Jak RC obvody fungují

V obvodu RC se v konkrétních konfiguracích používá kombinace nebo R (rezistor) a C (kondenzátor), aby se reguloval tok proudu pro realizaci požadované podmínky.

Jeden z hlavní použití kondenzátoru je ve formě spojovací jednotky, která umožňuje průchod střídavého proudu, ale blokuje stejnosměrný proud. V téměř každém praktickém obvodu uvidíte několik odporů zapojených do série s kondenzátorem.

Odpor omezuje tok proudu a způsobuje určité zpoždění napájecího napětí přiváděného do kondenzátoru tím, že v kondenzátoru vytváří náboj úměrný napájenému napětí.

RC časová konstanta

Vzorec pro určení RC času (T) je velmi přímočarý:

T = RC kde T = časová konstanta v sekundách R = odpor v megohmech C = kapacita v mikrofaradech.

(Lze pozorovat, že stejná číselná hodnota pro T je uvedena, pokud R je v ohmech a C ve faradech, ale v praxi jsou megohmy a mikrofarady často mnohem jednodušší jednotky.)

V RC obvodu může být časová konstanta RC definována jako čas potřebný aplikovaným napětím přes kondenzátor k dosažení 63% aplikovaného napětí.

(tato 63% velikost je ve skutečnosti preferována pro snazší výpočet). Ve skutečném životě se napětí na kondenzátoru může akumulovat na prakticky (ale nikdy ne zcela) 100% aplikovaného napětí, jak je znázorněno na obrázku níže.

Prvek časové konstanty označuje délku času ve formě časového faktoru, například při 1 časovém faktoru RC sítě se akumuluje 63% celkového napětí, v období po 2X časové konstantě se uvnitř vytvoří 80% celkového napětí kondenzátor a tak dále.

Po časové konstantě 5 se může na kondenzátoru vytvořit téměř (ale ne zcela) 100% napětí. Vybíjecí faktory kondenzátoru se vyskytují stejným základním způsobem, ale v opačném pořadí.

To znamená, že po časovém intervalu rovném časové konstantě 5 dosáhne napětí přivedené na kondenzátor poklesu 100 - 63 = 37% plného napětí atd.

Kondenzátory nejsou nikdy plně nabité ani vybité

Teoreticky se kondenzátor minimálně nemusí v žádném případě nabíjet až na plnou použitou úroveň napětí, ani jej nelze zcela vybít.

Ve skutečnosti lze úplné nabití nebo úplné vybití považovat za splnění v časovém období odpovídajícím 5 časovým konstantám.

Proto v obvodu, jak je znázorněno níže, způsobí zapnutí spínače 1 „plné“ nabití kondenzátoru za 5 x časovou konstantu sekund.

Dále, když je spínač 1 rozepnut, kondenzátor pak může být v situaci, kdy bude ukládat napětí rovnající se skutečnému použitému napětí. A bude tento náboj udržovat po neomezenou dobu za předpokladu, že kondenzátor bude mít nulový vnitřní únik.

Tento proces ztráty náboje bude ve skutečnosti extrémně pomalý, protože v reálném světě nemůže být žádný kondenzátor dokonalý, avšak po určitou významnou dobu může tento uložený náboj i nadále být účinným zdrojem původního napětí „plného nabití“.

Když je kondenzátor přiveden na vysoké napětí, může být rychle v poloze způsobující úraz elektrickým proudem v případě dotyku i po vypnutí obvodu.

Chcete-li provést cyklus nabíjení / vybíjení, jak je zobrazen ve druhém grafickém diagramu výše, když je spínač 2 sepnutý, kondenzátor se začne vybíjet připojeným odporem a dokončení procesu vybíjení trvá určitou dobu.

RC kombinace v relaxačním oscilátoru

Výše uvedený obrázek je velmi základní relaxační oscilátorový obvod pracující pomocí teorie základního výboje kondenzátoru.

Zahrnuje rezistor (R) a kondenzátor (C) zapojené do série ke zdroji stejnosměrného napětí. Aby bylo možné fyzicky vidět fungování obvodu, a neonová lampa se používá paralelně s kondenzátorem.

Žárovka se chová prakticky jako otevřený obvod, dokud napětí nedosáhne svého limitu prahového napětí, když se okamžitě zapne a vede proud docela jako vodič a začne svítit. Zdroj napájecího napětí pro tento proud proto musí být vyšší než zdroj spouštěcího napětí pro neon.

Jak to funguje

Když je obvod zapnutý, kondenzátor se pomalu začne nabíjet, jak je určeno časovou konstantou RC. Lampa začíná přijímat stoupající napětí, které se vyvíjí přes kondenzátor.

