Całość komponentów elektronicznych można podzielić na dwie szerokie kategorie, z których jedna to komponenty aktywne, a druga to komponenty pasywne. Elementy pasywne obejmują rezystor (R), kondensator (C) i cewkę indukcyjną (L). Są to trzy najczęściej używane komponenty w obwodzie elektronicznym i można je znaleźć w prawie każdym obwodzie aplikacji. Te trzy komponenty razem w różnych kombinacjach utworzą obwody RC, RL i RLC i mają wiele zastosowań, takich jak obwody filtrujące, dławiki lampowe, multiwibratory itp. Więc w tym samouczku nauczymy się podstaw tych obwodów, teorii stojącej za i jak ich używać w naszych obwodach.
Zanim przejdziemy do głównych tematów, zrozumiemy, co R, L i C robi w obwodzie.
Rezystor: rezystory są oznaczone literą „R”. Rezystor to element rozpraszający energię głównie w postaci ciepła. Będzie miał spadek napięcia na nim, który pozostaje stały przez stałą wartość przepływającego przez niego prądu.
Kondensator: Kondensatory są oznaczone literą „C”. Kondensator to element magazynujący energię (tymczasowo) w postaci pola elektrycznego. Kondensator jest odporny na zmiany napięcia. Istnieje wiele typów kondensatorów, z których najczęściej stosuje się kondensator ceramiczny i kondensatory elektrolityczne. Ładują się w jednym kierunku i rozładowują w przeciwnym kierunku
Cewka: Cewki indukcyjne są oznaczone literą „L”. Cewka indukcyjna jest również podobna do kondensatora, również magazynuje energię, ale jest przechowywana w postaci pola magnetycznego. Cewki oporowe są odporne na zmiany prądu. Cewki indukcyjne są zwykle drutem nawiniętym w cewkę i są rzadko używane w porównaniu z dwoma poprzednimi elementami.
Kiedy te rezystory, kondensatory i cewki są połączone razem, możemy tworzyć obwody, takie jak obwód RC, RL i RLC, który wykazuje odpowiedzi zależne od czasu i częstotliwości, co będzie przydatne w wielu zastosowaniach prądu przemiennego, jak już wspomniano. Obwód RC / RL / RLC można stosować jako filtra, oscylator i wiele więcej nie jest możliwe, aby pokryć każdy aspekt w tym kursie, więc poznamy podstawowe zachowanie ich w tym samouczku.
Podstawowa zasada obwodów RC / RL i RLC:
Zanim zaczniemy od każdego tematu, zrozummy, jak zachowują się rezystor, kondensator i cewka indukcyjna w obwodzie elektronicznym. Dla zrozumienia rozważmy prosty obwód składający się z kondensatora i rezystora połączonych szeregowo z zasilaczem (5V). W tym przypadku, gdy zasilacz jest podłączony do pary RC, napięcie na rezystorze (Vr) wzrasta do maksymalnej wartości, podczas gdy napięcie na kondensatorze (Vc) pozostaje na poziomie zerowym, a następnie powoli kondensator zaczyna gromadzić ładunek, a tym samym napięcie na rezystorze spadnie, a napięcie na kondensatorze będzie rosło, aż napięcie rezystora (Vr) osiągnie zero, a napięcie kondensatora (Vc) osiągnie maksymalną wartość. Obwód i kształt fali można zobaczyć na poniższym GIF-ie
Przeanalizujmy kształt fali na powyższym obrazku, aby zrozumieć, co faktycznie dzieje się w obwodzie. Dobrze zilustrowany przebieg pokazano na poniższym obrazku.
Po włączeniu przełącznika napięcie na rezystorze (fala czerwona) osiąga swoje maksimum, a napięcie na kondensatorze (fala niebieska) pozostaje na poziomie zerowym. Następnie kondensator ładuje się i Vr staje się zerem, a Vc staje się maksimum. Podobnie, gdy przełącznik jest wyłączony, kondensator rozładowuje się, a zatem ujemne napięcie pojawia się na rezystorze, a gdy kondensator rozładowuje, napięcie kondensatora i rezystora spada do zera, jak pokazano powyżej.
