Цялата част от електронните компоненти може да се раздели на две широки категории, като едната е активните компоненти, а другата като пасивни компоненти. Пасивните компоненти включват резистор (R), кондензатор (C) и индуктор (L). Това са трите най-използвани компонента в електрониката и ще ги намерите в почти всяка схема на приложение. Тези три компонента заедно в различни комбинации ще образуват RC, RL и RLC вериги и те имат много приложения като от филтриращи вериги, лампи на тръби, мултивибратори и т.н. Така че в този урок ще научим основните за тези вериги, теорията зад тях тях и как да ги използваме в нашите вериги.
Преди да преминем към основните теми, нека разберем какво правят R, L и C във верига.
Резистор: Резисторите са обозначени с буквата „R“. Резисторът е елемент, който разсейва енергията най-вече под формата на топлина. На него ще има спад на напрежението, който остава фиксиран за фиксирана стойност на тока, протичащ през него.
Кондензатор: Кондензаторите са обозначени с буквата „C“. Кондензаторът е елемент, който съхранява енергия (временно) под формата на електрическо поле. Кондензаторът се противопоставя на промените в напрежението. Има много видове кондензатори, от които се използват най-вече керамичният кондензатор и електролитните кондензатори. Те се зареждат в една посока и се разреждат в обратна посока
Индуктор: Индукторите се означават с буквата „L“. Индукторът също е подобен на кондензатора, той също съхранява енергия, но се съхранява под формата на магнитно поле. Индукторите се противопоставят на променящия се ток. Индукторите обикновено са намотана тел и рядко се използват в сравнение с предишните два компонента.
Когато тези резистор, кондензатор и индуктори се съберат, ние можем да формираме вериги като RC, RL и RLC верига, която показва зависими от времето и честотата реакции, които ще бъдат полезни в много приложения за променлив ток, както вече споменахме. А RC / РС / RLC верига може да се използва като филтър, осцилатор и още много други, не е възможно да покрие всеки аспект в този урок, така че ние ще научите основната поведението на тях в този урок.
Основен принцип на RC / RL и RLC вериги:
Преди да започнем с всяка тема, нека разберем как се държат резистор, кондензатор и индуктор в електронна схема. За целите на разбирането нека разгледаме проста схема, състояща се от кондензатор и резистор последователно с захранване (5V). В този случай, когато захранването е свързано към RC двойката, напрежението на резистора (Vr) се увеличава до максималната си стойност, докато напрежението на кондензатора (Vc) остава нула, след което бавно кондензаторът започва да изгражда заряд и по този начин напрежението на резистора ще намалее и напрежението на кондензатора ще се увеличава, докато напрежението на резистора (Vr) достигне нула и напрежението на кондензатора (Vc) достигне максималната си стойност. Веригата и формата на вълната могат да се видят в GIF по-долу
Нека анализираме формата на вълната в горното изображение, за да разберем какво всъщност се случва във веригата. Добре илюстрирана форма на вълната е показана на изображението по-долу.
Когато превключвателят е включен, напрежението на резистора (червена вълна) достига своя максимум и напрежението на кондензатора (синя вълна) остава нула. Тогава кондензаторът се зарежда и Vr става нула, а Vc става максимален. По същия начин, когато превключвателят е изключен, кондензаторът се разрежда и следователно отрицателното напрежение се появява в резистора и тъй като кондензаторът се разрежда както кондензаторът, така и напрежението на резистора става нула, както е показано по-горе.
Същото може да се визуализира и за индукторите. Заменете кондензатора с индуктор и формата на вълната просто ще бъде огледална, т.е.напрежението на резистора (Vr) ще бъде нула, когато превключвателят е включен, тъй като цялото напрежение ще се появи през индуктора (Vl). Тъй като индукторът зарежда напрежението на (Vl), той ще достигне нула и напрежението на резистора (Vr) ще достигне максималното напрежение.
RC верига:
В RC верига (Резистор кондензатор Circuit) се състои от кондензатор и резистор, свързан или последователно или успоредно на напрежение или източник на ток. Този тип вериги се наричат още като RC филтри или RC мрежи, тъй като те най-често се използват във филтриращи приложения. RC верига може да се използва за направата на някои сурови филтри като нискочестотни, високочестотни и лентови филтри. А първи ред RC верига ще се състои от само един резистор и един кондензатор и ние ще анализираме по същия начин в този урок
За да разберем RC веригата, нека създадем основна верига на proteus и свържем товара през обхвата, за да анализираме как се държи. Веригата заедно с формата на вълната е дадена по-долу
Свързахме натоварване (крушка) с известно съпротивление 1k Ohms последователно с кондензатор 470uF, за да образуваме RC верига. Веригата се захранва от 12V батерия и се използва превключвател за затваряне и отваряне на веригата. Формата на вълната се измерва в крушката на товара и е показана в жълт цвят на изображението по-горе.
Първоначално, когато превключвателят е отворен, максималното напрежение (12V) се появява през натоварването на резистивната крушка (Vr) и напрежението на кондензатора ще бъде нула. Когато превключвателят е затворен, напрежението на резистора ще падне до нула и след това, когато кондензаторът се зарежда, напрежението ще достигне максимално, както е показано на графиката.