V okamžiku, kdy tento náboj přes kondenzátor dosáhne hodnoty, která se může rovnat odpalovacímu napětí neonové, neonová lampa vede a začne svítit.

Když k tomu dojde, neon vytvoří výbojovou cestu pro kondenzátor a nyní se kondenzátor začne vybíjet. To zase způsobí pokles napětí napříč neonem a když tato úroveň poklesne pod vypalovací napětí neonů, lampa se vypne a zhasne.

Proces nyní pokračuje a způsobí, že neon bliká ZAPNUTO VYPNUTO. Rychlost nebo frekvence blikání závisí na hodnotě časové konstanty RC, kterou lze upravit tak, aby umožňovala pomalé nebo rychlé blikání.

Pokud vezmeme v úvahu hodnoty komponent, jak je znázorněno na diagramu, časová konstanta pro obvod T = 5 (megohmů) x 0,1 (mikrofarady) = 0,5 sekundy.

To znamená, že změnou hodnot RC lze odpovídajícím způsobem změnit frekvenci blikání neonů podle individuálních preferencí.

Konfigurace RC v AC obvodech

Když se v RC konfiguraci používá střídavý proud, kvůli střídavé povaze proudu jedna polovina cyklu střídavého proudu účinně nabíjí kondenzátor a podobně je vybita s další zápornou polovinou cyklu. To způsobí, že se kondenzátor střídavě nabíjí a vybíjí v reakci na měnící se polaritu tvaru vlny střídavého cyklu.

Z tohoto důvodu se střídavé napětí ve skutečnosti v kondenzátoru neuloží, spíše je kondenzátorem povoleno procházet. Tento průchod proudu je však omezen existující časovou konstantou RC v dráze obvodu.

RC komponenty rozhodují o tom, o kolik procent aplikovaného napětí je kondenzátor nabitý a vybitý. Současně může kondenzátor také poskytnout mírný odpor proti průchodu střídavého proudu cestou reaktance, i když tato reaktance v zásadě nespotřebovává žádnou energii. Jeho primární dopad je na frekvenční odezvě zapojené v RC obvodu.

RC SPOJENÍ V AC OBVODECH

Spojení určitého stupně audio obvodu s jiným stupněm přes kondenzátor je běžnou a rozšířenou implementací. I když se kapacita zdá být používána samostatně, ve skutečnosti může být spojena s integrálním sériovým odporem symbolizovaným termínem „zátěž“, jak je uvedeno níže.

Tento odpor, podporovaný kondenzátorem, vede ke kombinaci RC, která může být zodpovědná za generování určité časové konstanty.

Je zásadní, aby tato časová konstanta doplňovala specifikaci frekvence vstupního střídavého signálu, který se přenáší z jednoho stupně do druhého.

Pokud předpokládáme příklad obvodu audio zesilovače, nejvyšší rozsah vstupní frekvence by mohl být přibližně kolem 10 kHz. Cyklus časového období tohoto druhu frekvence bude 1/10 000 = 0,1 milisekundy.

To znamená, že za účelem umožnění této frekvence každý cyklus implementuje dvě charakteristiky nabíjení / vybíjení s ohledem na funkci vazebního kondenzátoru, které jsou jedna kladná a jedna záporná.

Proto bude doba pro osamělou funkci nabíjení / vybíjení 0,05 milisekundy.

RC časová konstanta potřebná pro umožnění této funkce musí splňovat hodnotu 0,05 milisekund, aby se dosáhlo 63% úrovně napájeného střídavého napětí, a v podstatě o něco méně, aby umožnil průchod vyšší než 63 procent aplikovaného napětí.

Optimalizace časové konstanty RC

Výše uvedené statistiky nám poskytují představu o nejlepší možné hodnotě spojovacího kondenzátoru, která má být použita.

Pro ilustraci to řekněme, že normální vstupní odpor tranzistoru s nízkým výkonem může být přibližně 1 k. Časová konstanta nejúčinnější RC vazby může být 0,05 milisekundy (viz výše), čehož lze dosáhnout pomocí následujících výpočtů:

0,05 x 10 = 1 000 x C nebo C = 0,05 x 10^-9farads = 0,50 pF (nebo možná o něco nižší, protože by to umožnilo průchod více než 63% napětí kondenzátorem).

Prakticky lze obecně implementovat mnohem větší kapacitní hodnotu, která může být až 1µF nebo i více. To může obvykle poskytnout vylepšené výsledky, ale naopak to může způsobit snížení účinnosti vedení AC spojky.

Výpočty také naznačují, že kapacitní vazba je čím dál neúčinnější, jak se zvyšuje frekvence střídavého proudu, když jsou do vazebních obvodů implementovány skutečné kondenzátory.

