Kuinka RC-piirit toimivat

RC-piirissä yhdistelmää tai R (vastus) ja C (kondensaattori) käytetään erityisissä kokoonpanoissa virran virtauksen säätämiseksi halutun tilan toteuttamiseksi.

Yksi kondensaattorin tärkeimmät käyttötarkoitukset on kytkentäyksikön muodossa, joka sallii AC: n kulkea, mutta estää DC: n. Lähes missä tahansa käytännön piirissä näet muutaman vastuksen, jotka on yhdistetty sarjaan kondensaattorin kanssa.

Vastus rajoittaa virran virtausta ja aiheuttaa jonkin verran viivettä kondensaattorille syötetyn syöttöjännitteen yli aiheuttamalla varauksen kertymisen kondensaattoriin suhteessa syötettyyn jännitteeseen.

RC-ajan vakio

Kaava RC-ajan (T) määrittämiseksi on hyvin yksinkertainen:

T = RC, jossa T = aikavakio sekunteina R = vastus megohmoina C = kapasitanssi mikrofaradeissa.

(Voidaan havaita, että T: lle annetaan sama numeroarvo, jos R on ohmissa ja C faradeissa, mutta käytännössä megohmit ja mikrofaradit ovat usein paljon helpompia yksiköitä.)

RC-piirissä RC-aikavakio voidaan määritellä ajaksi, jonka kondensaattorin yli käytetty jännite kuluu 63%: iin käytetystä jännitteestä.

(tämä 63 prosentin suuruus on tosiasiallisesti edullinen laskennan helpottamiseksi). Todellisessa elämässä kondensaattorin yli kulkeva jännite voi jatkaa kertymistä käytännössä (mutta ei koskaan) 100%: iin käytetystä jännitteestä, kuten alla olevassa kuvassa on esitetty.

Aikavakioelementti osoittaa ajan pituuden aikakertoimen muodossa, esimerkiksi RC-verkon yhdellä aikakertoimella kerääntyy 63% kokonaisjännitteestä, 2X-aikavakion jälkeisessä jaksossa 80%: n kokonaisjännite muodostuu sisälle kondensaattori ja niin edelleen.

Viiden aikavakion jälkeen kondensaattorin yli voi muodostua melkein (mutta ei aivan) 100%: n jännite. Kondensaattorin purkautumiskertoimet tapahtuvat samalla perustavalla tavalla, mutta päinvastaisessa järjestyksessä.

Tarkoituksena on, että aikavakion 5 verran yhtäjaksoisen ajan jälkeen kondensaattoriin kohdistettu jännite saavuttaa 100-63 pudotuksen = 37% täydestä jännitteestä ja niin edelleen.

Kondensaattoreita ei ole koskaan ladattu tai purettu kokonaan

Teoriassa kondensaattori ei voi ainakaan millään tavalla latautua täyteen käytettyyn jännitetasoon saakka, eikä sitä voida täysin purkaa.

Todellisuudessa täyden latauksen tai täydellisen purkauksen voidaan katsoa toteutuneen viiden aikavakion vastaavan ajanjakson aikana.

Siksi alla esitetyssä piirissä virtakytkin 1 aiheuttaa 'täyden' varauksen kondensaattoriin 5 kertaa aikavakaudessa.

Seuraavaksi, kun kytkin 1 avataan, kondensaattori voi olla tilanteessa, jossa se tallentaa jännitteen, joka on yhtä suuri kuin todellinen käytetty jännite. Ja se pitää tätä varausta määrittelemättömän ajan, jos kondensaattorissa ei ole sisäistä vuotoa.

Tämä latauksen menettämisprosessi on todella hidas, koska todellisessa maailmassa mikään kondensaattori ei voi olla täydellinen, mutta tietyn merkittävän ajanjakson ajan tämä varastoitu varaus voi edelleen olla tehokas alkuperäisen 'täyden latauksen' jännitteen lähde.

Kun kondensaattoria käytetään suurjännitteellä, se voi nopeasti tuottaa sähköiskun, jos sitä kosketetaan myös piirin virran katkaisun jälkeen.

