Как работают RC-схемы

В RC-цепи комбинация R (резистор) и C (конденсатор) используется в определенных конфигурациях для регулирования протекания тока и реализации желаемого состояния.

Один из основные области применения конденсатора выполнен в виде соединительного элемента, который пропускает переменный ток, но блокирует постоянный ток. Практически в любой практической схеме вы увидите несколько сопротивлений, соединенных последовательно с конденсатором.

Сопротивление ограничивает протекание тока и вызывает некоторую задержку напряжения питания, подаваемого на конденсатор, вызывая накопление заряда в конденсаторе пропорционально подаваемому напряжению.

Постоянная времени RC

Формула для определения времени RC (T) очень проста:

T = RC, где T = постоянная времени в секундах R = сопротивление в МОмах C = емкость в микрофарадах.

(Можно заметить, что такое же числовое значение для T предоставляется, если R выражается в омах, а C - в фарадах, но на практике мегом и микрофарады часто являются более простыми единицами измерения.)

В RC-цепи постоянная времени RC может быть определена как время, необходимое приложенному напряжению на конденсаторе для достижения 63% приложенного напряжения.

(эта величина 63% на самом деле предпочтительна для простоты вычислений). В реальной жизни напряжение на конденсаторе может продолжать накапливаться до практически (но никогда не до 100%) от приложенного напряжения, как показано на рисунке ниже.

Элемент постоянной времени обозначает продолжительность времени в виде фактора времени, например, при 1 временном коэффициенте RC-сети накапливается 63% общего напряжения, в период после 2-кратной постоянной времени 80% общего напряжения создается внутри конденсатор и так далее.

После постоянной времени 5 на конденсаторе может повыситься почти (но не совсем) 100% -ное напряжение. Коэффициенты разряда конденсатора возникают таким же образом, но в обратной последовательности.

Это означает, что после интервала времени, равного постоянной времени 5, напряжение, приложенное к конденсатору, упадет на 100 - 63 = 37% от полного напряжения и так далее.

Конденсаторы никогда не заряжаются и не разряжаются полностью

Теоретически, по крайней мере, конденсатор никоим образом не может заряжаться до полного уровня приложенного напряжения и не может быть полностью разряжен.

В действительности полную зарядку или полную разрядку можно рассматривать как выполненную в течение периода времени, соответствующего 5 постоянным времени.

Следовательно, в схеме, показанной ниже, выключатель питания 1 вызовет «полный» заряд конденсатора за 5 секунд постоянной времени.

Затем, когда переключатель 1 разомкнут, конденсатор может оказаться в ситуации, когда он будет сохранять напряжение, равное фактическому приложенному напряжению. И он будет удерживать этот заряд в течение неопределенного периода времени при условии, что конденсатор не имеет внутренней утечки.

Этот процесс потери заряда будет на самом деле чрезвычайно медленным, поскольку в реальном мире ни один конденсатор не может быть идеальным, однако в течение определенного значительного периода времени этот накопленный заряд может продолжать быть эффективным источником исходного напряжения «полной зарядки».

Когда на конденсатор подается высокое напряжение, он может быстро оказаться в положении, вызывающем поражение электрическим током в случае прикосновения, даже после отключения питания цепи.

Чтобы выполнить цикл заряда / разряда, как показано на второй графической диаграмме выше, когда переключатель 2 замкнут, конденсатор начинает разряжаться через подключенное сопротивление, и требуется некоторый период времени для завершения процесса разряда.

Комбинация RC в осцилляторе релаксации

На рисунке выше показана очень простая схема релаксационного генератора, работающая на основе теории заряда-разряда конденсатора.

Он включает в себя резистор (R) и конденсатор (C), подключенные последовательно к источнику постоянного напряжения. Чтобы физически увидеть работу схемы, неоновая лампа используется параллельно с конденсатором.

Лампа ведет себя практически как разомкнутая цепь до тех пор, пока напряжение не достигнет своего порогового значения, когда она мгновенно включается и проводит ток, как проводник, и начинает светиться. Следовательно, источник напряжения питания для этого тока должен быть выше, чем напряжение срабатывания неона.

Как это устроено

Когда на схему подается питание, конденсатор медленно начинает заряжаться, что определяется постоянной времени RC. Лампа начинает получать нарастающее напряжение, которое возникает на конденсаторе.