Времето, необходимо на кондензатора да се зареди, се дава от формулите T = 5Ƭ, където „Ƭ“ представлява tou (константа на времето).
Нека изчислим времето, необходимо на нашия кондензатор да се зареди във веригата.
Ƭ = RC = (1000 * (470 * 10 ^ -6)) = 0,47 секунди T = 5Ƭ = (5 * 0,47) T = 2,35 секунди.
Изчислихме, че времето, необходимо за зареждане на кондензатора, ще бъде 2,35 секунди, същото може да се провери и от графиката по-горе. Времето, необходимо за достигане на Vr от 0V до 12V, е равно на времето, необходимо на кондензатора да се зареди от 0V до максимално напрежение. Графиката е илюстрирана с помощта на курсорите на изображението по-долу.
По същия начин можем също да изчислим напрежението на кондензатора по всяко време и тока през кондензатора по всяко време, като използваме формулите по-долу
V (t) = V B (1 - e -t / RC) I (t) = I o (1 - e -t / RC)
Където V B е напрежението на батерията, а I o е изходният ток на веригата. Стойността на t е времето (в секунди), в което трябва да се изчисли стойността на напрежението или тока на кондензатора.
RL верига:
В RL веригата (Резистор Индуктор Circuit) се състои от индуктор и резистор отново свързан или последователно или паралелно. Последователна RL верига ще се задвижва от източник на напрежение, а паралелна RL верига ще се задвижва от източник на ток. RL верига обикновено се използва като пасивни филтри, RL схема от първи ред само с един индуктор и един кондензатор е показана по-долу
По същия начин в RL верига трябва да заменим кондензатора с индуктор. Предполага се, че електрическата крушка действа като чисто съпротивителен товар и съпротивлението на крушката е настроено на известна стойност от 100 ома.
Когато веригата е отворена, напрежението на резистивния товар ще бъде максимално и когато ключът е затворен, напрежението от батерията се споделя между индуктора и резистивния товар. Индукторът се зарежда бързо и следователно резистивният товар R. ще изпита внезапен спад на напрежението
Времето, необходимо за зареждане на индуктора, може да бъде изчислено по формулата T = 5Ƭ, където „Ƭ“ представлява tou (константа на времето).
Нека изчислим времето, необходимо на нашия индуктор да се зареди във веригата. Тук сме използвали индуктор на стойност 1mH и резистор на стойност 100 Ohms
Ƭ = L / R = (1 * 10 ^ -3) / (100) = 10 ^ -5 секунди T = 5Ƭ = (5 * 10 ^ -5) = 50 * 10 ^ -6 T = 50 u секунди.
По същия начин можем също да изчислим напрежението на индуктора по всяко време и тока през индуктора по всяко време, като използваме формулите по-долу
V (t) = V B (1 - e -tR / L) I (t) = I o (1 - e -tR / L)
Където V B е напрежението на батерията, а I o е изходният ток на веригата. Стойността на t е времето (в секунди), при което трябва да се изчисли стойността на напрежението или тока на индуктора.
RLC верига:
А RLC верига, както подсказва името ще се състои от резистор, кондензатор и Inductor свързани в серии или паралелно. Веригата образува осцилаторна верига, която се използва много често в радиоприемници и телевизори. Също така се използва много често като амортисьорни вериги в аналогови приложения. Резонансното свойство на RLC верига от първи ред е обсъдено по-долу
В веригата RLC се нарича също като серия резонансна верига, осцилираща верига или настроена верига. Тези схеми имат способността да осигуряват резонансен честотен сигнал, както е показано на изображението по-долу
Тук имаме кондензатор C1 от 100u и индуктор L1 от 10mH, свързани от серия калай през превключвател. Тъй като проводникът, който свързва C и L, ще има известно вътрешно съпротивление, се приема, че поради жицата има малко съпротивление.
Първоначално държим превключвателя 2 отворен и затваряме превключвателя 1, за да заредим кондензатора от източника на батерията (9V). След това, след като кондензаторът се зареди, превключвателят 1 се отваря и след това превключвателят 2 се затваря.
Веднага щом превключвателят е затворен, зареденият в кондензатора заряд ще се придвижи към индуктора и ще го зареди. След като кондензаторът е напълно разреден, индукторът ще започне да се разрежда обратно в кондензатора, като по този начин зарядите ще текат напред-назад между индуктора и кондензатора. Но тъй като ще има известна загуба на заряди по време на този процес, общият заряд постепенно ще намалява, докато достигне нула, както е показано на графиката по-горе.
Приложения:
Резисторите, индукторите и кондензаторите може да са нормални и прости компоненти, но когато се комбинират, за да образуват вериги като RC / RL и RLC верига, те показват сложно поведение, което го прави подходящ за широк спектър от приложения. Малко от тях са изброени по-долу
- Комуникационни системи
- Обработка на сигнала
- Увеличение на напрежението / тока
- Предаватели на радиовълни
- RF усилватели
- Резонансна LC верига
- Вериги с променлива мелодия
- Осцилаторни вериги
- Филтриращи вериги