Com funcionen els circuits RC

En un circuit RC, s'utilitza una combinació o R (resistència) i C (condensador) en configuracions específiques per tal de regular el flux de corrent, per implementar la condició desitjada.

Un dels principals usos d’un condensador té la forma d’una unitat d’acoblament que permet passar el corrent altern però bloqueja la corrent continu. En gairebé qualsevol circuit pràctic, veureu algunes resistències unides en sèrie amb el condensador.

La resistència restringeix el flux de corrent i provoca un cert retard en la tensió d'alimentació alimentada al condensador provocant que s'acumuli una càrrega proporcional a la tensió alimentada.

RC Temps constant

La fórmula per determinar el temps de RC (T) és molt senzilla:

T = RC on T = constant de temps en segons R = resistència en megohms C = capacitat en microfarades.

(Es pot observar que es proporciona el mateix valor numèric per a T si R està en ohms i C en farads, però a la pràctica els megohms i les microfarads solen ser unitats molt més fàcils).

En un circuit RC, la constant de temps RC es pot definir com el temps que pren la tensió aplicada a través del condensador per assolir el 63% de la tensió aplicada.

(aquesta magnitud del 63% és realment preferida per facilitar el càlcul). A la vida real, el voltatge a través del condensador pot anar acumulant-se fins pràcticament (però mai del tot) al 100% de la tensió aplicada, tal com s’indica a la figura següent.

L'element constant de temps significa la durada del temps en forma de factor de temps, per exemple, en un factor de temps de la xarxa RC, s'acumula un 63% de voltatge total, en un període després de la constant de temps 2X, es crea un 80% de voltatge total a l'interior el condensador i així successivament.

Després d'una constant de temps de 5, pot augmentar gairebé (però no del tot) un 100% de tensió a través del condensador. Els factors de descàrrega d'un condensador es produeixen de la mateixa manera fonamental, però en la seqüència inversa.

És a dir, després d’un interval de temps igual a la constant de temps 5, la tensió aplicada al condensador aconseguirà una caiguda del 100 al 63 = 37% de la tensió completa, etc.

Els condensadors no es carreguen ni descarreguen mai completament

Teòricament, com a mínim, un condensador no es pot carregar de cap manera fins al nivell de tensió aplicat complet ni es pot descarregar completament.

En realitat, la càrrega completa o descàrrega total es pot considerar com realitzada en un període de temps que correspon a cinc constants de temps.

Per tant, al circuit com es mostra a continuació, l’interruptor d’alimentació 1 provocarà una càrrega “completa” al condensador en 5 x segons de constant constant de temps.

A continuació, quan s’obre el commutador 1, el condensador pot estar en una situació en què emmagatzemarà una tensió igual a la tensió real aplicada. I mantindrà aquesta càrrega durant un període de temps indefinit sempre que el condensador no tingui cap fuita interna.

Aquest procés de pèrdua de càrrega serà realment extremadament lent, ja que en el món real cap condensador no pot ser perfecte, tot i que durant cert període de temps significatiu aquesta càrrega emmagatzemada pot continuar sent una font efectiva del voltatge original de 'càrrega completa'.

Quan el condensador s’aplica amb una alta tensió, pot estar ràpidament en posició de provocar una descàrrega elèctrica en cas que es toqui fins i tot després d’apagar el circuit.

Per executar el cicle de càrrega / descàrrega tal com es mostra al segon diagrama gràfic anterior, quan l’interruptor 2 està tancat, el condensador comença a descarregar-se mitjançant la resistència connectada i triga un cert període de temps a realitzar el seu procés de descàrrega.

Combinació RC en oscil·lador de relaxació

La figura anterior és un circuit oscil·lador de relaxació molt bàsic que funciona mitjançant la teoria de descàrrega de càrrega bàsica d’un condensador.

Inclou una resistència (R) i un condensador (C) connectats en sèrie a una font de tensió de corrent continu. Per poder veure físicament el funcionament del circuit, a llum de neó s’utilitza en paral·lel al condensador.

La làmpada es comporta pràcticament com un circuit obert fins que la tensió arriba al seu límit de voltatge límit, quan s’encén instantàniament i condueix el corrent com un conductor i comença a brillar. Per tant, la font de tensió d'alimentació d'aquest corrent ha de ser superior a la del voltatge de neó.

Com funciona

Quan el circuit està engegat, el condensador comença lentament a carregar-se tal com determina la constant de temps de RC. La làmpada comença a rebre una tensió creixent que es desenvolupa a través del condensador.

