Celú elektroniku je možné rozdeliť do dvoch širokých kategórií, jednou sú aktívne komponenty a druhou pasívne súčiastky. Pasívne komponenty zahŕňajú rezistor (R), kondenzátor (C) a induktor (L). Toto sú tri najpoužívanejšie komponenty v elektronickom obvode a nájdete ich takmer v každom aplikačnom obvode. Tieto tri komponenty spolu v rôznych kombináciách budú tvoriť obvody RC, RL a RLC a majú mnoho aplikácií ako napríklad od filtračných obvodov, trubicových tlmiviek, multivibrátorov atď. Takže v tomto výučbe sa naučíme základné z týchto obvodov, teóriu v pozadí ich a ako ich používať v našich obvodoch.
Predtým, ako prejdeme k hlavným témam, pochopíme, čo R, L a C robia v obvode.
Rezistor: Rezistory sú označené písmenom „R“. Rezistor je prvok, ktorý rozptyľuje energiu väčšinou vo forme tepla. Bude mať na sebe pokles napätia, ktorý zostane fixný pre pevnú hodnotu prúdu, ktorý ním preteká.
Kondenzátor: Kondenzátory sú označené písmenom „C“. Kondenzátor je prvok, ktorý akumuluje energiu (dočasne) vo forme elektrického poľa. Kondenzátor odoláva zmenám napätia. Existuje veľa druhov kondenzátorov, z ktorých sa väčšinou používajú keramický kondenzátor a elektrolytické kondenzátory. Nabíjajú sa jedným smerom a vybíjajú sa opačným smerom
Induktor: Induktory sú označené písmenom „L“. Induktor je tiež podobný kondenzátoru, tiež akumuluje energiu, ale je ukladaný vo forme magnetického poľa. Induktory odolávajú zmenám prúdu. Induktory sú zvyčajne drôt s cievkou a v porovnaní s prvými dvoma komponentmi sa používajú zriedka.
Keď sú tieto rezistory, kondenzátory a induktory spojené, môžeme vytvoriť obvody ako RC, RL a RLC obvody, ktoré vykazujú časovo a frekvenčne závislé odozvy, ktoré budú užitočné v mnohých AC aplikáciách, ako už bolo spomenuté. RC / RL / RLC obvod môže byť použitý ako filter, oscilátor a ešte oveľa viac, nie je možné pokryť všetky aspekty v tomto kurze, takže sa budeme učiť základné správanie z nich v tomto výukovom programe.
Základný princíp obvodov RC / RL a RLC:
Predtým, ako začneme s každou témou, pochopme, ako sa správajú rezistor, kondenzátor a induktor v elektronickom obvode. Z dôvodu porozumenia zvážme jednoduchý obvod pozostávajúci z kondenzátora a odporu zapojeného do série s napájacím zdrojom (5 V). V tomto prípade, keď je napájací zdroj pripojený k dvojici RC, napätie na rezistore (Vr) sa zvýši na svoju maximálnu hodnotu, zatiaľ čo napätie na kondenzátore (Vc) zostane na nule, potom sa kondenzátor začne pomaly zvyšovať a tým napätie na rezistore sa zníži a napätie na kondenzátore sa bude zvyšovať, kým napätie rezistora (Vr) nedosiahne nulu a napätie kondenzátora (Vc) nedosiahne svoju maximálnu hodnotu. Obvod a tvar vlny je možné vidieť v GIF nižšie
Analyzujme vlnovú formu na obrázku vyššie, aby sme pochopili, čo sa v obvode skutočne deje. Dobre ilustrovaný priebeh je znázornený na obrázku nižšie.
Keď je spínač zapnutý, napätie na rezistore (červená vlna) dosiahne maximum a napätie na kondenzátore (modrá vlna) zostáva na nule. Potom sa kondenzátor nabije a Vr sa stane nulou a Vc sa stane maximom. Podobne, keď je spínač vypnutý, kondenzátor sa vybíja, a preto sa záporné napätie objaví na rezistore a pri vybití kondenzátora sa kondenzátor aj napätie rezistora stane nulovým, ako je uvedené vyššie.
