Hvordan RC-kretser fungerer

I en RC-krets brukes en kombinasjon eller R (motstand) og C (kondensator) i spesifikke konfigurasjoner for å regulere strømmen, for å implementere en ønsket tilstand.

En av hovedbruken av en kondensator er i form av en koblingsenhet som lar vekselstrøm passere, men blokkerer likestrøm. I nesten hvilken som helst praktisk krets vil du se noen motstander som er koblet i serie med kondensatoren.

Motstanden begrenser strømmen og forårsaker en viss forsinkelse over forsyningsspenningen som mates til kondensatoren ved å få en ladning til å bygge seg opp i kondensatoren, proporsjonal med matespenningen.

RC Time Constant

Formelen for å bestemme RC-tiden (T) er veldig grei:

T = RC hvor T = tidskonstant i sekunder R = motstand i megohms C = kapasitans i mikrofarader.

(Det kan observeres at den samme numeriske verdien for T er gitt hvis R er i ohm og C i farader, men i praksis er megohms og microfarads ofte langt enklere enheter.)

I en RC-krets kan RC-tidskonstanten defineres som tiden det tar av den påførte spenningen over kondensatoren for å oppnå 63% av den påførte spenningen.

(denne størrelsesorden på 63% er faktisk foretrukket for enkel beregning). I det virkelige liv kan spenningen over kondensatoren fortsette å akkumulere til praktisk talt (men aldri helt) 100% av den påførte spenningen, som indikert i figuren nedenfor.

Tidskonstantelementet angir lengden på tid i form av tidsfaktor, for eksempel ved en tidsfaktor i RC-nettverket akkumuleres 63% total spenning, i en periode etter 2X tidskonstant er 80% total spenning bygget opp inne kondensatoren og så videre.

Etter en tidskonstant på 5 kan nesten (men ikke helt) 100% spenning bygge seg opp over kondensatoren. Utladningsfaktorene til en kondensator forekommer på samme grunnleggende måte, men i omvendt rekkefølge.

Betydning, etter et tidsintervall lik tidskonstanten 5, vil spenningen som påføres kondensatoren oppnå et fall på 100 - 63 = 37% av full spenning og så videre.

Kondensatorer blir aldri fulladet eller utladet

Teoretisk sett kan en kondensator i det minste på ingen måte lade opp til det fulde påførte spenningsnivået, og den kan heller ikke fullstendig utlades.

I virkeligheten kan fulladning, eller total utladning, betraktes som oppnådd innen en tidsperiode som tilsvarer 5 tidskonstanter.

Derfor, i kretsen som vist nedenfor, vil strømbryteren 1 forårsake en 'full' ladning på kondensatoren i 5 x tidskonstant sekunder.

Deretter, når bryter 1 åpnes, kan kondensatoren da være i en situasjon der den vil lagre en spenning lik den faktiske påførte spenningen. Og den vil holde denne ladningen på ubestemt tid, forutsatt at kondensatoren ikke har intern lekkasje.

Denne prosessen med å miste ladning vil faktisk være ekstremt treg, siden i den virkelige verden ingen kondensator kan være perfekt, men i en viss betydelig tidsperiode kan denne lagrede ladningen fortsette å være en effektiv kilde til den opprinnelige 'fulladede' spenningen.

Når kondensatoren påføres med høy spenning, kan den raskt være i stand til å levere et elektrisk støt i tilfelle det blir berørt, selv etter at kretsen er slått av.

For å utføre syklusen av lade / utladning som vist i det andre grafiske diagrammet ovenfor, når bryter 2 er lukket, begynner kondensatoren å tømmes via den tilkoblede motstanden, og det tar litt tid å fullføre utladningsprosessen.

RC-kombinasjon i avslapningsoscillator

Figuren over er en veldig grunnleggende avslapningsoscillatorkrets som opererer ved hjelp av den grunnleggende ladeutladningsteorien til en kondensator.

Den inkluderer en motstand (R) og kondensator (C) som er koblet i serie til en likestrømskilde. For å kunne se kretsens funksjoner fysisk, a neonlampe brukes parallelt med kondensatoren.

Lampen oppfører seg praktisk talt som en åpen krets til spenningen når terskelspenningsgrensen, når den umiddelbart slås PÅ og leder strømmen ganske som en leder og begynner å lyse. Kilden til forsyningsspenningen for denne strømmen må derfor være høyere enn den for neonutløsende spenning.

Hvordan det fungerer

Når kretsen er slått PÅ, begynner kondensatoren sakte å lade som bestemt av RC-tidskonstanten. Lampen begynner å motta en stigende spenning som utvikles over kondensatoren.

