Cách hoạt động của mạch RC

Trong mạch RC, một tổ hợp hoặc R (điện trở) và C (tụ điện) được sử dụng trong các cấu hình cụ thể để điều chỉnh dòng điện, để thực hiện một điều kiện mong muốn.

Một trong những công dụng chính của tụ điện là ở dạng một bộ ghép nối cho phép AC đi qua nhưng chặn DC. Trong hầu hết mọi mạch điện thực tế, bạn sẽ thấy một vài điện trở mắc nối tiếp với tụ điện.

Điện trở hạn chế dòng điện và gây ra một số độ trễ trên điện áp cung cấp cho tụ điện bằng cách gây ra điện tích tích tụ trong tụ điện, tương ứng với điện áp được cấp.

Hằng số thời gian RC

Công thức xác định thời gian RC (T) rất đơn giản:

T = RC trong đó T = hằng số thời gian tính bằng giây R = điện trở tính bằng megohms C = điện dung tính bằng microfarads.

(Có thể quan sát thấy rằng cùng một giá trị số cho T được cung cấp nếu R tính bằng ohms và C tính bằng farads, nhưng trong thực tế megohms và microfarads thường là những đơn vị dễ hơn nhiều.)

Trong mạch RC, hằng số thời gian RC có thể được định nghĩa là thời gian để điện áp đặt trên tụ điện đạt được 63% điện áp đặt vào.

(độ lớn 63% này thực sự được ưu tiên để dễ tính toán). Trong cuộc sống thực, điện áp trên tụ điện có thể tiếp tục tích lũy đến thực tế (nhưng không bao giờ hoàn toàn) 100% điện áp đặt vào, như được chỉ ra trong hình bên dưới.

Phần tử hằng số thời gian biểu thị độ dài thời gian ở dạng hệ số thời gian, ví dụ tại 1 hệ số thời gian của mạng RC, 63% tổng điện áp được tích lũy, trong khoảng thời gian sau hằng số thời gian 2X, 80% tổng điện áp được tích lũy bên trong tụ điện và vv.

Sau một thời gian không đổi là 5, gần như (nhưng không hoàn toàn), điện áp 100% có thể tích tụ trên tụ điện. Các hệ số phóng điện của tụ điện xảy ra theo cùng một cách cơ bản nhưng theo thứ tự nghịch đảo.

Nghĩa là cứ sau một khoảng thời gian bằng hằng số thời gian 5 thì điện áp đặt vào tụ điện sẽ giảm 100 - 63 = 37% điện áp toàn phần và cứ tiếp tục như vậy.

Tụ điện không bao giờ được sạc đầy hoặc đã xả

Về mặt lý thuyết, ít nhất, một tụ điện có thể không sạc đến mức điện áp đặt đầy đủ và nó cũng không thể phóng điện hoàn toàn.

Trong thực tế, sạc đầy, hoặc phóng tổng, có thể được coi là hoàn thành trong một khoảng thời gian tương ứng với 5 hằng số thời gian.

Do đó, trong mạch điện như hình dưới đây, công tắc cấp nguồn 1 sẽ gây ra điện tích 'đầy' trên tụ điện trong thời gian không đổi 5 x giây.

Tiếp theo, khi công tắc 1 được mở, tụ điện sau đó có thể ở trong tình huống mà nó sẽ lưu trữ một điện áp bằng với điện áp đặt thực tế. Và nó sẽ giữ điện tích này trong một khoảng thời gian không xác định với điều kiện là tụ điện không có rò rỉ bên trong.

Quá trình mất điện này thực sự sẽ cực kỳ chậm chạp, vì trong thế giới thực, không có tụ điện nào có thể hoàn hảo, tuy nhiên trong một khoảng thời gian quan trọng nhất định, điện tích tích trữ này có thể tiếp tục là nguồn hiệu quả của điện áp 'sạc đầy' ban đầu.

Khi tụ điện được đặt với điện áp cao, nó có thể nhanh chóng ở vị trí gây ra điện giật trong trường hợp chạm vào ngay cả khi mạch đã được ngắt nguồn.