To isté je možné vizualizovať aj pre tlmivky. Nahraďte kondenzátor induktorom a tvar vlny sa iba zrkadlí, to znamená, že napätie na rezistore (Vr) bude po zapnutí spínača nulové, pretože celé napätie sa objaví na induktore (Vl). Keď sa induktor nabíja na napätie naprieč (Vl), dosiahne nulu a napätie na rezistore (Vr) dosiahne maximálne napätie.
RC obvod:
RC obvod (odpor kondenzátora obvod) sa skladá z kondenzátora a rezistora pripojený buď do série alebo paralelne k napätiu alebo prúdu zdroja. Tieto typy obvodov sa tiež nazývajú RC filtre alebo RC siete, pretože sa najčastejšie používajú pri filtrovaní. Obvod RC možno použiť na výrobu niektorých surových filtrov, ako sú nízkopriechodové, hornopásmové a pásmové filtre. Prvého poriadku RC obvod bude skladať iba jeden odpor a jeden kondenzátor a budeme analyzovať rovnaká v tomto kurze
Aby sme pochopili obvod RC, vytvorme základný obvod na proteus a pripojme záťaž v celom rozsahu k analýze jeho správania. Obvod spolu s priebehom vlny je uvedený nižšie
Pripojili sme záťaž (žiarovku) známeho odporu 1 kOhm do série s kondenzátorom 470uF na vytvorenie RC obvodu. Obvod je napájaný batériou 12V a na jeho zatvorenie a otvorenie sa používa spínač. Tvar vlny sa meria cez záťažovú žiarovku a na obrázku vyššie je zobrazený žltou farbou.
Spočiatku, keď je spínač otvorený, sa na odporovej záťaži žiarovky (Vr) objaví maximálne napätie (12V) a napätie na kondenzátore bude nulové. Keď je spínač zopnutý, napätie na rezistore poklesne na nulu a potom, ako sa kondenzátor nabíja, napätie dosiahne späť na maximum, ako je znázornené v grafe.
Čas potrebný na nabitie kondenzátora je daný vzorcami T = 5Ƭ, kde „Ƭ“ predstavuje tou (Časová konštanta).
Vypočítajme čas potrebný na nabitie kondenzátora v obvode.
Ƭ = RC = (1 000 * (470 * 10 ^ -6)) = 0,47 sekundy T = 5Ƭ = (5 * 0,47) T = 2,35 sekundy.
Vypočítali sme, že čas potrebný na nabitie kondenzátora bude 2,35 sekundy, to isté sa dá overiť aj z vyššie uvedeného grafu. Čas potrebný na to, aby Vr dosiahol od 0 V do 12 V, sa rovná času potrebnému na nabitie kondenzátora z 0 V na maximálne napätie. Graf je znázornený pomocou kurzorov na obrázku nižšie.
Podobne môžeme tiež vypočítať napätie na kondenzátore v ktoromkoľvek danom čase a prúd cez kondenzátor v danom okamihu pomocou nasledujúcich vzorcov
V (t) = V B (1 - e- t / RC) I (t) = I o (1 - e -t / RC)
Kde, V B je napätie batérie a I o je výstupný prúd obvodu. Hodnota t je čas (v sekundách), v ktorom sa musí vypočítať hodnota napätia alebo prúdu kondenzátora.
Obvod RL:
RL obvod (rezistor Induktor obvod) sa skladá z induktora a rezistor opäť spojená buď do série alebo paralelne. Sériový RL obvod bude poháňaný zdrojom napätia a paralelný RL obvod bude poháňaný prúdovým zdrojom. Obvod RL sa bežne používajú ako pasívne filtre, obvod RL prvého poriadku s iba jedným induktorom a jedným kondenzátorom je uvedený nižšie.