To samo można wizualizować również dla cewek. Wymień kondensator na cewkę, a przebieg zostanie po prostu odzwierciedlony, to znaczy napięcie na rezystorze (Vr) będzie wynosić zero po włączeniu przełącznika, ponieważ całe napięcie pojawi się na cewce (Vl). Gdy cewka indukcyjna ładuje napięcie na (Vl), osiągnie zero, a napięcie na rezystorze (Vr) osiągnie maksymalne napięcie.
Obwód RC:
Obwód RC (Rezystor kondensatora obwodu) składa się z kondensatora i rezystor albo szeregowo lub równolegle do źródła napięcia lub prądu. Te typy obwodów są również nazywane filtrami RC lub sieciami RC, ponieważ są najczęściej używane w aplikacjach filtrujących. Obwód RC może być użyty do wykonania niektórych surowych filtrów, takich jak filtry dolnoprzepustowe, górnoprzepustowe i pasmowo-przepustowe. Obwód RC pierwszego rzędu będzie składać się z tylko jednego rezystora i jednego kondensatora i będziemy analizować to samo w tym poradniku
Aby zrozumieć obwód RC, stwórzmy podstawowy obwód na proteusie i połączmy obciążenie w całym zakresie, aby przeanalizować, jak się zachowuje. Schemat wraz z przebiegiem przedstawiono poniżej
Połączyliśmy obciążenie (żarówkę) o znanej rezystancji 1k Ohm szeregowo z kondensatorem 470uF, aby utworzyć obwód RC. Obwód zasilany jest z akumulatora 12V, a wyłącznik służy do zamykania i otwierania obwodu. Przebieg jest mierzony w poprzek żarówki obciążenia i jest przedstawiony w kolorze żółtym na powyższym obrazku.
Początkowo, gdy przełącznik jest otwarty, maksymalne napięcie (12 V) pojawia się na obciążeniu żarówki rezystancyjnej (Vr), a napięcie na kondensatorze będzie wynosić zero. Gdy przełącznik jest zamknięty, napięcie na rezystorze spadnie do zera, a następnie, gdy kondensator się ładuje, napięcie powróci do maksimum, jak pokazano na wykresie.
Czas potrzebny do naładowania kondensatora jest określony wzorem T = 5Ƭ, gdzie „tou” oznacza tou (stała czasowa).
Obliczmy czas, w jakim nasz kondensator ładuje się w obwodzie.
Ƭ = RC = (1000 * (470 * 10 ^ -6)) = 0,47 sekundy T = 5Ƭ = (5 * 0,47) T = 2,35 sekundy.
Obliczyliśmy, że czas potrzebny do naładowania kondensatora wyniesie 2,35 sekundy, to samo można również sprawdzić na powyższym wykresie. Czas potrzebny do osiągnięcia Vr od 0 V do 12 V jest równy czasowi potrzebnemu do naładowania kondensatora od 0 V do maksymalnego napięcia. Wykres jest zilustrowany za pomocą kursorów na poniższym obrazku.
Podobnie możemy również obliczyć napięcie na kondensatorze w dowolnym momencie i prąd płynący przez kondensator w dowolnym momencie, korzystając z poniższych wzorów
V (t) = V B (1 - e -t / RC) I (t) = I o (1 - e -t / RC)
Gdzie V B to napięcie akumulatora, a I o to prąd wyjściowy obwodu. Wartość t to czas (w sekundach), w którym należy obliczyć napięcie lub wartość prądu kondensatora.
Obwód RL:
RL obwodu (Rezystor cewki obwodu) składa się z cewki indukcyjnej i rezystor ponownie połączona albo szeregowo lub równolegle. Szeregowy obwód RL będzie napędzany przez źródło napięcia, a równoległy obwód RL będzie zasilany przez źródło prądu. Obwody RL są powszechnie stosowane jako filtry pasywne, obwód RL pierwszego rzędu z tylko jedną cewką i jednym kondensatorem pokazano poniżej
Podobnie w obwodzie RL musimy wymienić kondensator na cewkę indukcyjną. Zakłada się, że żarówka działa jako czyste obciążenie rezystancyjne, a rezystancja żarówki jest ustawiona na znaną wartość 100 omów.