En el moment en què aquesta càrrega a través del condensador aconsegueix un valor que pot ser igual al voltatge de cocció del neó, la làmpada de neó es condueix i comença a il·luminar-se.

Quan això passa, el neó crea un camí de descàrrega per al condensador i ara el condensador comença a descarregar-se. Al seu torn, això provoca una caiguda de la tensió a través del neó i, quan aquest nivell baixa per sota del voltatge de neó, el llum s'apaga i s'apaga.

Ara el procés continua provocant que el neó parpellegi ON OFF. La freqüència o freqüència de parpelleig depèn del valor de la constant de temps de RC, que es pot ajustar per permetre un parpelleig lent o ràpid.

Si considerem els valors dels components tal com es mostra al diagrama, la constant de temps per al circuit T = 5 (megohms) x 0,1 (microfarades) = 0,5 segons.

Això implica que, canviant els valors de RC, es pot canviar la velocitat de parpelleig del neó segons les preferències individuals.

Configuració RC en circuits AC

Quan s’utilitza una CA en una configuració RC, a causa de la naturalesa alterna del corrent, el mig cicle de la CA carrega el condensador de manera efectiva i, de la mateixa manera, es descarrega amb el següent mig cicle negatiu. Això fa que el condensador es carregui i descarregui alternativament en resposta a la polaritat variable de la forma d'ona del cicle de corrent altern.

A causa d'això, en efecte, les tensions de corrent altern no s'emmagatzemen al condensador, sinó que es permet passar pel condensador. No obstant això, aquest pas de corrent està restringit per una constant de temps RC existent en el recorregut del circuit.

Els components RC decideixen pel percentatge de la tensió aplicada que es carrega i descarrega el condensador. Simultàniament, el condensador també pot proporcionar una lleugera resistència al pas del corrent altern per la reactància, tot i que aquesta reactància bàsicament no consumeix cap energia. El seu principal impacte és en la resposta en freqüència del circuit RC.

ACOPLAMENT RC a CIRCUITS AC

L’acoblament d’una etapa particular d’un circuit d’àudio a una altra etapa mitjançant un condensador és una implementació habitual i generalitzada. Tot i que la capacitat sembla que s’utilitza de forma independent, en realitat pot estar relacionada amb una resistència de sèrie integral simbolitzada pel terme «càrrega», tal com es mostra a continuació.

Aquesta resistència, ajudada pel condensador, dóna lloc a una combinació de RC que pot ser responsable de generar una determinada constant de temps.

És crucial que aquesta constant de temps complementi l'especificació de la freqüència del senyal d'entrada d'entrada que s'està transferint d'una etapa a una altra.

Si suposem l’exemple d’un circuit amplificador d’àudio, el rang més alt de freqüència d’entrada podria ser aproximadament d’uns 10 kHz. El cicle del període de temps d’aquest tipus de freqüència serà d’1 / 10.000 = 0,1 milisegons.

Dit això, per tal de permetre aquesta freqüència, cada cicle implementa dues característiques de càrrega / descàrrega pel que fa a la funció del condensador d'acoblament, que són una positiva i una negativa.

Per tant, el període de temps per a una funcionalitat de càrrega / descàrrega solitària serà de 0,05 mil·lisegons.

La constant de temps de RC necessària per permetre aquest funcionament ha de satisfer el valor de 0,05 mil·lisegons per assolir el 63% del nivell de tensió de corrent altern i, essencialment, una mica inferior per permetre el pas superior al 63 per cent de la tensió aplicada.

Optimització de la constant de temps de RC

Les estadístiques anteriors ens proporcionen una idea sobre el millor valor possible del condensador d'acoblament a utilitzar.

Per il·lustrar-ho, suposem que la resistència d'entrada normal d'un transistor de baixa potència pot ser d'aproximadament 1 k. La constant de temps d'un acoblament RC més eficaç pot ser de 0,05 mil·lisegons (vegeu més amunt), cosa que es pot aconseguir amb els càlculs següents:

0,05 x 10 = 1.000 x C o C = 0,05 x 10^-9farads = 0,50 pF (o possiblement lleugerament inferior, ja que això permetria passar una tensió superior al 63% a través del condensador).

Pràcticament parlant, en general es podria implementar un valor de capacitat molt més gran que pot arribar fins a 1 µF o fins i tot més. Normalment, això pot proporcionar resultats millorats, però al contrari pot provocar una reducció de l'eficiència de la conducció de l'acoblament de corrent altern.

A més, els càlculs suggereixen que l'acoblament capacitiu esdevé cada vegada més ineficient a mesura que augmenta la freqüència de corrent altern, quan s'implementen condensadors reals en circuits d'acoblament.

