Hoe RC-circuits werken

In een RC-circuit wordt een combinatie van R (weerstand) en C (condensator) gebruikt in specifieke configuraties om de stroomstroom te regelen, voor het implementeren van een gewenste conditie.

Een van de belangrijkste toepassingen van een condensator heeft de vorm van een koppeleenheid die AC doorlaat maar DC blokkeert. In bijna elk praktisch circuit zul je een paar weerstanden zien die in serie zijn verbonden met de condensator.

De weerstand beperkt de stroom van stroom en veroorzaakt enige vertraging over de voedingsspanning die naar de condensator wordt gevoerd door een lading op te bouwen in de condensator, evenredig met de toegevoerde spanning.

RC-tijdconstante

De formule voor het bepalen van de RC-tijd (T) is heel eenvoudig:

T = RC waarbij T = tijdconstante in seconden R = weerstand in megohm C = capaciteit in microfarad.

(Het kan worden opgemerkt dat dezelfde numerieke waarde voor T wordt gegeven als R in ohm is en C in farad, maar in de praktijk zijn megohm en microfarad vaak veel gemakkelijkere eenheden.)

In een RC-schakeling kan de RC-tijdconstante worden gedefinieerd als de tijd die de aangelegde spanning over de condensator nodig heeft om 63% van de aangelegde spanning te bereiken.

(deze magnitude van 63% heeft eigenlijk de voorkeur om de berekening te vergemakkelijken). In het echte leven kan de spanning over de condensator zich ophopen tot praktisch (maar nooit helemaal) 100% van de aangelegde spanning, zoals aangegeven in de onderstaande afbeelding.

Het element tijdconstante geeft de tijdsduur aan in de vorm van een tijdsfactor, bijvoorbeeld bij 1 tijdsfactor van het RC-netwerk wordt 63% totale spanning opgebouwd, in een periode na 2X tijdconstante wordt 80% totale spanning binnenin opgebouwd de condensator enzovoort.

Na een tijdconstante van 5 kan bijna (maar niet helemaal) 100% spanning over de condensator worden opgebouwd. De ontladingsfactoren van een condensator gebeuren op dezelfde fundamentele manier, maar in de omgekeerde volgorde.

Dit betekent dat na een tijdsinterval gelijk aan de tijdconstante 5, de spanning die op de condensator wordt toegepast een daling van 100 - 63 = 37% van de volledige spanning, enzovoort, bereikt.

Condensatoren zijn nooit volledig opgeladen of ontladen

Theoretisch mag een condensator op zijn minst geenszins worden opgeladen tot het volledige aangelegde spanningsniveau, noch kan hij volledig worden ontladen.

In werkelijkheid kan volledige lading, of totale ontlading, worden beschouwd als voltooid binnen een tijdsperiode die overeenkomt met 5 tijdconstanten.

Daarom zal in het circuit zoals hieronder getoond, het voeden van schakelaar 1 een 'volledige' lading op de condensator veroorzaken in 5 x tijdconstante seconden.

Vervolgens, wanneer schakelaar 1 wordt geopend, kan de condensator zich in een situatie bevinden waarin hij een spanning opslaat die gelijk is aan de werkelijk aangelegde spanning. En het zal deze lading voor onbepaalde tijd vasthouden, op voorwaarde dat de condensator geen interne lekkage heeft.

Dit proces van ladingsverlies zal eigenlijk buitengewoon traag zijn, aangezien in de echte wereld geen enkele condensator perfect kan zijn, maar gedurende een bepaalde aanzienlijke tijdsperiode kan deze opgeslagen lading een effectieve bron van de oorspronkelijke 'volledige lading'-spanning blijven.

Wanneer de condensator wordt toegepast met een hoge spanning, kan deze snel een elektrische schok geven bij aanraking, zelfs nadat het circuit is uitgeschakeld.

Om de cyclus van laden / ontladen uit te voeren zoals weergegeven in het tweede grafische diagram hierboven, begint de condensator, wanneer schakelaar 2 is gesloten, te ontladen via de aangesloten weerstand, en duurt het enige tijd voordat het ontlaadproces is voltooid.

RC-combinatie in ontspanningsoscillator

De bovenstaande afbeelding is een zeer eenvoudige relaxatieoscillatorcircuit die werkt met behulp van de basislaadontladingstheorie van een condensator.

Het bevat een weerstand (R) en condensator (C) die in serie zijn aangesloten op een gelijkspanningsbron. Om de werking van het circuit fysiek te kunnen zien, a neon lamp wordt parallel met de condensator gebruikt.

De lamp gedraagt ​​zich praktisch als een open circuit totdat de spanning de drempelspanningslimiet bereikt, wanneer hij onmiddellijk wordt ingeschakeld en stroom geleidt als een geleider en begint te gloeien. De bron van voedingsspanning voor deze stroom moet daarom hoger zijn dan die van de neon-triggerspanning.

Hoe het werkt

Wanneer het circuit wordt ingeschakeld, begint de condensator langzaam op te laden zoals bepaald door de RC-tijdconstante. De lamp begint een stijgende spanning te ontvangen die over de condensator wordt ontwikkeld.