I det øyeblikket denne ladningen over kondensatoren oppnår en verdi som kan være lik neonens avfyringsspenning, leder neonlampen og begynner å lyse.

Når dette skjer, skaper neonet en utladningsbane for kondensatoren, og nå begynner kondensatoren å tømmes. Dette fører igjen til at spenningen faller over neonet, og når dette nivået går under neonens avfyringsspenning, slås lampen AV og slås av.

Prosessen fortsetter nå og får neon til å blinke PÅ AV. Blinkfrekvensen eller frekvensen avhenger av RC-tidskonstantverdien, som kan justeres for enten å aktivere langsom eller rask blinkhastighet.

Hvis vi vurderer komponentverdiene som vist i diagrammet, er tidskonstanten for kretsen T = 5 (megohms) x 0,1 (mikrofarader) = 0,5 sekunder.

Dette innebærer at ved å endre RC-verdiene, kan neonens blinkende hastighet endres i henhold til individuell preferanse.

RC-konfigurasjon i vekselstrømskretser

Når en vekselstrøm brukes i en RC-konfigurasjon, på grunn av den vekslende naturen til strømmen, lader den ene halvsyklusen av vekselstrøm kondensatoren effektivt, og på samme måte blir den utladet med neste negative halvsyklus. Dette fører til at kondensatoren vekselvis lades og lades ut som svar på den varierende polariteten til vekselstrømsbølgeformen.

På grunn av dette blir AC-spenninger faktisk ikke lagret i kondensatoren, men får passere gjennom kondensatoren. Imidlertid er denne strømgjennomgangen begrenset av en eksisterende RC-tidskonstant i kretsens bane.

RC-komponentene bestemmer hvor mye prosent av den påførte spenningen kondensatoren blir ladet og utladet. Samtidig kan kondensatoren også gi en liten motstand mot passering av AC ved hjelp av reaktans, selv om denne reaktansen i utgangspunktet ikke bruker noe strøm. Dens primære innvirkning er på frekvensresponsen involvert i RC-kretsen.

RC-KOBLING I AC-KRETSER

Å koble et bestemt trinn i en lydkrets til et annet trinn gjennom en kondensator er en vanlig og utbredt implementering. Selv om kapasitansen ser ut til å brukes uavhengig, kan den faktisk være involvert i en integrert seriemotstand symbolisert med begrepet 'last' som vist nedenfor.

Denne motstanden, hjulpet av kondensatoren, gir opphav til en RC-kombinasjon som kan være ansvarlig for å generere en viss tidskonstant.

Det er avgjørende at denne tidskonstanten utfyller spesifikasjonen for inngangs AC signalfrekvensen som overføres fra ett trinn til et annet.

Hvis vi antar eksemplet på en lydforsterkerkrets, kan det høyeste området inngangsfrekvensen være omtrent 10 kHz. Tidsperioden for denne frekvensen vil være 1/10 000 = 0,1 millisekunder.

Når det er sagt, for å tillate denne frekvensen, implementerer hver syklus to lade / utladningsegenskaper med hensyn til koblingskondensatorfunksjonen, som er en positiv og en negativ.

Derfor vil tidsperioden for en ensom ladnings- / utladningsfunksjonalitet være 0,05 millisekunder.

RC-tidskonstanten som kreves for å muliggjøre denne funksjonen, må tilfredsstille verdien på 0,05 millisekunder for å nå 63% av det matede vekselspenningsnivået, og i det vesentlige noe mindre for å tillate passering av høyere enn 63 prosent av den påførte spenningen.

Optimalisering av RC Time Constant

Ovennevnte statistikk gir oss en ide om den best mulige verdien av koblingskondensatoren som skal brukes.

For å illustrere dette, la oss si at den normale inngangsmotstanden til en laveffekttransistor kan være omtrent 1 k. Tidskonstanten til en mest effektiv RC-kobling kan være 0,05 millisekunder (se ovenfor), som kan oppnås med følgende beregninger:

0,05 x 10 = 1000 x C eller C = 0,05 x 10^-9farads = 0,50 pF (eller muligens litt lavere, siden det ville tillate høyere enn 63% spenning å passere gjennom kondensatoren).

Praktisk sett kan en mye større kapasitansverdi generelt implementeres som kan være så stor som 1 µF eller enda mer. Dette kan typisk gi forbedrede resultater, men tvert imot kan føre til reduksjon i effektiviteten til AC-koblingsledningen.

Også beregninger antyder at kapasitiv kobling blir mer og mer ineffektiv etter hvert som AC-frekvensen øker når virkelige kondensatorer er implementert i koblingskretser.

