξίσωση γίνεται:

fc = 1 / 2πT

όπου T είναι η σταθερά χρόνου σε δευτερόλεπτα.

Η αποτελεσματικότητα λειτουργίας αυτού του τύπου φίλτρου χαρακτηρίζεται από τη συχνότητα αποκοπής τους και από τον ρυθμό μέσω του οποίου ο λόγος βολτ (σε) / βολτ (έξω) αρχίζει να πέφτει πάνω από το όριο συχνότητας αποκοπής.

Το τελευταίο αντιπροσωπεύεται γενικά ως (μερικά) dB ανά οκτάβα (για κάθε συχνότητα διπλασιασμένο), όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα που δείχνει τη σχέση μεταξύ dB και βολτ (in) / volts (out), και παρέχει επίσης ακριβή απόκριση συχνότητας καμπύλη.

ΦΙΛΤΡΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ RC

Όπως υποδηλώνει το όνομα, φίλτρα χαμηλής διέλευσης έχουν σχεδιαστεί για να μεταδίδουν σήματα εναλλασσόμενου ρεύματος κάτω από τη συχνότητα αποκοπής με ελάχιστη απώλεια ή μείωση της έντασης του σήματος. Για σήματα που είναι πάνω από τη συχνότητα αποκοπής, το φίλτρο χαμηλής διέλευσης δημιουργεί αυξημένη εξασθένηση.

Είναι δυνατόν να υπολογιστούν οι ακριβείς τιμές συστατικών για αυτά τα φίλτρα. Για παράδειγμα, ένα τυπικό μηδέν φίλτρο που χρησιμοποιείται συνήθως σε ενισχυτές θα μπορούσε να κατασκευαστεί για να μειώσει τις συχνότητες πάνω από, ας πούμε, 10 kHz. Αυτή η συγκεκριμένη τιμή υποδηλώνει την προβλεπόμενη συχνότητα αποκοπής του φίλτρου.

ΦΙΛΤΡΑ ΥΨΗΛΩΝ ΠΕΡΙΒΑΛΛΩΝ RC

Τα φίλτρα υψηλής διέλευσης έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν το αντίστροφο. Μειώνουν τις συχνότητες που εμφανίζονται κάτω από τη συχνότητα αποκοπής, αλλά επιτρέπουν όλες τις συχνότητες στην ή πάνω από τη ρυθμισμένη συχνότητα αποκοπής χωρίς εξασθένηση.

Για να επιτευχθεί αυτή η εφαρμογή φίλτρου υψηλής διέλευσης, τα εξαρτήματα RC στο κύκλωμα ανταλλάσσονται απλώς μεταξύ τους όπως υποδεικνύεται παρακάτω.

Ένα φίλτρο υψηλής διέλευσης είναι παρόμοιο με το αντίστοιχο χαμηλής διέλευσης. Αυτά χρησιμοποιούνται γενικά σε ενισχυτές και συσκευές ήχου, για να απαλλαγούμε από το θόρυβο ή το «rumble» που δημιουργείται από τις εγγενείς, ανεπιθύμητες χαμηλές συχνότητες.

Η επιλεγμένη συχνότητα αποκοπής που πρέπει να εξαλειφθεί πρέπει να είναι αρκετά χαμηλή, ώστε να μην έρχεται σε αντίθεση με την «καλή» απόκριση μπάσων. Επομένως, το αποφασιστικό μέγεθος είναι κανονικά στην περιοχή από 15 έως 20 Hz.

Υπολογισμός συχνότητας αποκοπής RC

Ακριβώς, απαιτείται ο ίδιος τύπος για τον υπολογισμό αυτής της συχνότητας αποκοπής, έτσι, με 20 Hz ως το όριο αποκοπής που έχουμε:

20 = 1/2 x 3,14 x RC

RC = 125.

Αυτό υποδεικνύει ότι όσο το δίκτυο RC έχει επιλεγεί έτσι ώστε το προϊόν τους να είναι 125 θα επιτρέψει την προβλεπόμενη αποκοπή υψηλής διέλευσης κάτω από τα σήματα των 20 Hz.

Σε πρακτικά κυκλώματα, τέτοια φίλτρα εισάγονται συνήθως στο στάδιο προενισχυτή , ή στον ενισχυτή αμέσως πριν από ένα υπάρχον κύκλωμα ελέγχου τόνου.

Για Συσκευές Hi-Fi , αυτά τα κυκλώματα φίλτρου αποκοπής είναι συνήθως πολύ πιο περίπλοκα από αυτά που εξηγούνται εδώ, για να επιτρέψουν τα σημεία αποκοπής με υψηλότερη απόδοση και ακρίβεια σημείου πείρου.

.