Hur RC-kretsar fungerar

I en RC-krets används en kombination eller R (motstånd) och C (kondensator) i specifika konfigurationer för att reglera strömflödet för att implementera ett önskat tillstånd.

En av huvudsakliga användningarna av en kondensator är i form av en kopplingsenhet som tillåter växelström att passera men blockerar likström. I nästan vilken som helst praktisk krets kommer du att se några motstånd anslutna i serie med kondensatorn.

Motståndet begränsar strömmen och orsakar viss fördröjning över matningsspänningen som matas till kondensatorn genom att en laddning byggs upp i kondensatorn, proportionell mot matningsspänningen.

RC Time Constant

Formeln för att bestämma RC-tiden (T) är mycket enkel:

T = RC där T = tidskonstant i sekunder R = motstånd i megohms C = kapacitans i mikrofarader.

(Det kan observeras att samma numeriska värde för T ges om R är i ohm och C i farader, men i praktiken är megohms och microfarads ofta mycket enklare enheter.)

I en RC-krets kan RC-tidskonstanten definieras som den tid som den applicerade spänningen tar över kondensatorn för att uppnå 63% av den applicerade spänningen.

(denna 63% -styrka föredras faktiskt för att underlätta beräkningen). I verkliga livet kan spänningen över kondensatorn fortsätta att ackumuleras till praktiskt taget (men aldrig riktigt) 100% av den applicerade spänningen, vilket anges i figuren nedan.

Tidskonstantelementet anger tiden i form av tidsfaktor, till exempel vid en tidsfaktor i RC-nätverket ackumuleras 63% total spänning, i en period efter 2X tidskonstant byggs 80% total spänning inuti kondensatorn och så vidare.

Efter en tidskonstant på 5 kan nästan (men inte riktigt) 100% spänning byggas upp över kondensatorn. Kondensatorns urladdningsfaktorer uppträder på samma grundläggande sätt men i omvänd ordningsföljd.

Betydelse, efter ett tidsintervall som är lika med tidskonstanten 5, kommer spänningen som appliceras på kondensatorn att uppnå ett fall på 100 - 63 = 37% av hela spänningen och så vidare.

Kondensatorer laddas aldrig eller laddas ur helt

Teoretiskt sett kan en kondensator åtminstone inte ladda upp till den fulla applicerade spänningsnivån, och den kan inte heller laddas ur helt.

I själva verket kan full laddning eller total urladdning betraktas som åstadkommet inom en tidsperiod som motsvarar 5 tidskonstanter.

Därför, i kretsen som visas nedan, kommer strömbrytaren 1 att orsaka en 'full' laddning på kondensatorn på 5 x tidskonstant sekunder.

Därefter, när omkopplare 1 öppnas, kan kondensatorn då befinna sig i en situation där den kommer att lagra en spänning lika med den faktiska applicerade spänningen. Och den kommer att hålla denna laddning under obestämd tid förutsatt att kondensatorn inte har något internt läckage.

Denna process med att förlora laddningen kommer faktiskt att vara extremt trög, eftersom i verkligheten ingen kondensator kan vara perfekt, men under viss betydande tid kan denna lagrade laddning fortsätta att vara en effektiv källa för den ursprungliga 'fulladdade' spänningen.

När kondensatorn appliceras med hög spänning kan den snabbt vara i läge att avge en elektrisk stöt om den berörs även efter att kretsen slås av.

För att utföra laddnings- / urladdningscykeln som visas i det andra grafiska diagrammet ovan, när omkopplaren 2 är stängd, börjar kondensatorn att urladdas via det anslutna motståndet och tar lite tid att fullborda dess urladdningsprocess.

RC-kombination i avslappningsoscillator

Bilden ovan är en mycket grundläggande avslappningsoscillatorkrets som arbetar med en kondensatorns grundläggande laddningsurladdningsteori.

Den innehåller ett motstånd (R) och kondensator (C) kopplade i serie till en likspänningskälla. För att kunna se kretsens funktion fysiskt, a neonlampa används parallellt med kondensatorn.

Lampan beter sig praktiskt taget som en öppen krets tills spänningen når sin tröskelspänningsgräns när den omedelbart slås PÅ och leder ström som en ledare och börjar glöda. Källan för matningsspänning för denna ström måste därför vara högre än för neonutlösningsspänningen.

Hur det fungerar

När kretsen är PÅ, börjar kondensatorn långsamt att laddas som bestäms av RC-tidskonstanten. Lampan börjar ta emot en stigande spänning som utvecklas över kondensatorn.

