Ako fungujú RC obvody

V obvode RC sa na realizáciu požadovanej podmienky v špecifických konfiguráciách používa kombinácia alebo R (odpor) a C (kondenzátor) na reguláciu toku prúdu.

Jeden z hlavné použitie kondenzátora je vo forme spojovacej jednotky, ktorá umožňuje prechod striedavého prúdu, ale blokuje jednosmerný prúd. V takmer akomkoľvek praktickom obvode uvidíte niekoľko odporov zapojených do série s kondenzátorom.

Odpor obmedzuje tok prúdu a spôsobuje určité oneskorenie napájacieho napätia dodávaného do kondenzátora tým, že v kondenzátore vytvára náboj, úmerný napájanému napätiu.

RC časová konštanta

Vzorec na určenie času RC (T) je veľmi jednoduchý:

T = RC kde T = časová konštanta v sekundách R = odpor v megohmoch C = kapacita v mikrofaradoch.

(Možno pozorovať, že rovnaká číselná hodnota pre T je poskytnutá, ak R je v ohmoch a C vo faradoch, ale v praxi sú megohmy a mikrofarady často oveľa ľahšími jednotkami.)

V RC obvode možno časovú konštantu RC definovať ako čas potrebný na privádzané napätie na kondenzátore na dosiahnutie 63% privádzaného napätia.

(táto 63% veľkosť je v skutočnosti preferovaná pre ľahký výpočet). V skutočnom živote môže napätie na kondenzátore akumulovať prakticky (ale nikdy nie celkom) 100% použitého napätia, ako je znázornené na obrázku nižšie.

Prvok časovej konštanty označuje dĺžku času vo forme časového faktora, napríklad pri 1 časovom faktore RC siete sa akumuluje 63% celkového napätia, v období po 2-násobnej časovej konštante sa vnútri nahromadí 80% celkového napätia kondenzátor a tak ďalej.

Po časovej konštante 5 môže na kondenzátore vznikať takmer (ale nie celkom) 100% napätie. Faktory vybíjania kondenzátora sa vyskytujú rovnakým zásadným spôsobom, ale v opačnom poradí.

To znamená, že po časovom intervale rovnajúcom sa časovej konštante 5 dosiahne napätie privádzané na kondenzátor pokles o 100 - 63 = 37% plného napätia atď.

Kondenzátory nie sú nikdy úplne nabité alebo vybité

Teoreticky prinajmenšom kondenzátor nemusí byť v žiadnom prípade nabitý na plnú aplikovanú úroveň napätia a nemôže byť ani úplne vybitý.

V skutočnosti možno úplné nabitie alebo úplné vybitie považovať za splnenie v časovom období zodpovedajúcom 5 časovým konštantám.

Preto v obvode, ako je znázornené nižšie, napájanie spínača 1 spôsobí „úplné“ nabitie kondenzátora za 5 x sekúnd s časovou konštantou.

Ďalej, keď je spínač 1 otvorený, kondenzátor potom môže byť v situácii, keď bude uchovávať napätie rovnajúce sa skutočne použitému napätiu. Tento náboj bude držať neurčitý čas za predpokladu, že kondenzátor bude mať nulový vnútorný únik.

Tento proces straty náboja bude skutočne veľmi pomalý, pretože v skutočnom svete nemôže byť žiadny kondenzátor dokonalý, avšak po určitý významný čas môže tento uložený náboj zostať efektívnym zdrojom pôvodného napätia na „plné nabitie“.

Ak je kondenzátor pripojený k vysokému napätiu, môže byť rýchlo v pozícii, ktorá spôsobí úraz elektrickým prúdom v prípade, že sa ho dotknete aj po vypnutí obvodu.

Aby sa vykonal cyklus nabíjania / vybíjania, ako je zobrazený v druhom grafickom diagrame vyššie, po zatvorení spínača 2 sa kondenzátor začne vybíjať prostredníctvom pripojeného odporu a dokončenie procesu vybíjania trvá určitú dobu.

RC kombinácia v relaxačnom oscilátore

Vyššie uvedený obrázok je veľmi základným relaxačným oscilátorovým obvodom pracujúcim na základe teórie základného výboja kondenzátora.

Zahŕňa rezistor (R) a kondenzátor (C) zapojené do série k zdroju jednosmerného napätia. Aby bolo možné fyzicky vidieť fungovanie obvodu, a neónová lampa sa používa paralelne s kondenzátorom.

Lampa sa správa prakticky ako otvorený obvod, kým napätie nedosiahne hranicu prahového napätia, keď sa okamžite zapne a vedie prúd celkom ako vodič a začne svietiť. Zdroj napájacieho napätia pre tento prúd preto musí byť vyšší ako zdroj spúšťacieho napätia neónu.

Ako to funguje

Keď je obvod zapnutý, kondenzátor sa pomaly začne nabíjať, čo je určené časovou konštantou RC. Lampa začne prijímať stúpajúce napätie, ktoré sa vyvíja cez kondenzátor.