Bruker RC-nettverk i FILTERKRETSER

En standard RC-ordning implementert som en filterkrets er demonstrert i figuren nedenfor.

Hvis vi ser på inngangssiden, finner vi en motstand festet i serie med en kapasitiv reaktans, noe som får et spenningsfall til å utvikle seg over de to elementene.

I tilfelle kondensatorreaktansen (Xc) tilfeldigvis er høyere enn R, bygger nesten all inngangsspenningen seg over kondensatoren, og utgangsspenningen oppnår derfor nivået som er lik inngangsspenningen.

Vi vet at kondensatorreaktansen er omvendt proporsjonal med frekvensen. Dette innebærer at hvis AC-frekvensen økes, vil reaktansen reduseres, noe som resulterer i at utgangsspenningen øker proporsjonaliteten (men en betydelig del av inngangsspenningen vil falle av motstanden. ).

Hva er kritisk frekvens

For å sikre en effektiv kobling av vekselstrømssignalet, må vi vurdere faktoren som kalles kritisk frekvens.

Ved denne frekvensen har reaktansverdielementet en tendens til å bli så sterkt påvirket at koblingskondensatoren i en slik tilstand begynner å blokkere signalet i stedet for å lede effektivt.

I en slik situasjon begynner forholdet mellom volt (ut) / volt (inn) å synke raskt. Dette er demonstrert nedenfor i grunnleggende skjematisk form.

Det kritiske punktet, kalt avrundingspunkt eller avskjæringsfrekvens (f), blir vurdert som:

fc = 1 / 2πRC

hvor R er i ohm, C er i farader, og Pi = 3.1416

Men fra forrige diskusjon vet vi at RC = tidskonstant T, derfor blir ligningen:

fc = 1 / 2πT

hvor T er tidskonstanten i sekunder.

Arbeidseffektiviteten til denne typen filter er preget av deres avskjæringsfrekvens og av hastigheten som forholdet mellom volt (inn) og volt (ut) begynner å synke over grenseverdien for kuttfrekvensen.

Sistnevnte er generelt representert som (noen) dB per oktav (for hver doblet frekvens), som indikert i følgende figur som viser forholdet mellom dB og volt (in) / volt (ut) forhold, og gir også en nøyaktig frekvensrespons kurve.

RC FILTER MED LAV PASS

Som navnet antyder, lavpass filtre er designet for å sende vekselstrømssignaler under kuttfrekvensen med minimalt tap eller demping av signalstyrken. For signaler som er over kuttfrekvensen, genererer lavpassfilter en økt demping.

Det er mulig å beregne nøyaktige komponentverdier for disse filtrene. Som et eksempel kan et standard skrapefilter som vanligvis brukes i forsterkere bygges for å dempe frekvenser over for eksempel 10 kHz. Denne spesifikke verdien angir den tiltenkte avskjæringsfrekvensen til filteret.

RC HØYPASSFILTER

Høypassfiltre er designet for å fungere omvendt. De demper frekvenser som vises under avskjæringsfrekvensen, men tillater alle frekvenser ved eller over den innstilte avskjæringsfrekvensen uten demping.

For å oppnå denne implementeringen av høypassfilter byttes ganske enkelt RC-komponentene i kretsen med hverandre som angitt nedenfor.

Et høypassfilter ligner på dets lavpass-motstykke. Disse brukes vanligvis i forsterkere og lydenheter for å kvitte seg med støy eller 'rumling' generert av de iboende, uønskede lave frekvensene.

Den valgte avskjæringsfrekvensen som skal elimineres, bør være lav nok til at den ikke kommer i konflikt med den 'gode' bassresponsen. Derfor er den bestemte størrelsen normalt i området 15 til 20 Hz.

Beregner RC Cut-off Frequency

Akkurat er det nødvendig med samme formel for å beregne denne avskjæringsfrekvensen, og dermed med 20 Hz som avskåret terskel vi har:

20 = 1/2 x 3,14 x RC

RC = 125.

Dette indikerer at så lenge RC-nettverket er valgt slik at deres produkt er 125, vil den tiltenkte høypassavskjæringen under 20 Hz-signaler muliggjøres.

I praktiske kretsløp blir slike filtre vanligvis introdusert på forforsterker scenen , eller i forsterkeren rett før en eksisterende tonekontrollkrets.

Til Hi-Fi-enheter , disse avskårne filterkretsene er vanligvis langt mer sofistikerte enn de som er forklart her, for å muliggjøre avskjæringspunktene med høyere effektivitet og presisjon.

.