Lataus- / purkaussyklin suorittamiseksi yllä olevan toisen graafisen kaavion mukaisesti, kun kytkin 2 on suljettu, kondensaattori alkaa purkautua kytketyn vastuksen kautta ja kestää jonkin aikaa purkausprosessinsa suorittamiseen.

RC-yhdistelmä rentoutumisoskillaattorissa

Yllä oleva kuva on hyvin yksinkertainen rentoutumisoskillaattoripiiri, joka toimii kondensaattorin perusvarauksen purkuteorian avulla.

Se sisältää vastuksen (R) ja kondensaattorin (C), jotka on kytketty sarjaan DC-jännitelähteeseen. Jotta voisimme nähdä piirin toiminnan fyysisesti, a neonlamppu käytetään rinnakkain kondensaattorin kanssa.

Lamppu käyttäytyy käytännössä kuin avoin piiri, kunnes jännite saavuttaa kynnysjännitealueensa, kun se kytkeytyy välittömästi päälle ja johtaa virtaa aivan kuin johdin ja alkaa hehkua. Tämän virran syöttöjännitteen lähteen on siis oltava korkeampi kuin neon-laukaisevan jännitteen.

Kuinka se toimii

Kun piiri kytketään päälle, kondensaattori alkaa hitaasti latautua RC-aikavakion määrittämällä tavalla. Lamppu alkaa vastaanottaa nousevaa jännitettä, joka kehittyy kondensaattorin yli.

Heti kun tämä varaus kondensaattorin yli saavuttaa arvon, joka voi olla yhtä suuri kuin neonin laukaisujännite, neonlamppu johtaa ja alkaa syttyä.

Kun näin tapahtuu, neon luo purkautumisreitin kondensaattorille ja nyt kondensaattori alkaa purkautua. Tämä puolestaan ​​aiheuttaa jännitteen pudotuksen neonin yli ja kun tämä taso laskee neonin polttojännitteen alapuolelle, lamppu sammuu ja sammuu.

Prosessi jatkuu, jolloin neon vilkkuu PÄÄLLÄ POIS. Vilkkumisnopeus tai taajuus riippuu RC-aikavakion arvosta, joka voidaan säätää joko hitaan tai nopean vilkkumisen mahdollistamiseksi.

Jos tarkastellaan komponenttiarvoja kaaviossa esitetyllä tavalla, piirin aikavakio T = 5 (megohmia) x 0,1 (mikrofaradia) = 0,5 sekuntia.

Tämä tarkoittaa, että muuttamalla RC-arvoja neonin vilkkumisnopeutta voidaan muuttaa vastaavasti yksilöllisten mieltymysten mukaisesti.

RC-kokoonpano vaihtovirtapiireissä

Kun vaihtovirtaa käytetään RC-konfiguraatiossa, virran vaihtelevan luonteen vuoksi vaihtovirran puolikas jakso lataa kondensaattorin tehokkaasti, ja samoin se purkautuu seuraavalla negatiivisella puolisyklillä. Tämä saa kondensaattorin latautumaan ja purkautumaan vuorotellen vasteena vaihtovirtajakson aaltomuodon vaihtelevaan napaisuuteen.

Tämän vuoksi vaihtovirtajännitteitä ei varastoida kondensaattoriin, vaan niiden annetaan kulkea kondensaattorin läpi. Tätä virran kulkua rajoittaa kuitenkin olemassa oleva RC-aikavakio piirin polulla.

RC-komponentit päättävät kuinka suuren prosenttiosuuden käytetystä jännitteestä kondensaattori ladataan ja puretaan. Samanaikaisesti kondensaattori voi myös tarjota pienen vastuksen vaihtovirran kulkemiseen reaktanssin kautta, vaikka tämä reaktanssi ei periaatteessa kuluta mitään tehoa. Sen ensisijainen vaikutus on RC-piirin taajuusvasteeseen.

RC-KYTKENTÄ VIRTAPIIRIIN

Äänipiirin tietyn vaiheen kytkeminen toiseen vaiheeseen kondensaattorin kautta on yleinen ja laajalle levinnyt toteutus. Vaikka kapasitanssia näyttää olevan käytetty itsenäisesti, se voi itse asiassa liittyä integraaliseen sarjaresistanssiin, jota symboloi termi 'kuorma', kuten alla on esitetty.