I det ögonblick denna laddning över kondensatorn uppnår ett värde som kan vara lika med neonens tändspänning, leder neonlampan och börjar lysa.

När detta händer skapar neonet en urladdningsväg för kondensatorn och nu börjar kondensatorn urladdas. Detta orsakar i sin tur spänningsfall över neonet och när denna nivå går under neonens tändspänning stängs lampan av och stängs av.

Processen fortsätter nu med att neonet blinkar PÅ AV. Blinkningshastigheten eller frekvensen beror på RC-tidskonstantvärdet, som kan justeras för att antingen möjliggöra en långsam eller snabb blinkhastighet.

Om vi ​​tar hänsyn till komponentvärdena som visas i diagrammet, är tidskonstanten för kretsen T = 5 (megohms) x 0,1 (mikrofarader) = 0,5 sekunder.

Detta innebär att genom att ändra RC-värdena kan neonens blinkningshastighet ändras i enlighet med detta, enligt individuell preferens.

RC-konfiguration i AC-kretsar

När en växelström används i en RC-konfiguration, på grund av den växlande naturen hos strömmen, laddar den ena halvan av växelströmmen kondensatorn effektivt och på samma sätt urladdas den med nästa negativa halvcykel. Detta får kondensatorn att växelvis laddas och urladdas som svar på den varierande polariteten hos vågformen för växelströmscykeln.

På grund av detta lagras i själva verket inte växelspänningar i kondensatorn utan får passera genom kondensatorn. Denna strömpassage begränsas emellertid av en befintlig RC-tidskonstant i kretsens väg.

RC-komponenterna bestämmer med hur mycket procent av den applicerade spänningen kondensatorn laddas och urladdas. Samtidigt kan kondensatorn också ge ett litet motstånd mot växelströmens passering genom reaktans, även om denna reaktans i princip inte förbrukar någon effekt. Dess primära inverkan är på frekvenssvaret i RC-kretsen.

RC-KOPPLING I AC-KRETSAR

Att koppla ett visst steg i en ljudkrets till ett annat steg genom en kondensator är en vanlig och utbredd implementering. Även om kapacitansen verkar användas oberoende kan den faktiskt vara involverad i ett integrerat seriemotstånd symboliserat av termen 'belastning' som visas nedan.

Detta motstånd, med hjälp av kondensatorn, ger upphov till en RC-kombination som kan vara ansvarig för att generera en viss tidskonstant.

Det är avgörande att denna tidskonstant kompletterar specifikationen för ingångs AC-signalfrekvensen som överförs från ett steg till ett annat.

Om vi ​​antar exemplet med en ljudförstärkarkrets, kan det högsta intervallet ingångsfrekvensen vara ungefär cirka 10 kHz. Tidsperiodcykeln för denna typ av frekvens är 1/10 000 = 0,1 millisekunder.

Med detta sagt, för att tillåta denna frekvens, implementerar varje cykel två laddnings- / urladdningsegenskaper med avseende på kopplingskondensatorfunktionen, vilka är en positiv och en negativ.

Därför är tidsperioden för en ensam laddnings / urladdningsfunktion 0,05 millisekunder.

RC-tidskonstanten som krävs för att möjliggöra denna funktion måste tillfredsställa värdet på 0,05 millisekunder för att nå 63% av den matade växelspänningsnivån och väsentligen något mindre för att möjliggöra passage av högre än 63 procent av den applicerade spänningen.

Optimera RC Time Constant

Ovanstående statistik ger oss en idé om bästa möjliga värde för kopplingskondensatorn som ska användas.

För att illustrera detta, låt oss säga att det normala ingångsmotståndet för en lågeffekttransistor kan vara ungefär 1 k. Tidskonstanten för en mest effektiv RC-koppling kan vara 0,05 millisekunder (se ovan), vilket kan uppnås med följande beräkningar:

0,05 x 10 = 1000 x C eller C = 0,05 x 10^-9farads = 0,50 pF (eller möjligen något lägre, eftersom det skulle tillåta högre än 63% spänning att passera genom kondensatorn).

Praktiskt sett kan ett mycket större kapacitansvärde generellt implementeras som kan vara så stort som 1 µF eller till och med mer. Detta kan vanligtvis ge förbättrade resultat, men tvärtom kan orsaka minskning av effektiviteten hos växelströmskopplingens ledning.

Beräkningar antyder också att kapacitiv koppling blir mer och mer ineffektiv när växelströmsfrekvensen ökar när riktiga kondensatorer implementeras i kopplingskretsar.