Používání RC sítě ve FILTEROVÝCH OKRUHECH

Standardní RC uspořádání implementované jako a filtrační obvod je znázorněno na následujícím obrázku.

Podíváme-li se na vstupní stranu, najdeme rezistor zapojený do série s kapacitní reaktancí, což způsobí pokles napětí na obou prvcích.

V případě, že reaktance kondenzátoru (Xc) je vyšší než R, téměř celé vstupní napětí se hromadí na kondenzátoru, a proto výstupní napětí dosahuje úrovně rovné vstupnímu napětí.

Víme, že reaktance kondenzátoru je nepřímo úměrná frekvenci. To znamená, že pokud se zvýší frekvence AC, způsobí to snížení reaktance, což povede ke zvýšení proporcionality výstupního napětí (ale značná část vstupního napětí bude rezistorem snížena ).

Co je kritická frekvence

Abychom zajistili účinné propojení AC signálu, musíme vzít v úvahu faktor zvaný kritická frekvence.

Na této frekvenci má prvek hodnoty reaktance tendenci být tak silně ovlivněn, že za takových podmínek začne vazební kondenzátor blokovat signál namísto účinného vedení.

V takové situaci začne poměr voltů (out) / voltů (in) rychle klesat. To je níže ukázáno v základní schematické formě.

Kritický bod, nazývaný odvalovací bod nebo mezní frekvence (f), je vyhodnocen jako:

fc = 1 / 2πRC

kde R je v ohmech, C je ve faradech a Pi = 3,1416

Ale z předchozí diskuse víme, že RC = časová konstanta T, proto se rovnice stává:

fc = 1 / 2πT

kde T je časová konstanta v sekundách.

Pracovní účinnost tohoto typu filtru je charakterizována jejich mezní frekvencí a rychlostí, kterou poměr voltů (in) / voltů (out) začíná klesat nad prahovou hodnotu mezní frekvence.

Ten je obecně reprezentován jako (některé) dB na oktávu (pro každou zdvojnásobenou frekvenci), jak je uvedeno na následujícím obrázku, který ukazuje vztah mezi poměrem dB a poměrem voltů (in) / voltů (out) a také poskytuje přesnou frekvenční odezvu křivka.

RC NÍZKÉ POTRUBÍ

Jak název napovídá, dolní propusti jsou navrženy tak, aby předávaly střídavé signály pod mezní frekvencí s minimální ztrátou nebo útlumem síly signálu. U signálů, které jsou nad mezní frekvencí, generuje dolní propust zvýšený útlum.

U těchto filtrů je možné vypočítat přesné hodnoty komponent. Jako příklad lze uvést standardní poškrábací filtr, který se běžně používá v zesilovačích, aby zeslabil frekvence, řekněme, 10 kHz. Tato konkrétní hodnota znamená zamýšlenou mezní frekvenci filtru.

RC VYSOKOTLAKÉ FILTRY

High-pass filtry jsou navrženy tak, aby fungovaly obráceně. Tlumí frekvence, které se objevují pod mezní frekvencí, ale umožňují všechny frekvence na nebo nad nastavenou mezní frekvenci bez útlumu.

K dosažení této implementace filtru s vysokým průchodem jsou RC komponenty v obvodu jednoduše zaměněny navzájem, jak je uvedeno níže.

Vysokopásmový filtr je podobný svému protějšku s nízkým průchodem. Obvykle se používají v zesilovačích a zvukových zařízeních, aby se zbavili šumu nebo „rachotu“ generovaného inherentními nežádoucími nízkými frekvencemi.

Zvolená mezní frekvence, která má být eliminována, by měla být dostatečně nízká, aby nebyla v rozporu s „dobrou“ basovou odezvou. Proto je rozhodovaná velikost obvykle v rozmezí 15 až 20 Hz.

Výpočet mezní frekvence RC

Přesně je pro výpočet této mezní frekvence vyžadován stejný vzorec, takže s mezní hodnotou 20 Hz máme:

20 = 1/2 x 3,14 x RC

RC = 125.

To znamená, že pokud je vybrána síť RC tak, aby jejich produkt byl 125, umožní zamýšlené omezení propustnosti pod 20 Hz.

V praktických obvodech jsou tyto filtry obvykle zaváděny na fáze předzesilovače , nebo v zesilovači bezprostředně před existujícím obvodem ovládání tónu.

Pro Hi-Fi zařízení , tyto filtrační obvody cut-off jsou obvykle mnohem propracovanější než ty, které jsou zde vysvětleny, aby umožnily cut-off body s vyšší účinností a přesností přesného bodu.

.