Tämä vastus kondensaattorin avulla tuottaa RC-yhdistelmän, joka voi olla vastuussa tietyn aikavakion muodostamisesta.

On ratkaisevan tärkeää, että tämä aikavakio täydentää AC-tulosignaalin taajuuden spesifikaatiota, jota siirretään vaiheesta toiseen.

Jos oletetaan esimerkki audiovahvistinpiiristä, tulotaajuuden korkein alue voi olla noin 10 kHz. Tämäntyyppisen taajuuden ajanjakso on 1/10 000 = 0,1 millisekuntia.

Tämän taajuuden sallimiseksi kukin sykli toteuttaa kaksi lataus- / purkausominaisuutta kytkentäkondensaattoritoiminnon suhteen, jotka ovat yksi positiivinen ja yksi negatiivinen.

Siksi yksittäisen latauksen / purkamisen toiminnon aika on 0,05 millisekuntia.

Tämän toiminnan mahdollistamiseksi vaadittavan RC-aikavakion on täytettävä 0,05 millisekunnin arvo, jotta saavutetaan 63% syötetystä vaihtojännitetasosta, ja olennaisesti jonkin verran vähemmän, jotta yli 63% käytetystä jännitteestä voidaan kulkea.

RC-aikavakion optimointi

Yllä olevat tilastot antavat meille ajatuksen käytetyn kytkentäkondensaattorin parhaasta mahdollisesta arvosta.

Tämän havainnollistamiseksi sanotaan, että pienitehoisen transistorin normaali tulovastus voi olla noin 1 k. Tehokkaimman RC-kytkennän aikavakio voi olla 0,05 millisekuntia (katso yllä), mikä voidaan saavuttaa seuraavilla laskelmilla:

0,05 x 10 = 1000 x C tai C = 0,05 x 10^-9faradit = 0,50 pF (tai mahdollisesti hieman pienempi, koska se sallisi yli 63%: n jännitteen kulkemisen kondensaattorin läpi).

Käytännössä voidaan yleensä toteuttaa paljon suurempi kapasitanssiarvo, joka voi olla jopa 1 uF tai jopa enemmän. Tämä voi tyypillisesti tuottaa parempia tuloksia, mutta päinvastoin voi aiheuttaa vaihtovirtakytkimen johtamisen tehokkuuden vähenemisen.

Laskelmat viittaavat myös siihen, että kapasitiivinen kytkentä muuttuu yhä tehottomammaksi AC-taajuuden kasvaessa, kun kytkentäpiireihin toteutetaan todellisia kondensaattoreita.

RC-verkon käyttö SUODATINVIRTOISSA

Tavallinen RC-järjestely, joka on toteutettu a suodatinpiiri on esitetty alla olevassa kuvassa.

Jos katsomme tulopuolta, löydämme vastuksen, joka on kiinnitetty sarjaan kapasitiivisella reaktanssilla, mikä aiheuttaa jännitehäviön kehittymisen näiden kahden elementin yli.

Siinä tapauksessa, että kondensaattorin reaktanssi (Xc) sattuu olemaan suurempi kuin R, melkein koko tulojännite kerääntyy kondensaattorin yli ja siksi lähtöjännite saavuttaa tulojännitettä vastaavan tason.

Tiedämme, että kondensaattorin reaktanssi on käänteisesti verrannollinen taajuuteen. Tämä tarkoittaa, että jos vaihtotaajuuden taajuus kasvaa, reaktanssi pienenee, mikä johtaa lähtöjännitteen kasvavaan suhteellisuuteen (mutta merkittävä osa tulojännitteestä putoaa vastus ).

Mikä on kriittinen taajuus

AC-signaalin tehokkaan kytkemisen varmistamiseksi on otettava huomioon kriittiseksi taajuudeksi kutsuttu tekijä.

Tällä taajuudella reaktanssin arvoelementtiin on taipumus vaikuttaa niin pahasti, että tällaisessa tilassa kytkentäkondensaattori alkaa estää signaalin tehokkaan johtamisen sijaan.