Använda RC-nätverk i FILTERKRETSAR

Ett standard RC-arrangemang implementerat som en filterkrets visas i figuren nedan.

Om vi ​​tittar på ingångssidan hittar vi ett motstånd anslutet i serie med en kapacitiv reaktans, vilket får ett spänningsfall att utvecklas över de två elementen.

Om kondensatorreaktansen (Xc) råkar vara högre än R, byggs nästan hela ingångsspänningen över kondensatorn och därför uppnår utspänningen samma nivå som ingångsspänningen.

Vi vet att kondensatorreaktansen är omvänt proportionell mot frekvensen. Detta innebär att om växelströmsfrekvensen ökas kommer reaktansen att minska, vilket resulterar i att utspänningen ökar proportionaliteten (men en betydande del av ingångsspänningen kommer att tappas av motståndet ).

Vad är kritisk frekvens

För att säkerställa en effektiv koppling av växelströmssignalen måste vi ta hänsyn till den faktor som kallas kritisk frekvens.

Vid denna frekvens tenderar reaktansvärdeselementet att bli så illa påverkat att kopplingskondensatorn i sådant tillstånd börjar blockera signalen istället för att effektivt leda.

I en sådan situation börjar förhållandet mellan volt (ut) / volt (in) att minska snabbt. Detta visas nedan i grundläggande schematisk form.

Den kritiska punkten, kallad avstängningspunkt eller avstängningsfrekvens (f), utvärderas som:

fc = 1 / 2πRC

där R är i ohm, C är i farader och Pi = 3,1416

Men från den tidigare diskussionen vet vi att RC = tidskonstant T, därför blir ekvationen:

fc = 1 / 2πT

där T är tidskonstanten i sekunder.

Arbetseffektiviteten hos denna typ av filter kännetecknas av deras avstängningsfrekvens och av den hastighet genom vilken förhållandet volt (in) / volt (ut) börjar sjunka över gränsen för gränsfrekvensen.

Den sistnämnda representeras generellt som (en del) dB per oktav (för varje frekvens fördubblats), vilket indikeras i följande figur som visar förhållandet mellan dB och volt (in) / volt (ut) förhållande, och ger också ett exakt frekvenssvar kurva.

RC Låga passfilter

Som namnet antyder, lågpassfilter är konstruerade för att skicka växelströmssignaler under avstängningsfrekvensen med minimal förlust eller dämpning av signalstyrkan. För signaler som ligger över gränsfrekvensen genererar lågpassfilter en ökad dämpning.

Det är möjligt att beräkna exakta komponentvärden för dessa filter. Som ett exempel kan ett standardskrapfilter som normalt används i förstärkare byggas för att dämpa frekvenser över exempelvis 10 kHz. Detta specifika värde betyder den avsedda avskärningsfrekvensen för filtret.

RC HÖGPASSFILTER

Högpassfilter är utformade för att fungera tvärtom. De dämpar frekvenser som visas under avstängningsfrekvensen, men tillåter alla frekvenser vid eller över den inställda avstängningsfrekvensen utan dämpning.

För att åstadkomma denna högpassfilterimplementering byts RC-komponenterna i kretsen helt enkelt med varandra enligt nedan.

Ett högpassfilter liknar dess lågpass-motsvarighet. Dessa används vanligtvis i förstärkare och ljudenheter, för att bli av med brus eller 'brus' som genereras av de inneboende, oönskade låga frekvenserna.

Den valda avskärningsfrekvensen som ska elimineras bör vara tillräckligt låg så att den inte strider mot det 'bra' basresponsen. Därför ligger den bestämda storleken normalt i området 15 till 20 Hz.

Beräkning av RC Cut-off Frequency

Exakt, samma formel krävs för att beräkna denna avstängningsfrekvens, alltså med 20 Hz som avstängningströskel vi har:

20 = 1/2 x 3,14 x RC

RC = 125.

Detta indikerar att så länge RC-nätverket väljs så att deras produkt är 125 möjliggör den avsedda högpassavskärningen under 20 Hz-signaler.

I praktiska kretsar introduceras sådana filter typiskt vid förförstärkare , eller i förstärkaren omedelbart före en befintlig tonkontrollkrets.

För Hi-Fi-enheter , är dessa avskurna filterkretsar vanligtvis mycket mer sofistikerade än de som förklaras här, för att möjliggöra avskärningspunkterna med högre effektivitet och noggrannhet.

.