V okamihu, keď tento náboj cez kondenzátor dosiahne hodnotu, ktorá sa môže rovnať streleckému napätiu neónu, neónová lampa vedie a začne svietiť.

Keď sa to stane, neón vytvorí výbojovú cestu pre kondenzátor a teraz sa kondenzátor začne vybíjať. To následne spôsobí pokles napätia na neóne a keď táto úroveň klesne pod zápalné napätie neónu, lampa sa vypne a vypne.

Proces teraz pokračuje v tom, že neon bliká ZAPNUTO VYPNUTÉ. Rýchlosť alebo frekvencia blikania závisí od hodnoty časovej konštanty RC, ktorú je možné upraviť tak, aby umožňovala pomalé alebo rýchle blikanie.

Ak vezmeme do úvahy hodnoty zložiek, ako sú znázornené na diagrame, časová konštanta pre obvod T = 5 (megohmov) x 0,1 (mikrofaradov) = 0,5 sekundy.

To znamená, že zmenou hodnôt RC je možné zodpovedajúcim spôsobom zmeniť frekvenciu blikania neónu podľa individuálnych preferencií.

Konfigurácia RC v AC obvodoch

Keď sa v konfigurácii RC použije striedavý prúd, kvôli striedavej povahe prúdu jedna polovica cyklu striedavého prúdu efektívne nabije kondenzátor a podobne sa vybije s ďalšou zápornou polovicou cyklu. To spôsobí, že sa kondenzátor bude striedavo nabíjať a vybíjať v reakcii na meniacu sa polaritu krivky cyklu AC.

Z tohto dôvodu sa v skutočnosti AC kondenzátory neukladajú v kondenzátore, skôr môžu kondenzátorom prechádzať. Tento prechod prúdu je však obmedzený existujúcou časovou konštantou RC v dráhe obvodu.

RC komponenty rozhodujú o tom, koľko percent použitého napätia je kondenzátor nabitý a vybitý. Kondenzátor môže súčasne poskytovať mierny odpor voči prechodu striedavého prúdu cestou reaktancie, aj keď táto reaktancia v zásade nespotrebováva žiadnu energiu. Jeho primárny vplyv je na frekvenčnú odozvu zapojenú do RC obvodu.

RC SPOJENIE V OBVODOCH AC

Prepojenie konkrétneho stupňa zvukového obvodu s iným stupňom cez kondenzátor je bežnou a rozšírenou implementáciou. Aj keď sa kapacita javí ako použitá nezávisle, v skutočnosti môže byť spojená s integrálnym sériovým odporom symbolizovaným výrazom „záťaž“, ako je uvedené nižšie.

Tento odpor podporovaný kondenzátorom vedie k kombinácii RC, ktorá môže byť zodpovedná za vytvorenie určitej časovej konštanty.

Je nevyhnutné, aby táto časová konštanta dopĺňala špecifikáciu frekvencie vstupného striedavého signálu, ktorá sa prenáša z jedného stupňa do druhého.

Ak si vezmeme príklad obvodu zosilňovača zvuku, najvyšší rozsah vstupnej frekvencie by mohol byť približne okolo 10 kHz. Cyklus času tohto druhu frekvencie bude 1/10 000 = 0,1 milisekundy.

To znamená, že aby sa umožnila táto frekvencia, každý cyklus implementuje dve charakteristiky nabíjania / vybíjania, pokiaľ ide o funkciu spojovacieho kondenzátora, ktoré sú jedna kladná a jedna záporná.

Preto bude čas pre osamelú funkciu nabíjania / vybíjania 0,05 milisekundy.

RC časová konštanta potrebná na umožnenie tejto funkcie musí vyhovovať hodnote 0,05 milisekundy, aby sa dosiahlo 63% úrovne napájaného striedavého napätia, a v podstate o niečo menej, aby sa umožnil prechod vyššie ako 63 percent použitého napätia.

Optimalizácia časovej konštanty RC

Vyššie uvedené štatistiky nám poskytujú predstavu o najlepšej možnej hodnote spojovacieho kondenzátora, ktorá sa má použiť.

Na ilustráciu to povedzme, že normálny vstupný odpor tranzistora s nízkym výkonom môže byť približne 1 k. Časová konštanta najefektívnejšej RC väzby môže byť 0,05 milisekundy (pozri vyššie), čo sa dá dosiahnuť nasledujúcimi výpočtami:

0,05 x 10 = 1 000 x C alebo C = 0,05 x 10^-9farads = 0,50 pF (alebo možno o niečo nižšia, pretože by to umožnilo prejsť cez kondenzátor vyššiemu ako 63% napätia).

Prakticky by sa dala implementovať oveľa väčšia kapacitná hodnota, ktorá môže byť až 1 µF alebo dokonca viac. To môže typicky poskytnúť vylepšené výsledky, ale naopak to môže spôsobiť zníženie účinnosti vedenia AC spojky.

Výpočty tiež naznačujú, že kapacitné prepojenie je čoraz neefektívnejšie, keď sa zvyšuje frekvencia striedavého prúdu, keď sú do spojovacích obvodov implementované skutočné kondenzátory.