Op het moment dat deze lading over de condensator een waarde bereikt die gelijk kan zijn aan de ontstekingsspanning van de neon, geleidt de neonlamp en begint te verlichten.

Wanneer dit gebeurt, creëert de neon een ontladingspad voor de condensator en nu begint de condensator te ontladen. Dit veroorzaakt op zijn beurt een daling van de spanning over de neon en wanneer dit niveau onder de ontstekingsspanning van de neon komt, gaat de lamp UIT en wordt uitgeschakeld.

Het proces gaat nu door waardoor de neon AAN UIT knippert. De knipperfrequentie of -frequentie is afhankelijk van de waarde van de RC-tijdconstante, die kan worden aangepast om een ​​langzaam knipperende of snelle knipperfrequentie mogelijk te maken.

Als we de componentwaarden beschouwen zoals weergegeven in het diagram, is de tijdconstante voor het circuit T = 5 (megohm) x 0,1 (microfarad) = 0,5 seconden.

Dit houdt in dat door het wijzigen van de RC-waarden, de knipperfrequentie van de neon overeenkomstig kan worden gewijzigd, volgens individuele voorkeur.

RC-configuratie in wisselstroomcircuits

Wanneer een wisselstroom wordt gebruikt in een RC-configuratie, laadt, vanwege de wisselende aard van de stroom, de ene halve cyclus van de wisselstroom de condensator effectief op, en evenzo wordt deze ontladen met de volgende negatieve halve cyclus. Dit zorgt ervoor dat de condensator afwisselend wordt opgeladen en ontladen als reactie op de variërende polariteit van de wisselstroomcyclusgolfvorm.

Hierdoor worden in feite AC-spanningen niet opgeslagen in de condensator, maar mogen ze door de condensator gaan. Deze stroomdoorgang wordt echter beperkt door een bestaande RC-tijdconstante in het pad van het circuit.

De RC-componenten bepalen met hoeveel percentage van de aangelegde spanning de condensator wordt opgeladen en ontladen. Tegelijkertijd kan de condensator ook een lichte weerstand bieden tegen het passeren van de AC door middel van reactantie, ook al verbruikt deze reactantie in principe geen stroom. De primaire impact is op de frequentierespons die betrokken is bij het RC-circuit.

RC-KOPPELING in AC-CIRCUITS

Het koppelen van een bepaalde trap van een audiocircuit aan een andere trap via een condensator is een veel voorkomende en wijdverbreide implementatie. Hoewel de capaciteit onafhankelijk lijkt te worden gebruikt, kan deze in feite te maken hebben met een integrale serieweerstand die wordt gesymboliseerd door de term 'belasting' zoals hieronder weergegeven.

Deze weerstand, geholpen door de condensator, geeft aanleiding tot een RC-combinatie die verantwoordelijk kan zijn voor het genereren van een bepaalde tijdconstante.

Het is cruciaal dat deze tijdconstante een aanvulling vormt op de specificatie van de AC-ingangssignaalfrequentie die van de ene trap naar de andere wordt overgebracht.

Als we het voorbeeld van een audioversterkerschakeling aannemen, zou het hoogste bereik van de ingangsfrequentie ongeveer 10 kHz kunnen zijn. De tijdsperiode van dit soort frequentie is 1 / 10.000 = 0,1 milliseconden.

Dat gezegd hebbende, om deze frequentie mogelijk te maken, implementeert elke cyclus twee laad / ontlaadkarakteristieken met betrekking tot de koppelcondensatorfunctie, die een positief en een negatief zijn.

Daarom is de tijdsperiode voor een eenzame laad / ontlaadfunctionaliteit 0,05 milliseconden.

De RC-tijdconstante die nodig is om deze werking mogelijk te maken, moet voldoen aan de waarde van 0,05 milliseconden om het 63% van het toegevoerde wisselspanningsniveau te bereiken, en in wezen iets minder om de doorgang van meer dan 63 procent van de aangelegde spanning mogelijk te maken.

Optimalisatie van RC Time Constant

Bovenstaande statistieken geven ons een idee met betrekking tot de best mogelijke waarde van de te gebruiken koppelcondensator.

Om dit te illustreren, laten we zeggen dat de normale ingangsweerstand van een laagvermogenstransistor ongeveer 1 k kan zijn. De tijdconstante van een meest effectieve RC-koppeling kan 0,05 milliseconden zijn (zie hierboven), wat kan worden bereikt met de volgende berekeningen:

0,05 x 10 = 1000 x C of C = 0,05 x 10^-9farads = 0,50 pF (of mogelijk iets lager, aangezien dan meer dan 63% spanning door de condensator zou kunnen gaan).

Praktisch gesproken zou in het algemeen een veel grotere capaciteitswaarde kunnen worden geïmplementeerd die zo groot kan zijn als 1 µF of zelfs meer. Dit kan doorgaans betere resultaten opleveren, maar kan daarentegen een vermindering van de efficiëntie van de AC-koppelingsgeleiding veroorzaken.

Ook suggereren berekeningen dat capacitieve koppeling steeds inefficiënter wordt naarmate de wisselstroomfrequentie toeneemt, wanneer echte condensatoren worden geïmplementeerd in koppelcircuits.

