Hela elektronikkomponenterna kan delas in i två breda kategorier, en är de aktiva komponenterna och den andra som passiva komponenter. De passiva komponenterna inkluderar motståndet (R), kondensatorn (C) och induktorn (L). Det här är de tre mest använda komponenterna i elektronikkretsar och du hittar dem i nästan alla applikationskretsar. Dessa tre komponenter tillsammans i olika kombinationer kommer att bilda RC-, RL- och RLC-kretsarna och de har många applikationer som från filterkretsar, rörljusdrosslar, multivibratorer osv. Så i denna handledning lär vi oss grundläggande för dessa kretsar, teorin bakom dem och hur man använder dem i våra kretsar.
Innan vi hoppar in i huvudämnena kan vi förstå vad en R, L och C gör i en krets.
Motstånd: Motstånd betecknas med bokstaven "R". Ett motstånd är ett element som försvinner energi mestadels i form av värme. Det kommer att ha ett spänningsfall över det som förblir fast för ett fast strömvärde som strömmar genom det.
Kondensator: Kondensatorer betecknas med bokstaven "C". En kondensator är ett element som lagrar energi (tillfälligt) i form av ett elektriskt fält. Kondensatorn motstår spänningsförändringar. Det finns många typer av kondensatorer, varav den keramiska kondensatorn och de elektrolytiska kondensatorerna mest används. De laddar i en riktning och lossar i motsatt riktning
Induktor: Induktorer betecknas med bokstaven "L". En induktor liknar också kondensator, den lagrar också energi men lagras i form av magnetfält. Induktorer motstår förändringsström. Induktorer är normalt en lindad tråd och används sällan jämfört med de tidigare två komponenterna.
När dessa motstånd, kondensatorer och induktorer sätts ihop kan vi bilda kretsar som RC-, RL- och RLC-kretsar som uppvisar tids- och frekvensberoende svar som är användbara i många växelströmstillämpningar som redan nämnts. En RC / RL / RLC-krets kan användas som filter, oscillator och mycket mer. Det är inte möjligt att täcka alla aspekter i denna handledning, så vi kommer att lära oss grundläggande beteende i denna handledning.
Grundprincip för RC / RL- och RLC-kretsar:
Innan vi börjar med varje ämne, låt oss förstå hur en motstånd, kondensator och en induktor beter sig i en elektronisk krets. För att förstå låt oss överväga en enkel krets som består av en kondensator och motstånd i serie med en strömförsörjning (5V). I detta fall när strömförsörjningen är ansluten till RC-paret ökar spänningen över motståndet (Vr) till sitt maximala värde medan spänningen över kondensatorn (Vc) förblir på noll, sedan börjar kondensatorn långsamt att bygga laddning och därmed spänningen över motståndet kommer att minska och spänningen över kondensatorn kommer att öka tills motståndsspänningen (Vr) har nått noll och kondensatorspänningen (Vc) har nått sitt maximala värde. Kretsen och vågformen kan ses i GIF nedan
Låt oss analysera vågformen i bilden ovan för att förstå vad som faktiskt händer i kretsen. En väl illustrerad vågform visas i bilden nedan.
När strömbrytaren slås på når spänningen över motståndet (röd våg) sitt maximum och spänningen över kondensatorn (blå våg) förblir på noll. Sedan laddas kondensatorn upp och Vr blir noll och Vc blir maximalt. På samma sätt när omkopplaren är avstängd kommer kondensatorn urladdas och därmed den negativa spänningen uppträder över motståndet och när kondensatorn urladdas blir både kondensatorn och motståndsspänningen noll som visas ovan.
Detsamma kan också visualiseras för induktorer. Byt ut kondensatorn mot en induktor och vågformen kommer bara att speglas, det vill säga spänningen över motståndet (Vr) blir noll när omkopplaren slås på eftersom hela spänningen kommer att visas över induktorn (Vl). När induktorn laddar upp spänningen över (Vl) når den noll och spänningen över motståndet (Vr) når maximal spänning.
RC-krets:
Den RC-krets (Resistor Kondensator Circuit) kommer att bestå av en kondensator och ett motstånd anslutna antingen i serie eller parallellt med en spännings- eller strömkälla. Dessa typer av kretsar kallas också som RC-filter eller RC-nät eftersom de oftast används i filterapplikationer. En RC-krets kan användas för att göra några råfilter som lågpass-, högpass- och bandpassfilter. En första ordning RC-krets består av endast en motstånd och en kondensator och vi kommer att analysera densamma i denna handledning
För att förstå RC-kretsen, låt oss skapa en grundläggande krets på proteus och ansluta belastningen över omfattningen för att analysera hur den beter sig. Kretsen tillsammans med vågformen ges nedan
Vi har anslutit en belastning (glödlampa) med känt motstånd 1k ohm i serie med en kondensator på 470uF för att bilda en RC-krets. Kretsen drivs av ett 12V batteri och en strömbrytare används för att stänga och öppna kretsen. Vågformen mäts över lastlampan och visas i gul färg på bilden ovan.
Ursprungligen när omkopplaren är öppen visas maximal spänning (12V) över den resistiva glödlampans belastning (Vr) och spänningen över kondensatorn blir noll. När omkopplaren är stängd kommer spänningen över motståndet att sjunka till noll och då kondensatorn laddas kommer spänningen att nå tillbaka till maximalt som visas i diagrammet.
