Цілі електронні компоненти можна розділити на дві широкі категорії, одна з яких - активні компоненти, а інша - як пасивні. До пасивних компонентів належать резистор (R), конденсатор (C) та індуктор (L). Це три найбільш часто використовувані компоненти в електронній схемі, і ви знайдете їх майже у всіх схемах застосування. Ці три компоненти разом у різних комбінаціях утворюють схеми RC, RL та RLC, і вони мають багато застосувань, таких як фільтрувальні схеми, лампові дроселі, мультивібратори тощо. Отже, у цьому посібнику ми дізнаємося основи цих схем, теорію, що лежить в основі їх і як використовувати їх у наших схемах.
Перш ніж перейти до основних тем, давайте зрозуміємо, що R, L і C роблять у ланцюзі.
Резистор: Резистори позначаються літерою “R”. Резистор - це елемент, який розсіює енергію переважно у формі тепла. На ньому буде падіння напруги, яке залишається фіксованим для фіксованого значення струму, що протікає через нього.
Конденсатор: конденсатори позначаються літерою "С". Конденсатор - це елемент, який накопичує енергію (тимчасово) у вигляді електричного поля. Конденсатор протистоїть змінам напруги. Існує багато типів конденсаторів, з яких переважно використовуються керамічний конденсатор та електролітичні конденсатори. Вони заряджаються в одному напрямку, а розряджаються в протилежному
Індуктор: Індуктори позначаються літерою “L”. Індуктор також схожий на конденсатор, він також зберігає енергію, але зберігається у формі магнітного поля. Індуктори протистоять змінам струму. Індуктори, як правило, являють собою намотаний дріт, який рідко використовується порівняно з попередніми двома компонентами.
Коли ці резистори, конденсатори та індуктори скомпоновані, ми можемо сформувати такі схеми, як схеми RC, RL та RLC, які відображають залежні від часу та частоти відгуки, які будуть корисні у багатьох додатках змінного струму, як уже згадувалося. Схема RC / RL / RLC може бути використана як фільтр, генератор та багато іншого. Неможливо охопити всі аспекти цього підручника, тому ми дізнаємось про основну поведінку цих елементів у цьому посібнику.
Основний принцип роботи схем RC / RL та RLC:
Перш ніж ми почнемо з кожної теми, давайте зрозуміємо, як резистор, конденсатор та індуктор поводяться в електронній схемі. З метою розуміння розглянемо просту схему, що складається з конденсатора та резистора послідовно з джерелом живлення (5 В). У цьому випадку, коли джерело живлення підключено до пари RC, напруга на резисторі (Vr) збільшується до максимального значення, тоді як напруга на конденсаторі (Vc) залишається нульовим, тоді повільно конденсатор починає нарощувати заряд і, отже, напруга на резисторі зменшиться, а напруга на конденсаторі зростатиме, поки напруга резистора (Vr) не досягне нуля, а напруга конденсатора (Vc) досягне максимального значення. Схему та хвильову форму можна побачити у GIF нижче
Давайте проаналізуємо форму хвилі на зображенні вище, щоб зрозуміти, що насправді відбувається в ланцюзі. Добре ілюстрована форма сигналу показана на зображенні нижче.
Коли перемикач включений, напруга на резисторі (червона хвиля) досягає свого максимуму, а напруга на конденсаторі (синя хвиля) залишається рівною нулю. Потім конденсатор заряджається і Vr стає нулем, а Vc стає максимальним. Подібним чином, коли вимикач вимкнений, конденсатор розряджається, а отже, негативна напруга з'являється на резисторі, і коли конденсатор розряджається, напруга конденсатора і резистора стає нульовою, як показано вище.
Те саме можна візуалізувати і для індукторів. Замініть конденсатор на індуктор, і форма сигналу буде просто дзеркальною, тобто напруга на резисторі (Vr) буде нульовою, коли перемикач увімкнений, оскільки вся напруга з'явиться на індукторі (Vl). Коли індуктор заряджає напругу на (Vl), він досягне нуля, а напруга на резисторі (Vr) досягне максимальної напруги.
RC-схема:
Схема RC (схема конденсатора резистора) буде складатися з конденсатора та резистора, підключених послідовно або паралельно до джерела напруги або струму. Ці типи схем також називають RC-фільтрами або RC-мережами, оскільки вони найчастіше використовуються у фільтруючих програмах. RC-схема може бути використана для виготовлення деяких сирих фільтрів, таких як фільтри низьких частот, високочастотні та смугові частоти. Схема RC першого порядку буде складатися лише з одного резистора та одного конденсатора, і ми проаналізуємо те саме в цьому посібнику
Щоб зрозуміти схему RC, давайте створимо базову схему на Proteus і підключимо навантаження по всій області дії, щоб проаналізувати, як вона поводиться. Схема разом з осцилограмою подана нижче
Ми підключили навантаження (лампочку) відомого опору 1 кОм послідовно до конденсатора 470 мкФ, щоб сформувати RC-ланцюг. Схема живиться від акумулятора 12 В, а перемикач використовується для розмикання та розмикання ланцюга. Форма сигналу вимірюється по всій грузі навантаження і відображається жовтим кольором на зображенні вище.
Спочатку, коли перемикач розімкнений, максимальна напруга (12 В) з'являється на резистивному навантаженні лампочки (Vr), і напруга на конденсаторі дорівнює нулю. Коли перемикач замкнутий, напруга на резисторі впаде до нуля, а потім у міру заряджання конденсатора напруга досягне максимального значення, як показано на графіку.
