Kako delujejo RC vezja

V RC vezju se kombinacija ali R (upor) in C (kondenzator) uporabljata v določenih konfiguracijah za uravnavanje pretoka toka za izvajanje želenega stanja.

Eden od glavne uporabe kondenzatorja je v obliki sklopne enote, ki omogoča prehod AC, vendar blokira DC. Skoraj v katerem koli praktičnem vezju boste videli nekaj uporov, serijsko povezanih s kondenzatorjem.

Upor omejuje pretok toka in povzroča nekaj zakasnitve napajalne napetosti, ki se napaja na kondenzator, tako da v kondenzatorju nastane naboj, sorazmeren napajani napetosti.

RC konstanta časa

Formula za določanje RC časa (T) je zelo enostavna:

T = RC, kjer je T = časovna konstanta v sekundah R = upor v megohmih C = kapacitivnost v mikrofaradih.

(Opaziti je mogoče, da je enaka številčna vrednost za T zagotovljena, če je R v ohmih in C pri faradih, v praksi pa so megomi in mikrofaradi pogosto veliko enostavnejše enote.)

V RC vezju lahko časovno konstanto RC definiramo kot čas, ki ga porabljena napetost na kondenzatorju doseže 63% uporabljene napetosti.

(ta 63-odstotna velikost je dejansko prednost zaradi lažjega izračuna). V resnici se napetost na kondenzatorju lahko akumulira do praktično (vendar nikoli povsem) 100% uporabljene napetosti, kot je prikazano na spodnji sliki.

Element časovne konstante označuje dolžino časa v obliki časovnega faktorja, na primer pri 1 časovnem faktorju omrežja RC se nabere 63% skupne napetosti, v obdobju po 2X časovni konstanti pa se v notranjosti nabere 80% skupne napetosti kondenzator in tako naprej.

Po časovni konstanti 5 se lahko na kondenzatorju nabere skoraj (a ne povsem) 100% napetost. Faktorji praznjenja kondenzatorja se pojavijo na enak temeljni način, vendar v obratnem zaporedju.

To pomeni, da bo po časovnem intervalu, ki je enak časovni konstanti 5, napetost, ki je uporabljena na kondenzatorju, dosegla padec 100 - 63 = 37% polne napetosti in tako naprej.

Kondenzatorji se nikoli ne napolnijo ali izpraznijo

Teoretično vsaj kondenzator na noben način ne sme polniti do polne uporabljene napetosti, niti se ne more popolnoma izprazniti.

V resnici se lahko šteje, da je polnjenje ali popolno praznjenje opravljeno v časovnem obdobju, ki ustreza 5 časovnim konstantam.

Zato bo v vezju, kot je prikazano spodaj, stikalo za vklop 1 povzročilo 'poln' naboj na kondenzatorju v 5-kratnih časovnih konstantnih sekundah.

Nato je ko je kondenzator 1 odprt, kondenzator morda v položaju, ko bo hranil napetost, ki je enaka dejanski uporabljeni napetosti. In to polnjenje bo zadrževalo za nedoločen čas, pod pogojem, da kondenzator nima notranjega puščanja.

Ta postopek izgube naboja bo dejansko zelo počasen, saj v resničnem svetu noben kondenzator ne more biti popoln, vendar lahko v določenem obdobju ta shranjeni naboj še naprej ostane učinkovit vir prvotne napetosti s polnim nabojem.

Ko kondenzator deluje z visoko napetostjo, je lahko hitro v položaju električnega udara, če se ga dotaknete tudi po izklopu vezja.

Za izvedbo cikla polnjenja / praznjenja, kot je prikazano v drugem grafičnem diagramu zgoraj, ko je stikalo 2 zaprto, se kondenzator začne prazniti prek priključenega upora in traja nekaj časa, da zaključi postopek praznjenja.

RC kombinacija v sprostitvenem oscilatorju

Zgornja slika je zelo osnovno vezje sprostitvenega oscilatorja, ki deluje z uporabo osnovne teorije praznjenja naboja kondenzatorja.

Vključuje upor (R) in kondenzator (C), ki sta zaporedno priključena na vir enosmerne napetosti. Da bi lahko fizično videli delovanje vezja, a neonska svetilka se uporablja vzporedno s kondenzatorjem.

Svetilka se obnaša tako rekoč prekinjeno vezje, dokler napetost ne doseže mejne vrednosti praga, ko se takoj vklopi in prevede tok kot vodnik in začne žareti. Vir napajalne napetosti za ta tok mora biti torej višji od napetosti neonske prožilne napetosti.

Kako deluje

Ko je vezje vklopljeno, se kondenzator počasi začne polniti, kot določa časovna konstanta RC. Žarnica začne prejemati naraščajočo napetost, ki se razvije čez kondenzator.