Tiden det tar för kondensatorn att laddas ges med formlerna T = 5Ƭ, där “Ƭ” representerar tou (tidskonstant).
Låt oss beräkna den tid det tar för kondensatorn att ladda upp i kretsen.
Ƭ = RC = (1000 * (470 * 10 ^ -6)) = 0,47 sekunder T = 5Ƭ = (5 * 0,47) T = 2,35 sekunder.
Vi har beräknat att den tid det tar för kondensatorn att ladda upp blir 2,35 sekunder, detsamma kan också verifieras från diagrammet ovan. Tiden det tar för Vr att nå från 0V till 12V är lika med den tid det tar för kondensatorn att ladda från 0V till maximal spänning. Diagrammet illustreras med hjälp av markörerna i bilden nedan.
På samma sätt kan vi också beräkna spänningen över kondensatorn vid varje given tidpunkt och strömmen genom kondensatorn vid varje given tidpunkt med hjälp av nedanstående formler
V (t) = V B (1 - e-t / RC) I (t) = I o (1 - e-t / RC)
Där, V B är batterispänningen och Io är kretsens utgångsström. Värdet på t är den tid (i sekunder) vid vilken kondensatorns spänning eller strömvärde måste beräknas.
RL-krets:
Den RL Circuit (Motstånd Induktor Circuit) kommer att bestå av en induktor och en Resistor igen anslutas antingen i serie eller parallellt. En serie RL-krets drivs av spänningskälla och en parallell RL-krets drivs av en strömkälla. RL-krets används ofta som passiva filter, en första ordning RL-krets med endast en induktor och en kondensator visas nedan
På samma sätt i en RL-krets måste vi byta ut kondensatorn med en induktor. Glödlampan antas fungera som en ren resistiv belastning och lampans motstånd är inställt på ett känt värde på 100 ohm.
När kretsen är öppen kommer spänningen över resistiv belastning att vara maximal och när omkopplaren är stängd delas spänningen från batteriet mellan induktorn och resistiv belastning. Induktorn laddas snabbt och följaktligen kommer ett plötsligt spänningsfall att upplevas av den resistiva belastningen R.
Tiden det tar för induktorn att laddas upp kan beräknas med formeln T = 5Ƭ, där “Ƭ” representerar tou (tidskonstant).
Låt oss beräkna den tid det tar för vår induktor att ladda upp i kretsen. Här har vi använt en induktor med värdet 1mH och motståndet med värdet 100 Ohm
Ƭ = L / R = (1 * 10 ^ -3) / (100) = 10 ^ -5 sekunder T = 5Ƭ = (5 * 10 ^ -5) = 50 * 10 ^ -6 T = 50 u sekunder.
På samma sätt kan vi också beräkna spänningen över induktorn vid varje given tidpunkt och strömmen genom induktorn vid varje given tidpunkt med hjälp av nedanstående formler
V (t) = V B (1 - e- tR / L) I (t) = I o (1 - e- tR / L)
Där, V B är batterispänningen och Io är kretsens utgångsström. Värdet på t är den tid (i sekunder) vid vilken induktansspänning eller strömvärde måste beräknas.
RLC-krets:
En RLC-krets som namnet antyder kommer att bestå av en motstånd, kondensator och induktor ansluten i serie eller parallell. Kretsen bildar en oscillatorkrets som ofta används i radiomottagare och tv-apparater. Det används också mycket ofta som spjällkretsar i analoga applikationer. Resonansegenskapen för en första ordning RLC-krets diskuteras nedan
Den RLC-kretsen är även kallade serieresonanskrets, oscillerande krets eller en avstämd krets. Dessa kretsar har förmågan att tillhandahålla en resonansfrekvenssignal som visas i bilden nedan
Här har vi en kondensator C1 på 100u och en induktor L1 på 10mH ansluten tennserie via en omkopplare. Eftersom kabeln som ansluter C och L kommer att ha en viss inre resistans antas det att en liten mängd motstånd är närvarande på grund av kabeln.
Inledningsvis håller vi omkopplaren 2 öppen och stänger omkopplaren 1 för att ladda kondensatorn från batterikällan (9V). Så snart kondensatorn har laddats öppnas omkopplaren 1 och sedan stängs omkopplaren 2.
Så snart omkopplaren är stängd kommer laddningen som lagras i kondensatorn att röra sig mot induktorn och ladda upp den. När kondensatorn är helt urladdad kommer induktorn att börja urladdas igen i kondensatorn så att laddningar kommer att strömma fram och tillbaka mellan induktorn och kondensatorn. Men eftersom det kommer att bli en viss förlust av laddningar under denna process minskar den totala laddningen gradvis tills den når noll som visas i diagrammet ovan.
Tillämpningar:
Motstånden, induktorerna och kondensatorerna kan vara normala och enkla komponenter men när de kombineras för att samlas för att bilda kretsar som RC / RL och RLC-kretsar uppvisar de komplexa beteenden vilket gör den lämplig för ett brett användningsområde. Få av dem listas nedan
- Kommunikationssystem
- Signalbehandling
- Spänning / strömförstoring
- Radiosändare
- RF-förstärkare
- Resonant LC-krets
- Variabla melodier
- Oscillatorkretsar
- Filtreringskretsar