Час, необхідний для зарядки конденсатора, визначається формулами T = 5Ƭ, де “Ƭ” являє собою tou (постійну часу).
Давайте обчислимо час, протягом якого наш конденсатор заряджається в ланцюзі.
Ƭ = RC = (1000 * (470 * 10 ^ -6)) = 0,47 секунди T = 5Ƭ = (5 * 0,47) T = 2,35 секунди.
Ми підрахували, що час, необхідний для заряджання конденсатора, становитиме 2,35 секунди, те ж саме можна перевірити на графіку вище. Час, необхідний для досягнення Vr від 0 до 12 В, дорівнює часу, необхідному для зарядки конденсатора від 0 до максимальної напруги. Графік проілюстровано за допомогою курсорів на зображенні нижче.
Подібним чином ми також можемо розрахувати напругу на конденсаторі в будь-який момент часу і струм через конденсатор у будь-який момент часу, використовуючи формули нижче
V (t) = V B (1 - e -t / RC) I (t) = I o (1 - e -t / RC)
Де, V B - напруга акумулятора, а I o - вихідний струм ланцюга. Значення t - це час (у секундах), за який необхідно обчислити значення напруги або струму конденсатора.
Схема RL:
Схема RL (схема індуктора резистора) буде складатися з індуктора і резистора, знову з'єднаних послідовно або паралельно. Послідовний ланцюг RL буде приводитися в дію від джерела напруги, а паралельний ланцюг RL - від джерела струму. Схема RL зазвичай використовується в якості пасивних фільтрів, схема RL першого порядку лише з однією індуктивністю та одним конденсатором показана нижче
Подібним чином у схемі RL ми повинні замінити конденсатор індуктором. Передбачається, що лампочка діє як чисте резистивне навантаження, а опір лампочки встановлюється на відоме значення 100 Ом.
Коли ланцюг розімкнуто, напруга на резистивному навантаженні буде максимальним, а коли перемикач закритий, напруга від акумулятора розподіляється між індуктивністю та резистивним навантаженням. Індуктор швидко заряджається, і, отже, раптове падіння напруги зазнає резистивне навантаження R.
Час, необхідний для зарядки індуктора, можна розрахувати за формулою T = 5Ƭ, де “Ƭ” являє собою tou (постійну часу).
Давайте обчислимо час, за який наш індуктор заряджається в ланцюзі. Тут ми використовували індуктивність значення 1mH та резистор значення 100 Ом
Ƭ = L / R = (1 * 10 ^ -3) / (100) = 10 ^ -5 секунд T = 5Ƭ = (5 * 10 ^ -5) = 50 * 10 ^ -6 T = 50 u секунд.
Подібним чином, ми також можемо розрахувати напругу на індукторі в будь-який момент часу і струм через індуктор у будь-який момент часу, використовуючи формули нижче
V (t) = V B (1 - e -tR / L) I (t) = I o (1 - e -tR / L)
Де, V B - напруга акумулятора, а I o - вихідний струм ланцюга. Значення t - це час (у секундах), за який необхідно обчислити значення напруги або струму індуктора.
Схема RLC:
Схема RLC, як випливає з назви, буде складатися з резистора, конденсатора та індуктора, з'єднаних послідовно або паралельно. Схема утворює схему генератора, яка дуже часто використовується в радіоприймачах і телевізорах. Він також дуже часто використовується як ланцюги заслінки в аналогових додатках. Резонансна властивість схеми RLC першого порядку обговорюється нижче
Схема RLC також називається послідовно-резонансною ланцюгом, коливальною ланцюгом або налаштованою ланцюгом. Ці схеми мають здатність подавати резонансну частоту, як показано на зображенні нижче
Тут ми маємо конденсатор C1 100u та індуктор L1 10mH, з'єднаний олов'яною серією через перемикач. Оскільки провід, що з'єднує C і L, буде мати деякий внутрішній опір, передбачається, що через провід присутня невелика кількість опору.
Спочатку ми тримаємо перемикач 2 як відкритий і закриваємо перемикач 1, щоб зарядити конденсатор від джерела батареї (9 В). Потім після заряджання конденсатора перемикач 1 відкривається, а потім перемикач 2 закривається.
Як тільки перемикач закритий, заряд, що зберігається в конденсаторі, рухатиметься до індуктора і заряджатиме його. Як тільки конденсатор повністю розрядиться, індуктор почне розряджатися назад в конденсатор, таким чином заряди будуть текти туди-сюди між індуктивністю та конденсатором. Але оскільки в процесі цього заряди відбуватимуться певні втрати, загальний заряд буде поступово зменшуватися, поки не досягне нуля, як показано на графіку вище.
Програми:
Резистори, індуктори та конденсатори можуть бути звичайними та простими компонентами, але коли вони поєднуються, щоб утворити схеми, такі як RC / RL та RLC, вони виявляють складну поведінку, що робить його придатним для широкого спектра застосування. Нижче перелічено кілька з них
- Системи зв'язку
- Обробка сигналів
- Напруга / збільшення струму
- Передавачі радіохвиль
- ВЧ-підсилювачі
- Резонансна LC-схема
- Схеми змінних мелодій
- Схеми генератора
- Схеми фільтрації