Как работят RC веригите

В RC верига се използва комбинация или R (резистор) и C (кондензатор) в специфични конфигурации, за да се регулира потока на тока, за изпълнение на желаното състояние.

Един от основни приложения на кондензатор е под формата на съединителна единица, която позволява AC да премине, но блокира DC. В почти всяка практическа схема ще видите няколко съпротивления, съединени последователно с кондензатора.

Съпротивлението ограничава потока на тока и причинява известно забавяне на захранващото напрежение, подавано към кондензатора, като причинява натрупване на заряд в кондензатора, пропорционално на захранваното напрежение.

RC Постоянна време

Формулата за определяне на RC времето (T) е много ясна:

T = RC, където T = времева константа в секунди R = съпротивление в мегаоми C = капацитет в микрофаради.

(Може да се забележи, че същата цифрова стойност за T се предоставя, ако R е в ома и C във фарадите, но на практика мегомите и микрофарадите често са много по-лесни единици.)

В RC верига RC константата на времето може да бъде дефинирана като времето, необходимо от приложеното напрежение в кондензатора, за да достигне 63% от приложеното напрежение.

(тази 63% величина всъщност се предпочита за по-лесно изчисляване). В реалния живот напрежението в кондензатора може да продължи да се натрупва до практически (но никога съвсем) 100% от приложеното напрежение, както е показано на фигурата по-долу.

Елементът с времевата константа означава продължителността на времето под формата на фактор на времето, например при 1 фактор на времето на RC мрежата се натрупват 63% общо напрежение, в период след 2Х времева константа, 80% общо напрежение се натрупва вътре кондензатора и т.н.

След времева константа от 5 почти (но не съвсем) 100% напрежение може да се натрупа в кондензатора. Коефициентите на разреждане на кондензатор се появяват по същия фундаментален начин, но в обратна последователност.

Това означава, че след интервал от време, равен на времевата константа 5, напрежението, приложено към кондензатора, ще постигне спад от 100 - 63 = 37% от пълното напрежение и т.н.

Кондензаторите никога не се зареждат напълно или разреждат

Теоретично, поне кондензаторът не може по никакъв начин да се зарежда до пълното приложено ниво на напрежение, нито да бъде напълно разреден.

В действителност пълното зареждане или пълното разреждане може да се счита за извършено в рамките на период от време, съответстващ на 5 времеви константи.

Следователно, във веригата, както е показано по-долу, превключвателят за включване 1 ще доведе до „пълно“ зареждане на кондензатора за 5 пъти постоянни секунди.

След това, когато ключът 1 е отворен, кондензаторът може да бъде в ситуация, в която ще съхранява напрежение, равно на действителното приложено напрежение. И ще задържи това зареждане за неопределен период от време, при условие че кондензаторът има нулево вътрешно изтичане.

Този процес на загуба на заряд всъщност ще бъде изключително бавен, тъй като в реалния свят нито един кондензатор не може да бъде перфектен, но за определен значителен период от време този съхраняван заряд може да продължи да бъде ефективен източник на първоначалното напрежение с „пълен заряд“.

Когато кондензаторът се прилага с високо напрежение, той може бързо да бъде в състояние да предизвика токов удар в случай на докосване дори след изключване на веригата.

За да изпълни цикъла на зареждане / разреждане, както е показано на втората графична диаграма по-горе, когато превключвател 2 е затворен, кондензаторът започва да се разрежда чрез свързаното съпротивление и отнема известно време, за да осъществи процеса си на разреждане.

RC комбинация в релаксационен осцилатор

Фигурата по-горе е много основна верига за релаксационен осцилатор, работеща с помощта на основната теория за разряд на заряд на кондензатор.

Той включва резистор (R) и кондензатор (C), свързани последователно към източник на постояннотоково напрежение. За да може физически да се види работата на веригата, a неонова лампа се използва паралелно с кондензатора.

Лампата се държи практически като отворена верига, докато напрежението достигне границата на прага на напрежението, когато незабавно се включва и провежда ток като проводник и започва да свети. Следователно източникът на захранващо напрежение за този ток трябва да бъде по-висок от този на неоновото задействащо напрежение.

Как работи

Когато веригата е включена, кондензаторът започва бавно да се зарежда, както се определя от RC константата на времето. Лампата започва да получава нарастващо напрежение, което се развива през кондензатора.