Tällaisessa tilanteessa voltin (lähtö) / voltin (sisään) suhde alkaa laskea nopeasti. Tämä on esitetty alla kaaviomuodossa.

Kriittinen piste, jota kutsutaan kaatumispisteeksi tai rajataajuudeksi (f), arvioidaan seuraavasti:

fc = 1 / 2πRC

missä R on ohmeissa, C on faradeissa ja Pi = 3,1416

Mutta edellisestä keskustelusta tiedämme, että RC = aikavakio T, joten yhtälöstä tulee:

fc = 1 / 2πT

missä T on aikavakio sekunteina.

Tämän tyyppisten suodattimien työskentelytehokkuudelle on tunnusomaista niiden katkaisutaajuus ja nopeus, jonka kautta voltin (sisään) / voltin (ulostulon) suhde alkaa laskea rajataajuuden kynnyksen yläpuolelle.

Jälkimmäinen esitetään yleensä (jonkin verran) dB oktaavia kohden (jokaiselle taajuudelle kaksinkertaistettu), kuten seuraavassa kuvassa on esitetty, joka osoittaa dB: n ja voltin (sisään) / voltin (ulostulo) suhteen ja tarjoaa myös tarkan taajuusvasteen käyrä.

RC-MATALASUODATTIMET

Kuten nimestä voi päätellä, alipäästösuodattimet on suunniteltu kuljettamaan vaihtosignaaleja rajataajuuden alapuolella signaalin voimakkuuden pienimmällä häviöllä tai vaimennuksella. Katkaisutaajuuden yläpuolella oleville signaaleille alipäästösuodatin tuottaa suuremman vaimennuksen.

Näille suodattimille on mahdollista laskea tarkat komponenttiarvot. Esimerkiksi vahvistimissa normaalisti käytetty tavallinen naarmusuodatin voitaisiin rakentaa vaimentamaan esimerkiksi 10 kHz: n taajuuksia. Tämä erityisarvo tarkoittaa suodattimen aiottua katkaisutaajuutta.

RC-KORKEA PASS-SUODATTIMET

Ylipäästösuodattimet on suunniteltu toimimaan päinvastoin. Ne vaimentavat rajataajuuden alapuolella olevia taajuuksia, mutta sallivat kaikki taajuudet asetetulla rajataajuudella tai sen yläpuolella ilman vaimennusta.

Tämän ylipäästösuodattimen toteutuksen toteuttamiseksi piirin RC-komponentit yksinkertaisesti vaihdetaan toistensa kanssa alla esitetyllä tavalla.

Ylipäästösuodatin on samanlainen kuin alipäästösuodatin. Näitä käytetään yleensä vahvistimissa ja audiolaitteissa, jotta voidaan päästä eroon luontaisten, ei-toivottujen matalien taajuuksien aiheuttamasta melusta tai 'kolinasta'.

Valitun poistettavan taajuuden, joka on tarkoitus eliminoida, tulisi olla riittävän alhainen, jotta se ei ole ristiriidassa 'hyvän' bassovasteen kanssa. Siksi päätetty suuruus on normaalisti alueella 15 - 20 Hz.

RC-rajataajuuden laskeminen

Juuri samaa kaavaa tarvitaan tämän rajataajuuden laskemiseen, joten kun raja-arvo on 20 Hz, meillä on:

20 = 1/2 x 3,14 x RC

RC = 125.

Tämä osoittaa, että niin kauan kuin RC-verkko on valittu siten, että niiden tuote on 125, aiottu ylipäästökatkaisu sallii alle 20 Hz: n signaalit.

Käytännöllisissä piireissä tällaiset suodattimet otetaan tyypillisesti käyttöön esivahvistimen vaihe , tai vahvistimessa välittömästi ennen olemassa olevaa äänensäätöpiiriä.

Sillä Hi-Fi-laitteet , nämä katkaistut suodatinpiirit ovat yleensä paljon kehittyneempiä kuin tässä selitetyt, jotta katkaisupisteet ovat tehokkaampia ja pin-pisteen tarkkuudella.

.