Gdy obwód jest otwarty, napięcie na obciążeniu rezystancyjnym będzie maksymalne, a gdy przełącznik jest zamknięty, napięcie z akumulatora jest dzielone między cewkę indukcyjną i obciążenie rezystancyjne. Cewka indukcyjna szybko się ładuje, a zatem obciążenie rezystancyjne R. będzie miało nagły spadek napięcia.
Czas potrzebny do naładowania cewki indukcyjnej można obliczyć za pomocą wzoru T = 5Ƭ, gdzie „Ƭ” oznacza tou (stała czasowa).
Obliczmy czas potrzebny na naładowanie się cewki indukcyjnej w obwodzie. Tutaj użyliśmy cewki o wartości 1mH i rezystora o wartości 100 Ohm
Ƭ = L / R = (1 * 10 ^ -3) / (100) = 10 ^ -5 sekund T = 5Ƭ = (5 * 10 ^ -5) = 50 * 10 ^ -6 T = 50 u sekund.
Podobnie, możemy również obliczyć napięcie na cewce indukcyjnej w dowolnym momencie i prąd płynący przez cewkę w dowolnym momencie, korzystając z poniższych wzorów
V (t) = V B (1 - e -tR / L) I (t) = I o (1 - e -tR / L)
Gdzie V B to napięcie akumulatora, a I o to prąd wyjściowy obwodu. Wartość t to czas (w sekundach), w którym należy obliczyć napięcie lub wartość prądu cewki indukcyjnej.
Obwód RLC:
Obwód RLC, jak sama nazwa wskazuje składa się z rezystora, kondensatora i cewki połączone szeregowo lub równolegle. Obwód tworzy obwód oscylatora, który jest bardzo powszechnie stosowany w odbiornikach radiowych i telewizorach. Jest również bardzo często używany jako obwody tłumiące w zastosowaniach analogowych. Właściwość rezonansu obwodu RLC pierwszego rzędu omówiono poniżej
Obwodu RLC jest nazywany również jako seria obwodu rezonansowego, obwód oscylacyjny dostrojony lub obwodu. Obwód ten ma zdolność dostarczania sygnału o częstotliwości rezonansowej, jak pokazano na poniższym obrazku
Tutaj mamy kondensator C1 100u i cewkę indukcyjną L1 10mH połączoną szeregowo cyny za pomocą przełącznika. Ponieważ drut łączący C i L będzie miał pewien opór wewnętrzny, zakłada się, że występuje niewielki opór z powodu drutu.
Początkowo utrzymujemy przełącznik 2 w pozycji otwartej i zamykamy przełącznik 1, aby naładować kondensator ze źródła akumulatora (9V). Następnie, po naładowaniu kondensatora, przełącznik 1 jest otwierany, a następnie przełącznik 2 jest zamykany.
Gdy tylko przełącznik zostanie zamknięty, ładunek zgromadzony w kondensatorze przesunie się w kierunku cewki i naładuje go. Gdy kondensator zostanie całkowicie rozładowany, cewka zacznie się rozładowywać z powrotem do kondensatora, w ten sposób ładunki będą przepływać tam iz powrotem między cewką a kondensatorem. Ale ponieważ podczas tego procesu nastąpi pewna utrata ładunków, całkowite naładowanie będzie się stopniowo zmniejszać, aż osiągnie zero, jak pokazano na powyższym wykresie.
Aplikacje:
Rezystory, cewki indukcyjne i kondensatory mogą być normalnymi i prostymi elementami, ale gdy są łączone w celu utworzenia obwodów, takich jak obwód RC / RL i RLC, wykazują złożone zachowanie, co sprawia, że nadaje się do szerokiego zakresu zastosowań. Kilka z nich wymieniono poniżej
- Systemy komunikacji
- Przetwarzanie sygnałów
- Powiększenie napięcia / prądu
- Nadajniki fal radiowych
- Wzmacniacze RF
- Obwód rezonansowy LC
- Obwody o zmiennej melodii
- Obwody oscylatora
- Układy filtrujące