V trenutku, ko ta naboj na kondenzatorju doseže vrednost, ki je lahko enaka napetosti sprožitve neona, neonska žarnica začne in začne osvetljevati.

Ko se to zgodi, neon ustvari izhodno pot za kondenzator in zdaj se kondenzator začne prazniti. To pa povzroči padec napetosti na neonu in ko ta nivo pade pod napetost neona, se žarnica izklopi in izklopi.

Zdaj postopek nadaljuje, zaradi česar neon utripa ON OFF. Hitrost ali frekvenca utripanja je odvisna od vrednosti RC časovne konstante, ki jo lahko prilagodite tako, da omogoči počasno utripanje ali hitrost utripanja.

Če upoštevamo vrednosti komponent, kot je prikazano na diagramu, je časovna konstanta za vezje T = 5 (megohms) x 0,1 (mikrofarad) = 0,5 sekunde.

To pomeni, da lahko s spreminjanjem vrednosti RC hitrost utripanja neona ustrezno spremenimo glede na posamezne nastavitve.

Konfiguracija RC v izmeničnih tokokrogih

Ko se AC uporablja v RC-konfiguraciji, zaradi izmenične narave toka, pol-cikel izmeničnega toka učinkovito napolni kondenzator, prav tako pa se izprazni z naslednjim negativnim polovičnim ciklom. To povzroči, da se kondenzator izmenično polni in prazni kot odziv na različno polarnost valovne oblike izmeničnega cikla.

Zaradi tega se dejansko AC napetosti ne shranijo v kondenzatorju, temveč smejo skozi kondenzator. Vendar je ta pretok toka omejen z obstoječo RC časovno konstanto na poti vezja.

RC komponente se odločijo, za koliko odstotkov uporabljene napetosti se kondenzator napolni in izprazni. Hkrati lahko kondenzator zagotavlja tudi rahlo odpornost proti prehodu izmeničnega toka z reaktanco, čeprav ta reaktanca v bistvu ne porabi moči. Njegov glavni vpliv je na frekvenčni odziv, vključen v RC vezje.

RC PRIKLJUČEK v AC VEZIH

Povezava določene stopnje zvočnega vezja z drugo stopnjo s pomočjo kondenzatorja je pogosta in razširjena izvedba. Čeprav se zdi, da se kapacitivnost uporablja neodvisno, je dejansko lahko povezana z integriranim zaporednim uporom, ki ga simbolizira izraz 'obremenitev', kot je prikazano spodaj.

Ta upor, ki mu pomaga kondenzator, povzroči kombinacijo RC, ki je lahko odgovorna za generiranje določene časovne konstante.

Ključno je, da ta časovna konstanta dopolnjuje specifikacijo vhodne frekvence izmeničnega signala, ki se prenaša iz ene stopnje v drugo.

Če predpostavimo primer avdio ojačevalnega vezja, je lahko vhodna frekvenca največjega obsega približno 10 kHz. Časovni cikel te vrste frekvence bo 1 / 10.000 = 0,1 milisekunde.

Da bi omogočili to frekvenco, vsak cikel izvaja dve značilnosti polnjenja / praznjenja glede na funkcijo sklopnega kondenzatorja, ki sta ena pozitivna in ena negativna.

Zato bo časovno obdobje samotne funkcije polnjenja / praznjenja 0,05 milisekunde.

Časovna konstanta RC, potrebna za omogočanje tega delovanja, mora izpolnjevati vrednost 0,05 milisekunde, da doseže 63% dovedene izmenične napetosti in v bistvu nekoliko manj, da omogoča prehod več kot 63 odstotkov uporabljene napetosti.

Optimizacija RC konstante časa

Zgornja statistika nam daje idejo o najboljši možni vrednosti sklopnega kondenzatorja, ki ga je treba uporabiti.

Za ponazoritev recimo, da je lahko običajni vhodni upor tranzistorja z majhno močjo približno 1 k. Časovna konstanta najučinkovitejšega RC sklopa je lahko 0,05 milisekunde (glej zgoraj), kar lahko dosežemo z naslednjimi izračuni:

0,05 x 10 = 1.000 x C ali C = 0,05 x 10^-9farads = 0,50 pF (ali morda nekoliko nižji, saj bi to omogočilo, da skozi kondenzator prehaja napetost več kot 63%).

Praktično gledano bi lahko na splošno uporabili veliko večjo vrednost kapacitivnosti, ki je lahko velika tudi do 1µF ali celo več. To lahko običajno prinese boljše rezultate, nasprotno pa lahko povzroči zmanjšanje učinkovitosti prevodnosti AC sklopke.

Izračuni tudi kažejo, da je kapacitivno povezovanje vedno bolj neučinkovito s povečanjem izmenične frekvence, ko so v sklopnih vezjih vgrajeni pravi kondenzatorji.