Utilització de la xarxa RC als FILTRES CIRCUITS

Un acord RC estàndard implementat com a circuit de filtre es mostra a la figura següent.

Si observem el costat d’entrada, trobem una resistència connectada en sèrie amb una reactància capacitiva, que provoca una caiguda de tensió entre els dos elements.

En cas que la reactància del condensador (Xc) sigui superior a R, gairebé tota la tensió d'entrada s'acumula a través del condensador i, per tant, la tensió de sortida assoleix el nivell igual al voltatge d'entrada.

Sabem que la reactància del condensador és inversament proporcional a la freqüència, això implica que, si augmenta la freqüència de CA, la reactància disminuirà, cosa que farà que la tensió de sortida augmenti la proporcionalitat (però la resistència caurà una part important de la tensió d’entrada). ).

Què és la freqüència crítica

Per tal d’assegurar un acoblament eficient del senyal de corrent altern, hem de considerar el factor anomenat freqüència crítica.

A aquesta freqüència, l'element del valor de reactància tendeix a quedar tan afectat que, en aquestes condicions, el condensador d'acoblament comença a bloquejar el senyal en lloc de conduir-lo de manera eficient.

En aquesta situació, la proporció de volts (sortida) / volts (in) comença a disminuir ràpidament. Això es demostra a continuació en forma diagramàtica bàsica.

El punt crític, anomenat punt de llançament o freqüència de tall (f) s’avalua com:

fc = 1 / 2πRC

on R és en ohms, C és en farades i Pi = 3.1416

Però a partir de la discussió anterior sabem que RC = constant de temps T, per tant l'equació es converteix en:

fc = 1 / 2πT

on T és la constant de temps en segons.

L'eficiència de treball d'aquest tipus de filtre es caracteritza per la seva freqüència de tall i per la velocitat a través de la qual la relació volts (in) / volts (out) comença a baixar per sobre del llindar de freqüència de tall.

Aquest últim es representa generalment com (alguns) dB per octava (per cada freqüència duplicada), tal com s’indica a la figura següent, que mostra la relació entre dB i la proporció volts (in) / volts (out), i també proporciona una resposta de freqüència precisa corba.

FILTRES RC LOW-PASS

Com el seu nom indica, filtres de pas baix estan dissenyats per passar senyals de corrent altern per sota de la freqüència de tall amb una mínima pèrdua o atenuació de la intensitat del senyal. Per als senyals que superin la freqüència de tall, el filtre de pas baix genera una major atenuació.

És possible calcular els valors exactes dels components per a aquests filtres. A tall d’exemple, es podria construir un filtre de ratllat estàndard que s’utilitza normalment en amplificadors per atenuar les freqüències superiors, per exemple, a 10 kHz. Aquest valor específic significa la freqüència de tall prevista del filtre.

FILTRES RC D'ALT PASS

Els filtres de pas alt estan dissenyats per funcionar al revés. Atenuen les freqüències que apareixen per sota de la freqüència de tall, però permeten totes les freqüències igual o superior a la freqüència de tall configurada sense atenuació.

Per aconseguir aquesta implementació del filtre de pas alt, els components RC del circuit simplement es canvien entre ells tal com s’indica a continuació.

Un filtre de pas alt és similar al seu homòleg de pas baix. Aquests s'utilitzen generalment en amplificadors i dispositius d'àudio, per eliminar el soroll o el 'rebombori' generat per les freqüències baixes inherents i no desitjades.

La freqüència de tall seleccionada que s'ha d'eliminar hauria de ser prou baixa perquè no entri en conflicte amb la 'bona' ​​resposta dels greus. Per tant, la magnitud decidida se situa normalment entre 15 i 20 Hz.

Càlcul de freqüència de tall RC

Precisament, es requereix la mateixa fórmula per calcular aquesta freqüència de tall, per tant, amb 20 Hz com a llindar de tall que tenim:

20 = 1/2 x 3,14 x RC

RC = 125.

Això indica que, sempre que la xarxa RC estigui seleccionada de manera que el seu producte sigui 125, es permetrà el tall previst de pas alt per sota dels senyals de 20 Hz.

En circuits pràctics, aquests filtres normalment s'introdueixen al etapa de preamplificador , o a l'amplificador immediatament abans d'un circuit de control de to existent.

Per a Dispositius d'alta fidelitat , aquests circuits de filtre de tall solen ser molt més sofisticats que els que s’expliquen aquí, per permetre els punts de tall amb major eficiència i precisió del punt de pin.

.