Все электронные компоненты можно разделить на две большие категории, одна из которых является активными компонентами, а другая - пассивными компонентами. К пассивным компонентам относятся резистор (R), конденсатор (C) и индуктор (L). Это три наиболее часто используемых компонента в электронных схемах, и вы найдете их почти в каждой прикладной схеме. Эти три компонента вместе в различных комбинациях образуют схемы RC, RL и RLC, и у них есть много приложений, таких как схемы фильтрации, ламповые дроссели, мультивибраторы и т. Д. Итак, в этом руководстве мы изучим основы этих схем, теорию, лежащую в основе их и как использовать их в наших схемах.
Прежде чем мы перейдем к основным темам, давайте разберемся, что делают в схеме R, L и C.
Резистор: резисторы обозначаются буквой «R». Резистор - это элемент, который рассеивает энергию в основном в виде тепла. На нем будет падение напряжения, которое остается фиксированным для фиксированного значения тока, протекающего через него.
Конденсатор: Конденсаторы обозначаются буквой «C». Конденсатор - это элемент, который хранит энергию (временно) в виде электрического поля. Конденсатор сопротивляется перепадам напряжения. Есть много типов конденсаторов, из которых в основном используются керамический конденсатор и электролитические конденсаторы. Они заряжаются в одном направлении и разряжаются в противоположном.
Индуктор: Индукторы обозначаются буквой «L». Индуктор также похож на конденсатор, он также накапливает энергию, но хранится в виде магнитного поля. Индукторы сопротивляются изменениям тока. Индукторы обычно представляют собой проволочную обмотку и используются редко по сравнению с двумя предыдущими компонентами.
Когда эти резистор, конденсатор и индукторы соединены вместе, мы можем сформировать цепи, такие как RC, RL и RLC, которые демонстрируют характеристики, зависящие от времени и частоты, которые будут полезны во многих приложениях переменного тока, как уже упоминалось. RC / RL / колебательный контур может быть использован в качестве фильтра, генератора и многое другое не представляется возможным охватить все аспекты в этом руководстве, так что мы будем изучать основное поведение их в этом учебнике.
Основной принцип цепей RC / RL и RLC:
Прежде чем мы начнем с каждой темы, давайте разберемся, как резистор, конденсатор и индуктор ведут себя в электронной схеме. Для понимания рассмотрим простую схему, состоящую из конденсатора и резистора, включенных последовательно с источником питания (5 В). В этом случае, когда источник питания подключен к RC-паре, напряжение на резисторе (Vr) увеличивается до максимального значения, в то время как напряжение на конденсаторе (Vc) остается на нуле, затем конденсатор начинает медленно накапливать заряд и, таким образом, напряжение на резисторе будет уменьшаться, а напряжение на конденсаторе будет увеличиваться до тех пор, пока напряжение резистора (Vr) не достигнет нуля, а напряжение конденсатора (Vc) не достигнет своего максимального значения. Схема и форма волны можно увидеть в гифке ниже
Давайте проанализируем форму волны на изображении выше, чтобы понять, что на самом деле происходит в цепи. Хорошо проиллюстрированная форма волны показана на изображении ниже.
Когда переключатель включен, напряжение на резисторе (красная волна) достигает максимума, а напряжение на конденсаторе (синяя волна) остается равным нулю. Затем конденсатор заряжается, и Vr становится равным нулю, а Vc становится максимальным. Аналогичным образом, когда переключатель выключен, конденсатор разряжается, и, следовательно, на резисторе появляется отрицательное напряжение, а когда конденсатор разряжается, напряжение как конденсатора, так и резистора становится равным нулю, как показано выше.
То же самое можно увидеть и для индукторов. Замените конденсатор на катушку индуктивности, и форма сигнала будет просто зеркальным, то есть напряжение на резисторе (Vr) будет равно нулю при включении переключателя, поскольку все напряжение будет появляться на индукторе (Vl). По мере того, как индуктор заряжается, напряжение на (Vl) достигает нуля, а напряжение на резисторе (Vr) достигает максимального напряжения.
Цепь RC:
Цепи RC (резистор конденсатор цепь) будут состоять из конденсатора и резистор соединены последовательно или параллельно напряжения или источник тока. Эти типы схем также называются RC-фильтрами или RC- цепями, поскольку они чаще всего используются в приложениях фильтрации. RC-цепь может использоваться для создания некоторых грубых фильтров, таких как фильтры нижних и верхних частот и полосовые фильтры. Схема первого порядка RC будет состоять только из одного резистора и одного конденсатора, и мы будем анализировать то же самое в этом руководстве
Чтобы понять RC-схему, давайте создадим базовую схему на Proteus и подключим нагрузку через осциллограф, чтобы проанализировать его поведение. Схема вместе с формой волны приведена ниже.
Мы подключили нагрузку (лампочку) с известным сопротивлением 1 кОм последовательно с конденсатором 470 мкФ, чтобы сформировать RC-цепь. Схема питается от батареи 12 В, а переключатель используется для замыкания и размыкания цепи. Форма волны измеряется через лампочку нагрузки и показана желтым цветом на изображении выше.