Uporaba RC omrežja v FILTRIRANIH KROGIH

Standardna ureditev RC, izvedena kot filtrirno vezje je prikazano na spodnji sliki.

Če pogledamo vhodno stran, najdemo upor, zaporedno pritrjen s kapacitivno reaktanco, zaradi česar se na obeh elementih razvije padec napetosti.

V primeru, da je reaktanca kondenzatorja (Xc) večja od R, se skoraj vsa vhodna napetost kopiči čez kondenzator in zato izhodna napetost doseže raven, ki je enaka vhodni napetosti.

Vemo, da je reaktanca kondenzatorja obratno sorazmerna s frekvenco, kar pomeni, da če se AC frekvenca poveča, se bo reaktanca zmanjšala, kar bo povzročilo, da bo izhodna napetost povečala sorazmernost (toda upor bo upadel velik del vhodne napetosti ).

Kaj je kritična frekvenca

Da bi zagotovili učinkovito povezavo izmeničnega signala, moramo upoštevati faktor, imenovan kritična frekvenca.

Pri tej frekvenci je element reaktantske vrednosti tako močno prizadet, da v takem stanju sklopni kondenzator začne blokirati signal, namesto da bi učinkovito vodil.

V takšni situaciji začne razmerje voltov (out) / voltov (in) hitro upadati. To je prikazano spodaj v osnovni diagramski obliki.

Kritična točka, imenovana točka odmika ali mejna frekvenca (f), se izračuna kot:

fc = 1 / 2πRC

kjer je R v ohmih, C v faradih in Pi = 3,1416

Toda iz prejšnje razprave vemo, da je RC = časovna konstanta T, zato enačba postane:

fc = 1 / 2πT

kjer je T časovna konstanta v sekundah.

Za delovno učinkovitost te vrste filtrov je značilna njihova mejna frekvenca in hitrost, s katero začne razmerje voltov (vhod / volt (izhod)) padati nad prag frekvence izklopa.

Slednje je na splošno predstavljeno kot (nekaj) dB na oktavo (za vsako podvojeno frekvenco), kot je prikazano na naslednji sliki, ki prikazuje razmerje med dB in razmerjem voltov (v) / voltov (izhodov) in zagotavlja tudi natančen frekvenčni odziv krivulja.

RC FILTRI Z NIZKO PREHODOM

Kot že ime pove, nizkoprepustni filtri so zasnovani tako, da oddajajo izmenične signale pod mejno frekvenco z minimalno izgubo ali slabljenjem jakosti signala. Za signale, ki so nad mejno frekvenco, nizkoprepustni filter ustvari povečano slabljenje.

Za te filtre je mogoče izračunati natančne vrednosti komponent. Kot primer bi lahko vgradili standardni filter za praske, ki se običajno uporablja v ojačevalnikih, da bi oslabil frekvence, recimo 10 kHz. Ta posebna vrednost označuje predvideno mejno frekvenco filtra.

RC VISOKOPOZNI FILTRI

Visokofrekvenčni filtri so zasnovani tako, da delujejo obratno. Omilijo frekvence, ki se pojavijo pod mejno frekvenco, vendar omogočajo vse frekvence na ali nad nastavljeno mejno frekvenco brez dušenja.

Da bi dosegli to visokofrekvenčno izvedbo filtra, se komponente RC v vezju preprosto zamenjajo med seboj, kot je navedeno spodaj.

Visokoprepustni filter je podoben nizkoprepustnemu kolegu. Ti se običajno uporabljajo v ojačevalnikih in zvočnih napravah, da se znebijo hrupa ali 'ropota', ki ga povzročajo neželene nizke frekvence.

Izbrana mejna frekvenca, ki jo je treba odpraviti, mora biti dovolj nizka, da ne bo v nasprotju z 'dobrim' nizkim odzivom. Zato je določena velikost običajno v območju od 15 do 20 Hz.

Izračunavanje frekvence odklona RC

Za izračun te mejne frekvence je potrebna enaka formula, torej z 20 Hz kot mejno vrednost, ki jo imamo:

20 = 1/2 x 3,14 x RC

RC = 125.

To pomeni, da dokler je omrežje RC izbrano tako, da je njihov izdelek 125, omogoča predvideni visokofrekvenčni izklop pod 20 Hz signali.

V praktičnih vezjih so takšni filtri običajno uvedeni na stopnja predojačevalnika , ali v ojačevalniku tik pred obstoječim vezjem za nadzor tonov.

Za Hi-Fi naprave , ta prekinjena filtrirna vezja so navadno veliko bolj dovršena od tistih, ki so razložena tukaj, da omogočajo ločitvene točke z večjo učinkovitostjo in natančnostjo točkovnih točk.

.