В момента, в който този заряд в кондензатора достигне стойност, която може да бъде равна на напрежението на стрелба на неона, неоновата лампа провежда и започва да свети.

Когато това се случи, неонът създава път за разреждане на кондензатора и сега кондензаторът започва да се разрежда. Това от своя страна води до спад на напрежението в неона и когато това ниво падне под напрежението на неона, лампата се изключва и изключва.

Сега процесът продължава, кара неонът да мига ON OFF. Скоростта или честотата на мигане зависят от стойността на RC време константа, която може да се регулира, за да позволи бавно мигане или бърза скорост на мигане.

Ако разгледаме стойностите на компонентите, както е показано на диаграмата, времевата константа за веригата T = 5 (мегаома) x 0,1 (микрофарада) = 0,5 секунди.

Това означава, че чрез промяна на RC стойностите, скоростта на мигане на неона може да бъде съответно променена, според индивидуалните предпочитания.

RC конфигурация в променливотокови вериги

Когато се използва променлив ток в RC конфигурация, поради променливия характер на тока, полупериодът на променлив ток зарежда кондензатора ефективно и по същия начин се разрежда със следващия отрицателен полуцикъл. Това кара кондензаторът да се зарежда и разрежда последователно в отговор на променящата се полярност на формата на вълната на променлив ток.

Поради това всъщност променливотоковото напрежение не се запаметява в кондензатора, а по-скоро се позволява да премине през кондензатора. Това преминаване на ток обаче е ограничено от съществуваща константа на RC време по пътя на веригата.

RC компонентите решават с колко процента от приложеното напрежение кондензаторът се зарежда и разрежда. Едновременно с това кондензаторът може да осигури леко съпротивление на преминаването на променлив ток чрез реактантско съпротивление, въпреки че това реактивно съпротивление всъщност не консумира никаква мощност. Основното му въздействие е върху честотната характеристика, включена в RC веригата.

RC СЪЕДИНЕНИЕ в AC СХЕМИ

Свързването на определен етап от аудио верига с друг етап чрез кондензатор е често срещано и широко разпространено изпълнение. Въпреки че капацитетът изглежда се използва независимо, той всъщност може да бъде включен с интегрално серийно съпротивление, символизирано от термина „товар“, както е показано по-долу.

Това съпротивление, подпомогнато от кондензатора, поражда RC комбинация, която може да е отговорна за генерирането на определена времева константа.

От решаващо значение е тази времева константа да допълва спецификацията на честотата на входния променлив сигнал, която се прехвърля от един етап на друг.

Ако приемем примера за схема на аудио усилвател, най-високият обхват на входната честота може да бъде приблизително около 10 kHz. Цикълът от времеви период от този вид честота ще бъде 1/10 000 = 0,1 милисекунди.

Въпреки това, за да се позволи тази честота, всеки цикъл изпълнява две характеристики на заряд / разряд по отношение на функцията на свързващия кондензатор, които са една положителна и една отрицателна.

Следователно периодът от време за единична функционалност за зареждане / разреждане ще бъде 0,05 милисекунди.

Константата на RC време, необходима за активиране на това функциониране, трябва да отговаря на стойността от 0,05 милисекунди, за да достигне 63% от нивото на захранваното променливо напрежение и по същество малко по-малко, за да позволи преминаването на по-високо от 63 процента от приложеното напрежение.

Оптимизиране на RC постоянна време

Горната статистика ни дава идея относно възможно най-добрата стойност на свързващия кондензатор, който да се използва.

За да илюстрираме това, да кажем, че нормалното входно съпротивление на транзистора с малка мощност може да бъде приблизително 1 k. Константата на времето на най-ефективно RC свързване може да бъде 0,05 милисекунди (вижте по-горе), което може да се постигне със следните изчисления:

0,05 x 10 = 1 000 x C или C = 0,05 x 10^-9farads = 0,50 pF (или евентуално малко по-ниско, тъй като това би позволило по-високо от 63% напрежение да премине през кондензатора).

На практика може да се приложи много по-голяма стойност на капацитета, която може да достигне до 1µF или дори повече. Това обикновено може да осигури подобрени резултати, но напротив може да доведе до намаляване на ефективността на проводимостта на AC свързването.