В момент, когда этот заряд на конденсаторе достигает значения, которое может быть равным напряжению зажигания неона, неоновая лампа проводит ток и начинает светиться.

Когда это происходит, неон создает путь разряда для конденсатора, и теперь конденсатор начинает разряжаться. Это, в свою очередь, вызывает падение напряжения на неоне, и когда этот уровень становится ниже напряжения зажигания неона, лампа выключается и гаснет.

Теперь процесс продолжается, заставляя неон мигать. Частота или частота мигания зависят от значения постоянной времени RC, которое можно отрегулировать, чтобы включить медленное или быстрое мигание.

Если мы рассмотрим значения компонентов, как показано на диаграмме, постоянная времени для цепи T = 5 (МОм) x 0,1 (микрофарад) = 0,5 секунды.

Это означает, что, изменяя значения RC, частота мигания неона может быть соответственно изменена в соответствии с индивидуальными предпочтениями.

Конфигурация RC в цепях переменного тока

Когда переменный ток используется в конфигурации RC, из-за переменного характера тока, один полупериод переменного тока эффективно заряжает конденсатор, и аналогично он разряжается со следующим отрицательным полупериодом. Это заставляет конденсатор попеременно заряжаться и разряжаться в ответ на изменяющуюся полярность формы волны переменного тока.

Из-за этого, в действительности, напряжения переменного тока не накапливаются в конденсаторе, а могут проходить через конденсатор. Однако это прохождение тока ограничено существующей постоянной времени RC на пути цепи.

Компоненты RC определяют, на сколько процентов от приложенного напряжения конденсатор заряжается и разряжается. Одновременно конденсатор может также обеспечивать небольшое сопротивление прохождению переменного тока за счет реактивного сопротивления, даже если это реактивное сопротивление в основном не потребляет никакой энергии. Его основное влияние на частотную характеристику RC-цепи.

RC-СОЕДИНЕНИЕ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Соединение одного каскада аудиосхемы с другим каскадом через конденсатор - обычная и широко распространенная реализация. Хотя кажется, что емкость используется независимо, на самом деле она может быть связана с интегральным последовательным сопротивлением, обозначенным термином «нагрузка», как показано ниже.

Это сопротивление, которому помогает конденсатор, дает RC-комбинацию, которая может быть ответственна за создание определенной постоянной времени.

Очень важно, чтобы эта постоянная времени дополняла спецификацию частоты входного сигнала переменного тока, который передается от одного каскада к другому.

Если мы возьмем пример схемы звукового усилителя, самый высокий диапазон входной частоты может составлять примерно 10 кГц. Цикл периода времени такой частоты будет 1/10 000 = 0,1 миллисекунды.

Тем не менее, чтобы разрешить эту частоту, каждый цикл реализует две характеристики заряда / разряда в отношении функции конденсатора связи, которые являются одной положительной и одной отрицательной.

Следовательно, период времени для функции одиночной зарядки / разрядки будет 0,05 миллисекунды.

Постоянная времени RC, необходимая для обеспечения этого функционирования, должна удовлетворять значению 0,05 миллисекунд, чтобы достичь 63% уровня подаваемого переменного напряжения, и, по существу, несколько меньше, чтобы обеспечить пропускание более 63% приложенного напряжения.

Оптимизация постоянной времени RC

Вышеприведенная статистика дает нам представление о том, какой из возможных конденсаторов связи следует использовать.

Чтобы проиллюстрировать это, предположим, что нормальное входное сопротивление транзистора малой мощности может составлять приблизительно 1 кОм. Постоянная времени наиболее эффективной RC-связи может составлять 0,05 миллисекунды (см. Выше), что может быть достигнуто с помощью следующих вычислений:

0,05 x 10 = 1000 x C или C = 0,05 x 10^-9фарады = 0,50 пФ (или, возможно, немного ниже, поскольку это позволит пропускать через конденсатор напряжение более 63%).

С практической точки зрения, обычно может быть реализовано гораздо большее значение емкости, которое может достигать 1 мкФ или даже больше. Обычно это может обеспечить улучшенные результаты, но, наоборот, может вызвать снижение эффективности проводимости связи переменного тока.

Кроме того, расчеты показывают, что емкостная связь становится все более и более неэффективной по мере увеличения частоты переменного тока, когда в цепях связи используются реальные конденсаторы.