Первоначально, когда переключатель разомкнут, максимальное напряжение (12 В) появляется на резистивной нагрузке лампочки (Vr), и напряжение на конденсаторе будет нулевым. Когда переключатель замкнут, напряжение на резисторе упадет до нуля, а затем, когда конденсатор заряжается, напряжение вернется к максимуму, как показано на графике.
Время, необходимое для зарядки конденсатора, определяется формулой T = 5Ƭ, где “Ƭ” представляет tou (постоянная времени).
Давайте посчитаем время, за которое наш конденсатор заряжается в цепи.
Ƭ = RC = (1000 * (470 * 10 ^ -6)) = 0,47 секунды T = 5 = (5 * 0,47) T = 2,35 секунды.
Мы подсчитали, что время, необходимое для зарядки конденсатора, составит 2,35 секунды, то же самое можно проверить на графике выше. Время, необходимое для достижения Vr от 0 В до 12 В, равно времени, необходимому для зарядки конденсатора от 0 В до максимального напряжения. График иллюстрируется курсорами на изображении ниже.
Аналогичным образом мы также можем рассчитать напряжение на конденсаторе в любой момент времени и ток через конденсатор в любой момент времени, используя следующие формулы
V (t) = V B (1 - e -t / RC) I (t) = I o (1 - e -t / RC)
Где V B - напряжение батареи, а I o - выходной ток схемы. Значение t - это время (в секундах), в течение которого необходимо рассчитать значение напряжения или тока конденсатора.
Цепь RL:
RL цепи (резистор Индуктор цепи) будет состоять из индуктора и резистора снова соединены последовательно или параллельно. Последовательная цепь RL будет управляться источником напряжения, а параллельная цепь RL будет управляться источником тока. Цепи RL обычно используются в качестве пассивных фильтров, схема RL первого порядка только с одной катушкой индуктивности и одним конденсатором показана ниже.
Точно так же в цепи RL мы должны заменить конденсатор на индуктор. Предполагается, что лампочка действует как чисто резистивная нагрузка, а сопротивление лампы установлено на известное значение 100 Ом.
Когда цепь разомкнута, напряжение на резистивной нагрузке будет максимальным, а когда переключатель замкнут, напряжение от батареи распределяется между индуктором и резистивной нагрузкой. Катушка индуктивности заряжается быстро, и, следовательно, на резистивной нагрузке R произойдет резкое падение напряжения.
Время, необходимое для зарядки индуктора, можно рассчитать по формуле T = 5Ƭ, где “Ƭ” представляет tou (постоянная времени).
Давайте посчитаем время, за которое наша катушка индуктивности заряжается в цепи. Здесь мы использовали индуктивность номиналом 1 мГн и резистор номиналом 100 Ом.
Ƭ = L / R = (1 * 10 ^ -3) / (100) = 10 ^ -5 секунд T = 5Ƭ = (5 * 10 ^ -5) = 50 * 10 ^ -6 T = 50 u секунд.
Точно так же мы также можем рассчитать напряжение на индукторе в любой момент времени и ток через индуктор в любой момент времени, используя следующие формулы:
V (t) = V B (1 - e -tR / L) I (t) = I o (1 - e -tR / L)
Где V B - напряжение батареи, а I o - выходной ток схемы. Значение t - это время (в секундах), в течение которого должно быть вычислено значение напряжения или тока индуктора.
Цепь RLC:
Колебательный контур, как следует из названия будет состоять из резистора, конденсатора и катушки индуктивности соединены последовательно или параллельно. Схема образует схему осциллятора, которая очень часто используется в радиоприемниках и телевизорах. Он также очень часто используется в качестве демпферных цепей в аналоговых приложениях. Свойство резонанса цепи RLC первого порядка обсуждается ниже.
Цепи RLC также называют как серии резонансного контура, колебательный контур или колебательного контура. Эта схема может обеспечивать сигнал резонансной частоты, как показано на рисунке ниже.
Здесь у нас есть конденсатор C1 на 100u и индуктор L1 на 10mH, соединенные последовательно через переключатель. Поскольку провод, соединяющий C и L, будет иметь некоторое внутреннее сопротивление, предполагается, что небольшое сопротивление присутствует из-за провода.
Первоначально мы оставляем переключатель 2 в разомкнутом состоянии и замыкаем переключатель 1 для зарядки конденсатора от источника батареи (9 В). Затем, когда конденсатор заряжен, переключатель 1 размыкается, а затем переключатель 2 замыкается.
Как только переключатель замкнут, заряд, накопленный в конденсаторе, переместится к катушке индуктивности и зарядит ее. Как только конденсатор полностью разряжен, индуктор начнет разряжаться обратно в конденсатор, таким образом заряды будут течь туда и обратно между индуктором и конденсатором. Но поскольку во время этого процесса будет некоторая потеря заряда, общий заряд будет постепенно уменьшаться, пока не достигнет нуля, как показано на графике выше.
Приложения:
Резисторы, индукторы и конденсаторы могут быть обычными и простыми компонентами, но когда они объединяются в цепи, такие как RC / RL и RLC, они проявляют сложное поведение, что делает их пригодными для широкого диапазона приложений. Некоторые из них перечислены ниже
- Системы связи
- Обработка сигналов
- Увеличение напряжения / тока
- Радиопередатчики
- Усилители RF
- Резонансный LC-контур
- Схемы с переменными мелодиями
- Цепи осциллятора
- Схемы фильтрации