Също така, изчисленията предполагат, че капацитивното свързване става все по-неефективно с увеличаване на честотата на променлив ток, когато в съединителните вериги са внедрени реални кондензатори.

Използване на RC мрежа във ФИЛТРОВИ СХЕМИ

Стандартно RC споразумение, изпълнено като a филтърна верига е показано на фигурата по-долу.

Ако разгледаме входната страна, ще открием последователно прикрепен резистор с капацитивен реактивоспособност, което води до развитие на спад на напрежението в двата елемента.

В случай, че реактивността на кондензатора (Xc) е по-висока от R, почти цялото входно напрежение се натрупва през кондензатора и следователно изходното напрежение достига нивото, равно на входното напрежение.

Знаем, че реактивното съпротивление на кондензатора е обратно пропорционално на честотата, Това означава, че ако честотата на променлив ток се увеличи, това ще доведе до намаляване на съпротивлението, което води до увеличаване на пропорционалността на изходното напрежение (но значителна част от входното напрежение ще падне от резистора ).

Какво е критична честота

За да осигурим ефективно свързване на променлив сигнал, трябва да вземем предвид фактора, наречен критична честота.

При тази честота елементът на стойността на реактивно съпротивление има тенденция да бъде толкова силно повлиян, че в такова състояние съединителният кондензатор започва да блокира сигнала, вместо да провежда ефективно.

В такава ситуация съотношението на волта (out) / volts (in) започва бързо да намалява. Това е показано по-долу в основна схематична форма.

Критичната точка, наречена точка на преобръщане или гранична честота (f), се изчислява като:

fc = 1 / 2πRC

където R е в ома, C е във фаради и Пи = 3,1416

Но от предишната дискусия знаем, че RC = времева константа T, следователно уравнението става:

fc = 1 / 2πT

където T е времевата константа в секунди.

Ефективността на работа на този тип филтри се характеризира с тяхната честота на прекъсване и с скоростта, с която съотношението волта (в) / волта (изхода) започва да пада над прага на честотата на прекъсване.

Последното обикновено се представя като (някои) dB на октава (за всяка удвоена честота), както е посочено на следващата фигура, която показва връзката между dB и съотношението волта (в) / волта (изхода) и също така осигурява точна честотна характеристика крива.

RC ФИЛТРИ С НИСКО ПРОХОД

Както подсказва името, нискочестотни филтри са проектирани да предават променливотокови сигнали под граничната честота с минимална загуба или затихване на силата на сигнала. За сигнали, които са над граничната честота, нискочестотният филтър генерира повишено затихване.

Възможно е да се изчислят точните стойности на компонентите за тези филтри. Като пример може да се изгради стандартен филтър за надраскване, който обикновено се използва в усилвателите, за да намали честотите над, да речем, 10 kHz. Тази специфична стойност означава планираната честота на прекъсване на филтъра.

RC високопроходими филтри

Високочестотните филтри са проектирани да работят обратно. Те намаляват честотите, които се появяват под граничната честота, но позволяват всички честоти на или над зададената гранична честота без затихване.

За да се осъществи това изпълнение на високочестотен филтър, RC компонентите във веригата просто се разменят помежду си, както е посочено по-долу.

Високочестотният филтър е подобен на неговия аналог за нискочестотни. Те обикновено се използват в усилватели и аудио устройства, за да се отърват от шума или „тътена“, генерирани от присъщите, нежелани ниски честоти.

Избраната честота на прекъсване, която трябва да бъде премахната, трябва да бъде достатъчно ниска, за да не противоречи на „добрия“ басов отговор. Следователно определената величина обикновено е в диапазона от 15 до 20 Hz.

Изчисляване на RC граничната честота

Точно същата формула се изисква за изчисляване на тази гранична честота, като по този начин с 20 Hz като праг на прекъсване имаме:

20 = 1/2 x 3,14 x RC

RC = 125.

Това показва, че докато RC мрежата е избрана така, че техният продукт да е 125, ще даде възможност на планираното високочестотно изключване под 20 Hz сигнали.

В практически схеми такива филтри обикновено се въвеждат при етап на предусилвателя , или в усилвателя непосредствено преди съществуваща схема за управление на тона.

За Hi-Fi устройства , тези прекъснати филтърни вериги обикновено са далеч по-усъвършенствани от обяснените тук, за да позволят прекъснатите точки с по-висока ефективност и точност на пиновите точки.

.