Để thực hiện chu kỳ sạc / xả như được hiển thị trong sơ đồ đồ họa thứ hai ở trên, khi công tắc 2 đóng, tụ điện bắt đầu phóng điện qua điện trở được kết nối và mất một khoảng thời gian để hoàn thành quá trình phóng điện của nó.

Kết hợp RC trong Dao động thư giãn

Hình trên là một mạch dao động thư giãn rất cơ bản hoạt động theo lý thuyết phóng điện tích cơ bản của tụ điện.

Nó bao gồm một điện trở (R) và tụ điện (C) mắc nối tiếp với nguồn điện áp một chiều. Để có thể thấy hoạt động của mạch về mặt vật lý, Đèn neon được sử dụng song song với tụ điện.

Đèn hoạt động hầu như giống như một mạch hở cho đến khi điện áp đạt đến giới hạn điện áp ngưỡng của nó, khi nó ngay lập tức BẬT và dẫn dòng điện khá giống như một dây dẫn và bắt đầu phát sáng. Do đó, nguồn điện áp cung cấp cho dòng điện này phải cao hơn điện áp kích hoạt neon.

Làm thế nào nó hoạt động

Khi mạch được cấp nguồn ON, tụ điện bắt đầu sạc từ từ được xác định bởi hằng số thời gian RC. Bóng đèn bắt đầu nhận được một điện áp tăng được phát triển trên tụ điện.

Thời điểm điện tích này qua tụ điện đạt được giá trị có thể bằng điện áp bắn của đèn neon, thì đèn neon dẫn điện và bắt đầu sáng.

Khi điều này xảy ra, đèn neon tạo ra một đường phóng điện cho tụ điện và bây giờ tụ điện bắt đầu phóng điện. Điều này đến lượt nó gây ra sự sụt giảm điện áp trên neon và khi mức này thấp hơn điện áp bắn của neon, đèn sẽ TẮT và tắt.

Quá trình hiện tiếp tục khiến đèn neon BẬT TẮT nhấp nháy. Tốc độ hoặc tần số nhấp nháy phụ thuộc vào giá trị hằng số thời gian RC, có thể được điều chỉnh để cho phép tốc độ nhấp nháy chậm hoặc nhấp nháy nhanh.

Nếu chúng ta coi các giá trị linh kiện như trong sơ đồ, hằng số thời gian cho mạch T = 5 (megohms) x 0,1 (microfarads) = 0,5 giây.

Điều này ngụ ý rằng bằng cách thay đổi các giá trị RC, tốc độ nhấp nháy của đèn neon có thể được thay đổi tương ứng, tùy theo sở thích cá nhân.

Cấu hình RC trong mạch AC

Khi sử dụng dòng điện xoay chiều trong cấu hình RC, do tính chất xoay chiều của dòng điện, một nửa chu kỳ của dòng điện xoay chiều tích điện hiệu dụng cho tụ điện, và tương tự như vậy, nó được phóng điện với nửa chu kỳ âm tiếp theo. Điều này làm cho tụ điện luân phiên tích điện và phóng điện theo cực tính khác nhau của dạng sóng chu kỳ AC.

Do đó, trên thực tế, điện áp xoay chiều không được lưu trữ trong tụ điện mà được phép đi qua tụ điện. Tuy nhiên, dòng điện đi qua này bị hạn chế bởi một hằng số thời gian RC hiện có trong đường dẫn của mạch.

Các thành phần RC quyết định bằng bao nhiêu phần trăm điện áp đặt vào mà tụ điện được sạc và phóng điện. Đồng thời, tụ điện cũng có thể cung cấp một điện trở nhẹ cho sự đi qua của AC bằng cách điện trở, mặc dù điện trở này về cơ bản không tiêu thụ bất kỳ điện năng nào. Tác động chính của nó là trên đáp tuyến tần số liên quan đến mạch RC.

NỐI RC trong MẠCH AC

Ghép nối một giai đoạn cụ thể của mạch âm thanh với một giai đoạn khác thông qua tụ điện là cách thực hiện phổ biến và rộng rãi. Trong khi điện dung dường như được sử dụng độc lập, nó thực sự có thể liên quan đến điện trở nối tiếp tích phân được ký hiệu bằng thuật ngữ 'tải' như hình dưới đây.