Používanie RC siete vo FILTEROVÝCH OKRUHOCH

Štandardné RC usporiadanie implementované ako a filtračný obvod je znázornený na nasledujúcom obrázku.

Ak sa pozrieme na vstupnú stranu, nájdeme rezistor zapojený do série s kapacitnou reaktanciou, čo spôsobí vývoj poklesu napätia cez dva prvky.

V prípade, že je reaktancia kondenzátora (Xc) vyššia ako R, takmer celé vstupné napätie sa hromadí na kondenzátore, a preto výstupné napätie dosahuje úroveň rovnú vstupnému napätiu.

Vieme, že reaktancia kondenzátora je nepriamo úmerná frekvencii. To znamená, že ak sa zvýši frekvencia striedavého prúdu, spôsobí to zníženie reaktancie, čo povedie k zvýšeniu proporcionality výstupného napätia (ale značná časť vstupného napätia rezistor poklesne) ).

Čo je kritická frekvencia

Aby sme zaistili efektívne spojenie AC signálu, musíme brať do úvahy faktor nazývaný kritická frekvencia.

Na tejto frekvencii má prvok hodnoty reaktancie tendenciu byť tak zle ovplyvnený, že v takomto stave začne väzbový kondenzátor namiesto efektívneho vedenia blokovať signál.

V takejto situácii pomer voltov (von) / voltov (in) začína rýchlo klesať. Toto je demonštrované nižšie v základnej schematickej forme.

Kritický bod, ktorý sa nazýva roll-off bod alebo medzná frekvencia (f), sa hodnotí ako:

fc = 1 / 2πRC

kde R je v ohmoch, C je vo faradoch a Pi = 3,1416

Ale z predchádzajúcej diskusie vieme, že RC = časová konštanta T, preto sa rovnica stáva:

fc = 1 / 2πT

kde T je časová konštanta v sekundách.

Pracovná účinnosť tohto typu filtra je charakterizovaná ich medznou frekvenciou a rýchlosťou, cez ktorú pomer voltov (in) / voltov (out) začína klesať nad prahovú hodnotu medznej frekvencie.

Posledný menovaný je všeobecne vyjadrený ako (niektoré) dB na oktávu (pre každú zdvojnásobenú frekvenciu), ako je uvedené na nasledujúcom obrázku, ktorý ukazuje vzťah medzi pomerom dB a pomermi voltov (in) / voltov (out) a tiež poskytuje presnú frekvenčnú odozvu. krivka.

RC NÍZKOTRASOVÉ FILTRE

Ako už názov napovedá, low-pass filtre sú určené na prenos striedavého signálu pod medznú frekvenciu s minimálnou stratou alebo útlmom sily signálu. Pre signály, ktoré sú nad medznou frekvenciou, generuje dolnopriepustný filter zvýšený útlm.

Pre tieto filtre je možné vypočítať presné hodnoty komponentov. Napríklad, štandardný filter proti poškriabaniu, ktorý sa bežne používa v zosilňovačoch, by mohol byť zostrojený na zoslabenie frekvencií povedzme o 10 kHz. Táto špecifická hodnota znamená plánovanú medznú frekvenciu filtra.

RC VYSOKOTLAKÉ FILTRE

High-pass filtre sú navrhnuté tak, aby fungovali opačne. Tlmia frekvencie, ktoré sa objavujú pod medznou frekvenciou, ale umožňujú všetky frekvencie na alebo nad nastavenou medznou frekvenciou bez útlmu.

Na splnenie tejto implementácie vysokopriepustného filtra sú RC komponenty v obvode navzájom jednoducho zamenené, ako je uvedené nižšie.

Hornopriepustný filter je podobný svojmu náprotivku s dolným priechodom. Spravidla sa používajú v zosilňovačoch a zvukových zariadeniach na zbavenie sa šumu alebo šumu generovaného inherentnými nežiaducimi nízkymi frekvenciami.

Zvolená medzná frekvencia, ktorá sa má eliminovať, by mala byť dostatočne nízka, aby nebola v rozpore s „dobrou“ basovou odozvou. Preto je rozhodovaná veľkosť normálne v rozmedzí od 15 do 20 Hz.

Výpočet medznej frekvencie RC

Rovnaký vzorec sa vyžaduje presne na výpočet tejto medznej frekvencie, teda s medznou hranicou 20 Hz máme:

20 = 1/2 x 3,14 x RC

RC = 125.

To naznačuje, že pokiaľ je zvolená sieť RC tak, že ich produkt je 125, umožní zamýšľané obmedzenie horného priechodu pod 20 Hz.

V praktických obvodoch sa takéto filtre zvyčajne zavádzajú na stupeň predzosilňovača , alebo v zosilňovači bezprostredne pred existujúcim obvodom riadenia tónov.

Pre Hi-Fi zariadenia , tieto filtračné obvody cut-off sú zvyčajne oveľa sofistikovanejšie ako tie, ktoré sú tu vysvetlené, aby umožnili cut-off body s vyššou účinnosťou a presnosťou pin point.

.