Использование сети RC в ФИЛЬТР-ЦЕПИ

Стандартная схема RC, реализованная как схема фильтра показано на рисунке ниже.

Если мы посмотрим на входную сторону, мы найдем резистор, подключенный последовательно с емкостным реактивным сопротивлением, вызывая падение напряжения на двух элементах.

В случае, если реактивное сопротивление конденсатора (Xc) оказывается выше, чем R, почти все входное напряжение накапливается на конденсаторе и, следовательно, выходное напряжение достигает уровня, равного входному напряжению.

Мы знаем, что реактивное сопротивление конденсатора обратно пропорционально частоте. Это означает, что увеличение частоты переменного тока приведет к уменьшению реактивного сопротивления, в результате чего выходное напряжение будет увеличиваться пропорционально (но значительная часть входного напряжения будет падать из-за резистора. ).

Что такое критическая частота

Чтобы обеспечить эффективную связь сигнала переменного тока, мы должны учитывать фактор, называемый критической частотой.

На этой частоте элемент значения реактивного сопротивления имеет тенденцию настолько сильно пострадать, что в таких условиях конденсатор связи начинает блокировать сигнал вместо того, чтобы эффективно проводить.

В такой ситуации соотношение вольт (на выходе) / вольт (на входе) начинает быстро уменьшаться. Это показано ниже в базовой схематической форме.

Критическая точка, называемая точкой спада или частотой отсечки (f), оценивается как:

fc = 1 / 2πRC

где R в омах, C в фарадах и число Пи = 3,1416

Но из предыдущего обсуждения мы знаем, что RC = постоянная времени T, поэтому уравнение принимает следующий вид:

fc = 1 / 2πT

где T - постоянная времени в секундах.

Эффективность работы этого типа фильтров характеризуется их частотой среза и скоростью, с которой отношение вольт (входящее) / вольт (выходное) начинает падать выше порога частоты среза.

Последнее обычно представлено как (некоторые) дБ на октаву (для каждой удвоенной частоты), как показано на следующем рисунке, который демонстрирует соотношение между дБ и отношением вольт (вход) / вольт (выход), а также обеспечивает точную частотную характеристику. изгиб.

НИЗКОПРОХОДНЫЕ ФИЛЬТРЫ RC

Как следует из названия, фильтры нижних частот предназначены для пропускания сигналов переменного тока ниже частоты среза с минимальными потерями или ослаблением мощности сигнала. Для сигналов, которые находятся выше частоты среза, фильтр нижних частот создает повышенное затухание.

Для этих фильтров можно рассчитать точные значения компонентов. Например, стандартный царапающий фильтр, обычно используемый в усилителях, может быть построен для ослабления частот, скажем, выше 10 кГц. Это конкретное значение означает предполагаемую частоту среза фильтра.

RC высокопроизводительные фильтры

Фильтры верхних частот предназначены для работы наоборот. Они ослабляют частоты, которые появляются ниже частоты среза, но допускают все частоты равные или выше установленной частоты среза без ослабления.

Чтобы реализовать эту реализацию фильтра верхних частот, RC-компоненты в схеме просто меняются местами, как показано ниже.

Фильтр верхних частот похож на своего аналога нижних частот. Они обычно используются в усилителях и аудиоустройствах, чтобы избавиться от шума или «грохота», создаваемого присущими им нежелательными низкими частотами.

Выбранная частота среза, которую необходимо исключить, должна быть достаточно низкой, чтобы она не противоречила «хорошему» басу. Следовательно, принятая величина обычно находится в диапазоне от 15 до 20 Гц.

Расчет частоты отсечки RC

Точно такая же формула требуется для расчета этой частоты среза, таким образом, с 20 Гц в качестве порога среза мы имеем:

20 = 1/2 х 3,14 х RC

RC = 125.

Это указывает на то, что до тех пор, пока RC-сеть выбрана таким образом, что их продукт равен 125, будет обеспечено предполагаемое отсечение высоких частот ниже 20 Гц сигналов.

В практических схемах такие фильтры обычно вводятся на каскад предусилителя , или в усилителе непосредственно перед существующей схемой регулировки тембра.

За Hi-Fi устройства эти схемы отсекающего фильтра обычно намного сложнее, чем описанные здесь, чтобы обеспечить более высокую эффективность и точность определения точек отсечки.

.