Điện trở này, được hỗ trợ bởi tụ điện, làm phát sinh tổ hợp RC có thể chịu trách nhiệm tạo ra một hằng số thời gian nhất định.

Điều quan trọng là hằng số thời gian này bổ sung cho đặc điểm kỹ thuật của tần số tín hiệu AC đầu vào đang được chuyển từ giai đoạn này sang giai đoạn khác.

Nếu chúng ta giả sử ví dụ về mạch khuếch đại âm thanh, thì dải tần số đầu vào cao nhất có thể xấp xỉ khoảng 10 kHz. Chu kỳ khoảng thời gian của loại tần suất này sẽ là 1 / 10.000 = 0,1 mili giây.

Điều đó nói rằng, để cho phép tần số này, mỗi chu kỳ thực hiện hai đặc tính sạc / xả liên quan đến chức năng tụ điện ghép nối, một dương và một âm.

Do đó, khoảng thời gian cho một chức năng sạc / xả đơn lẻ sẽ là 0,05 mili giây.

Hằng số thời gian RC cần thiết để cho phép hoạt động này phải thỏa mãn giá trị 0,05 mili giây để đạt được 63% mức điện áp xoay chiều được cấp và về cơ bản ít hơn một chút để cho phép thông qua cao hơn 63 phần trăm điện áp đặt vào.

Tối ưu hóa hằng số thời gian RC

Các số liệu thống kê trên cung cấp cho chúng ta một ý tưởng về giá trị tốt nhất có thể của tụ điện ghép nối được sử dụng.

Để minh họa điều này, giả sử điện trở đầu vào bình thường của bóng bán dẫn công suất thấp có thể xấp xỉ 1 k. Hằng số thời gian của khớp nối RC hiệu quả nhất có thể là 0,05 mili giây (xem ở trên), có thể đạt được bằng các tính toán sau:

0,05 x 10 = 1.000 x C hoặc C = 0,05 x 10^-9farads = 0,50 pF (hoặc có thể thấp hơn một chút, vì điều đó sẽ cho phép điện áp cao hơn 63% đi qua tụ điện).

Nói một cách thực tế, giá trị điện dung lớn hơn nhiều thường có thể được thực hiện có thể lớn tới 1µF hoặc thậm chí hơn. Điều này thường có thể cung cấp kết quả được cải thiện, nhưng ngược lại có thể làm giảm hiệu quả của dẫn truyền khớp nối AC.

Ngoài ra, các tính toán cho thấy rằng ghép điện dung ngày càng kém hiệu quả hơn khi tần số xoay chiều tăng lên, khi các tụ điện thực được thực hiện trong các mạch ghép nối.

Sử dụng mạng RC trong MẠCH LỌC

Một sự sắp xếp RC tiêu chuẩn được thực hiện như một mạch lọc được thể hiện trong hình dưới đây.

Nếu chúng ta nhìn vào phía đầu vào, chúng ta thấy một điện trở mắc nối tiếp với điện trở điện dung, gây ra sự sụt giảm điện áp trên hai phần tử.

Trong trường hợp điện trở của tụ điện (Xc) cao hơn R, hầu như tất cả điện áp đầu vào tích tụ trên tụ điện và do đó điện áp đầu ra đạt được mức bằng với điện áp đầu vào.

Chúng ta biết rằng điện trở của tụ điện tỷ lệ nghịch với tần số, Điều này có nghĩa là, nếu tần số xoay chiều tăng lên sẽ làm cho điện trở giảm, dẫn đến điện áp đầu ra tăng tỷ lệ thuận (nhưng một phần đáng kể điện áp đầu vào sẽ bị điện trở giảm ).

Tần suất tới hạn là gì

Để đảm bảo việc ghép tín hiệu AC hiệu quả, chúng ta phải xem xét yếu tố được gọi là tần số tới hạn.

Ở tần số này, phần tử giá trị điện kháng có xu hướng bị ảnh hưởng nặng nề đến mức trong điều kiện đó, tụ điện ghép nối bắt đầu chặn tín hiệu thay vì dẫn hiệu quả.