RC-netwerk gebruiken in FILTERCIRCUITS

Een standaard RC-opstelling geïmplementeerd als een filter circuit wordt gedemonstreerd in de onderstaande afbeelding.

Als we naar de ingangszijde kijken, vinden we een weerstand die in serie is bevestigd met een capacitieve reactantie, waardoor er een spanningsval ontstaat over de twee elementen.

In het geval dat de reactantie van de condensator (Xc) hoger is dan R, wordt bijna alle ingangsspanning over de condensator opgebouwd en daarom bereikt de uitgangsspanning het niveau dat gelijk is aan de ingangsspanning.

We weten dat de reactantie van de condensator omgekeerd evenredig is met de frequentie.Dit betekent dat als de AC-frequentie wordt verhoogd, de reactantie afneemt, waardoor de uitgangsspanning evenredig wordt (maar een aanzienlijk deel van de ingangsspanning zal door de weerstand worden verlaagd. ).

Wat is kritische frequentie

Om een ​​efficiënte koppeling van het AC-signaal te garanderen, moeten we rekening houden met de factor die kritische frequentie wordt genoemd.

Bij deze frequentie heeft het reactantiewaarde-element de neiging zo zwaar te worden beïnvloed dat in een dergelijke toestand de koppelcondensator het signaal begint te blokkeren in plaats van efficiënt te geleiden.

In een dergelijke situatie begint de verhouding volt (uit) / volt (in) snel af te nemen. Dit wordt hieronder in schematische basisvorm gedemonstreerd.

Het kritische punt, het afrolpunt of afsnijfrequentie (f) genoemd, wordt geëvalueerd als:

fc = 1 / 2πRC

waar R in ohm is, C in farad is, en Pi = 3,1416

Maar uit de vorige discussie weten we dat RC = tijdconstante T, daarom wordt de vergelijking:

fc = 1 / 2πT

waarbij T de tijdconstante in seconden is.

De werkefficiëntie van dit type filter wordt gekenmerkt door hun afsnijfrequentie en door de snelheid waarmee de volt (in) / volt (uit) -verhouding begint te dalen tot boven de afsnijfrequentiedrempel.

Dit laatste wordt over het algemeen weergegeven als (enkele) dB per octaaf (voor elke verdubbelde frequentie), zoals aangegeven in de volgende afbeelding die de relatie laat zien tussen dB en volt (in) / volt (uit) -verhouding, en biedt ook een nauwkeurige frequentierespons kromme.

RC LOW-PASS-FILTERS

Zoals de naam suggereert, laagdoorlaatfilters zijn ontworpen om AC-signalen onder de afsnijfrequentie door te geven met minimaal verlies of verzwakking van de signaalsterkte. Voor signalen die boven de afsnijfrequentie liggen, genereert het laagdoorlaatfilter een verhoogde verzwakking.

Het is mogelijk om voor deze filters exacte componentwaarden te berekenen. Een standaard krasfilter dat normaal in versterkers wordt gebruikt, zou bijvoorbeeld kunnen worden gebouwd om frequenties te verzwakken over bijvoorbeeld 10 kHz. Deze specifieke waarde geeft de beoogde afsnijfrequentie van het filter aan.

RC HIGH-PASS-FILTERS

Hoogdoorlaatfilters zijn ontworpen om andersom te werken. Ze verzwakken frequenties die onder de afsnijfrequentie verschijnen, maar laten alle frequenties toe op of boven de ingestelde afsnijfrequentie zonder verzwakking.

Om deze implementatie van een hoogdoorlaatfilter te realiseren, worden de RC-componenten in het circuit eenvoudig met elkaar verwisseld zoals hieronder aangegeven.

Een hoogdoorlaatfilter is vergelijkbaar met zijn tegenhanger met een laagdoorlaatfilter. Deze worden over het algemeen gebruikt in versterkers en audioapparatuur om ruis of 'gerommel' te verwijderen die wordt gegenereerd door de inherente, ongewenste lage frequenties.

De geselecteerde afsnijfrequentie die moet worden geëlimineerd, moet laag genoeg zijn zodat deze niet conflicteert met de 'goede' basweergave. Daarom ligt de vastgestelde grootte normaal in het bereik van 15 tot 20 Hz.

RC-afsnijfrequentie berekenen

Precies, dezelfde formule is nodig om deze afsnijfrequentie te berekenen, dus met 20 Hz als afsnijdrempel hebben we:

20 = 1/2 x 3,14 x RC

RC = 125.

Dit geeft aan dat zolang het RC-netwerk zodanig is geselecteerd dat hun product 125 is, de beoogde high-pass cut-off onder 20 Hz-signalen mogelijk zal zijn.

In praktische circuits worden dergelijke filters meestal geïntroduceerd bij de voorversterker podium , of in de versterker direct voor een bestaand toonregelcircuit.

Voor Hifi-apparaten , zijn deze afsnijfiltercircuits meestal veel geavanceerder dan degene die hier worden uitgelegd, om de afsnijpunten met een hogere efficiëntie en nauwkeurigheid mogelijk te maken.

​