Podobne v RL obvode musíme nahradiť Kondenzátor induktorom. Predpokladá sa, že žiarovka funguje ako čisto odporová záťaž a odpor žiarovky je nastavený na známu hodnotu 100 ohmov.
Keď je obvod otvorený, napätie na odporovej záťaži bude maximálne a keď je spínač zopnutý, napätie z batérie sa rozdelí medzi induktor a odporovú záťaž. Induktor sa rýchlo nabíja, a preto odporová záťaž R zaznamená náhly pokles napätia.
Čas potrebný na nabitie induktora sa dá vypočítať pomocou vzorca T = 5Ƭ, kde „Ƭ“ predstavuje tou (Časová konštanta).
Vypočítajme čas potrebný na nabitie nášho induktora v obvode. Tu sme použili induktor s hodnotou 1 mH a odpor s hodnotou 100 Ohm
Ƭ = L / R = (1 * 10 ^ -3) / (100) = 10 ^ -5 sekúnd T = 5Ƭ = (5 * 10 ^ -5) = 50 * 10 ^ -6 T = 50 u sekúnd.
Podobne môžeme tiež vypočítať napätie cez induktor v ktoromkoľvek danom čase a prúd cez induktor v danom okamihu pomocou nasledujúcich vzorcov
V (t) = V B (1 - e- tR / L) I (t) = I o (1 - e- tR / L)
Kde, V B je napätie batérie a I o je výstupný prúd obvodu. Hodnota t je čas (v sekundách), v ktorom sa musí vypočítať hodnota napätia alebo prúdu induktora.
Obvod RLC:
RLC obvod ako vyplýva z názvu sa bude skladať z rezistor, kondenzátor a induktor pripojený v sérii alebo paralelne. Obvod tvorí obvod oscilátora, ktorý sa veľmi často používa v rádiových prijímačoch a televízoroch. Taktiež sa veľmi často používa ako tlmiace obvody v analógových aplikáciách. Ďalej je diskutovaná rezonančná vlastnosť RLC obvodu prvého rádu
RLC obvod je tiež nazývaný ako séria rezonančný obvod, oscilačného obvodu alebo ladeného obvodu. Tieto obvody majú schopnosť poskytovať rezonančný frekvenčný signál, ako je znázornené na nasledujúcom obrázku
Tu máme kondenzátor C1 100u a induktor L1 10mH pripojený pomocou prepínača k cínovej sérii. Pretože drôt spájajúci C a L bude mať určitý vnútorný odpor, predpokladá sa, že v dôsledku drôtu je prítomný malý odpor.
Spočiatku nechávame spínač 2 ako otvorený a zatvorený spínač 1, aby sa kondenzátor nabil zo zdroja batérie (9 V). Potom, akonáhle je kondenzátor nabitý, spínač 1 sa otvorí a potom sa spínač 2 zatvorí.
Len čo je spínač zopnutý, náboj uložený v kondenzátore sa posunie smerom k induktoru a nabije ho. Keď je kondenzátor úplne vybitý, induktor sa začne vybíjať späť do kondenzátora, takže medzi induktorom a kondenzátorom budú náboje prúdiť tam a späť. Pretože však počas tohto procesu dôjde k určitej strate poplatkov, celkový poplatok sa bude postupne znižovať, až kým nedosiahne nulu, ako je znázornené v grafe vyššie.
Aplikácie:
Rezistory, induktory a kondenzátory môžu byť normálnymi a jednoduchými súčasťami, ale keď sa spoja do jedného obvodu, ako je obvod RC / RL a RLC, prejavia sa komplexným správaním, ktoré ho robí vhodným pre širokú škálu aplikácií. Niektoré z nich sú uvedené nižšie
- Komunikačné systémy
- Spracovanie signálu
- Zväčšenie napätia / prúdu
- Vysielače rádiových vĺn
- RF zosilňovače
- Rezonančný LC obvod
- Variabilné ladenie obvodov
- Obvody oscilátora
- Filtračné obvody