Trong tình huống như vậy, tỷ lệ vôn (ra) / vôn (vào) bắt đầu giảm nhanh chóng. Điều này được minh họa dưới đây dưới dạng sơ đồ cơ bản.

Điểm tới hạn, được gọi là điểm cuộn hoặc tần số cắt (f) được đánh giá là:

fc = 1 / 2πRC

trong đó R là ohms, C là farads và Số Pi = 3,1416

Nhưng từ cuộc thảo luận trước, chúng ta biết rằng RC = hằng số thời gian T, do đó phương trình trở thành:

fc = 1 / 2πT

trong đó T là hằng số thời gian tính bằng giây.

Hiệu quả làm việc của loại bộ lọc này được đặc trưng bởi tần số cắt của chúng và bởi tốc độ mà tỷ lệ vôn (vào) / vôn (ra) bắt đầu giảm xuống trên ngưỡng tần số cắt.

Giá trị thứ hai thường được biểu thị bằng (một số) dB trên mỗi quãng tám (đối với mỗi tần số tăng gấp đôi), như được chỉ ra trong hình dưới đây, biểu thị mối quan hệ giữa tỷ lệ dB và vôn (in) / vôn (ra), đồng thời cung cấp đáp ứng tần số chính xác đường cong.

BỘ LỌC THẤP RC

Như tên cho thấy, bộ lọc thông thấp được thiết kế để truyền tín hiệu xoay chiều dưới tần số cắt với mức suy giảm hoặc suy giảm cường độ tín hiệu tối thiểu. Đối với các tín hiệu cao hơn tần số cắt, bộ lọc thông thấp tạo ra sự suy giảm tăng lên.

Có thể tính toán các giá trị thành phần chính xác cho các bộ lọc này. Ví dụ, một bộ lọc xước tiêu chuẩn thường được sử dụng trong các bộ khuếch đại có thể được chế tạo để làm giảm tần số trên 10 kHz. Giá trị cụ thể này biểu thị tần số cắt dự kiến ​​của bộ lọc.

BỘ LỌC CAO CẤP RC

Bộ lọc thông cao được thiết kế để hoạt động theo cách khác. Chúng làm suy giảm các tần số xuất hiện dưới tần số cắt, nhưng cho phép tất cả các tần số bằng hoặc trên tần số cắt đã đặt mà không có suy giảm.

Để thực hiện bộ lọc thông cao này, các thành phần RC trong mạch chỉ đơn giản được hoán đổi với nhau như được chỉ ra bên dưới.

Bộ lọc thông cao tương tự như đối tác thông thấp của nó. Chúng thường được sử dụng trong các bộ khuếch đại và thiết bị âm thanh, để loại bỏ tiếng ồn hoặc tiếng 'ầm ầm' được tạo ra bởi các tần số thấp vốn có, không mong muốn.

Tần số cắt đã chọn sẽ được loại bỏ phải đủ thấp để không xung đột với phản hồi âm trầm 'tốt'. Do đó, cường độ quyết định thường nằm trong khoảng từ 15 đến 20 Hz.

Tính toán tần số cắt RC

Chính xác, cần có cùng một công thức để tính tần số cắt này, do đó, với 20 Hz là ngưỡng cắt, chúng ta có:

20 = 1/2 x 3,14 x RC

RC = 125.

Điều này cho thấy rằng miễn là mạng RC được chọn sao cho sản phẩm của họ là 125 sẽ cho phép cắt tín hiệu thông cao dự kiến ​​dưới 20 Hz.

Trong các mạch thực tế, các bộ lọc như vậy thường được giới thiệu tại giai đoạn tiền khuếch đại , hoặc trong bộ khuếch đại ngay trước một mạch điều chỉnh âm sắc hiện có.

Đối với Thiết bị Hi-Fi , những mạch lọc bị cắt này thường phức tạp hơn nhiều so với những mạch được giải thích ở đây, để cho phép các điểm cắt với hiệu suất cao hơn và độ chính xác của điểm pin.

.