Celá elektronika může být rozdělena do dvou širokých kategorií, jednou jsou aktivní komponenty a druhou pasivní komponenty. Pasivní součásti zahrnují rezistor (R), kondenzátor (C) a induktor (L). Jedná se o tři nejpoužívanější komponenty v elektronickém obvodu a najdete je téměř v každém aplikačním obvodu. Tyto tři komponenty společně v různých kombinacích vytvoří obvody RC, RL a RLC a mají mnoho aplikací, jako jsou filtrační obvody, trubicové tlumivky, multivibrátory atd. Takže v tomto tutoriálu se naučíme základy těchto obvodů, teorii v pozadí a jak je používat v našich obvodech.
Než se pustíme do hlavních témat, necháme pochopit, co R, L a C dělají v obvodu.
Rezistor: Rezistory jsou označeny písmenem „R“. Rezistor je prvek, který rozptyluje energii většinou ve formě tepla. Bude mít napěťový pokles, který zůstane fixní pro pevnou hodnotu proudu protékajícího.
Kondenzátor: Kondenzátory jsou označeny písmenem „C“. Kondenzátor je prvek, který ukládá energii (dočasně) ve formě elektrického pole. Kondenzátor odolává změnám napětí. Existuje mnoho typů kondenzátorů, z nichž se většinou používají keramický kondenzátor a elektrolytické kondenzátory. Nabíjejí se jedním směrem a vybíjí se opačným směrem
Induktor: Induktory jsou označeny písmenem „L“. Induktor je také podobný kondenzátoru, také ukládá energii, ale je uložen ve formě magnetického pole. Induktory odolávají změnám proudu. Induktory jsou obvykle drát navinutý cívkou a ve srovnání s předchozími dvěma součástmi se používá jen zřídka.
Když se tyto rezistory, kondenzátory a induktory spojí, můžeme vytvořit obvody jako RC, RL a RLC obvody, které vykazují časově a frekvenčně závislé odezvy, které budou užitečné v mnoha AC aplikacích, jak již bylo zmíněno. RC / RL / RLC obvod může být použit jako filtr, oscilátor a ještě mnohem více, není možné pokrýt všechny aspekty v tomto kurzu, takže se budeme učit základní chování z nich v tomto výukovém programu.
Základní princip obvodů RC / RL a RLC:
Než začneme s každým tématem, pochopme, jak se chová rezistor, kondenzátor a induktor v elektronickém obvodu. Pro pochopení uvažujme jednoduchý obvod skládající se z kondenzátoru a rezistoru zapojeného do série s napájecím zdrojem (5V). V tomto případě, když je napájecí zdroj připojen k RC páru, napětí na rezistoru (Vr) vzroste na svou maximální hodnotu, zatímco napětí na kondenzátoru (Vc) zůstane na nule, poté začne kondenzátor pomalu vytvářet náboj a tím napětí na rezistoru se sníží a napětí na kondenzátoru se zvýší, dokud napětí rezistoru (Vr) nedosáhne nuly a napětí kondenzátoru (Vc) nedosáhne své maximální hodnoty. Obvod a tvar vlny lze vidět v GIF níže
Analyzujme vlnovou formu na výše uvedeném obrázku, abychom pochopili, co se v obvodu skutečně děje. Dobře ilustrovaný průběh je zobrazen na obrázku níže.
Když je spínač zapnutý, napětí na rezistoru (červená vlna) dosáhne svého maxima a napětí na kondenzátoru (modrá vlna) zůstane na nule. Poté se kondenzátor nabije a Vr se stane nulou a Vc se stane maximem. Podobně, když je spínač vypnutý, vybije se kondenzátor, a proto se záporné napětí objeví na rezistoru a při vybití kondenzátoru se kondenzátor i napětí rezistoru stanou nulovými, jak je uvedeno výše.
Totéž lze vizualizovat také pro induktory. Vyměňte kondenzátor za induktor a tvar vlny se pouze zrcadlí, to znamená, že napětí na rezistoru (Vr) bude při zapnutí spínače nulové, protože celé napětí se objeví na induktoru (Vl). Protože induktor nabíjí napětí napříč (Vl), dosáhne nuly a napětí na rezistoru (Vr) dosáhne maximálního napětí.
RC obvod:
RC obvod (odpor kondenzátoru obvod) se skládá z kondenzátoru a rezistoru připojen buď do série nebo paralelně k napětí nebo proudu zdroje. Tyto typy obvodů se také nazývají RC filtry nebo RC sítě, protože se nejčastěji používají v aplikacích filtrování. RC obvod lze použít k výrobě některých surových filtrů, jako jsou nízkoprůchodové, hornoprůchodové a pásmové filtry. Prvního řádu RC obvod bude skládat pouze jeden odpor a jeden kondenzátor a budeme analyzovat stejná v tomto kurzu
Abychom pochopili obvod RC, vytvořme základní obvod na proteus a připojme zátěž v celém rozsahu k analýze toho, jak se chová. Obvod spolu s průběhem je uveden níže
Připojili jsme zátěž (žárovku) známého odporu 1 kOhm do série s kondenzátorem 470uF, abychom vytvořili RC obvod. Obvod je napájen baterií 12V a spínač se používá k uzavření a otevření obvodu. Tvar vlny se měří na zátěžové baňce a je na obrázku výše zobrazen žlutě.
Zpočátku, když je spínač rozpojen, se na odporové zátěži žárovky (Vr) objeví maximální napětí (12V) a napětí na kondenzátoru bude nulové. Když je spínač sepnutý, napětí na rezistoru poklesne na nulu a poté, jak se kondenzátor nabíjí, napětí dosáhne zpět na maximum, jak je znázorněno v grafu.
Doba potřebná k nabití kondenzátoru je dána vzorci T = 5Ƭ, kde „Ƭ“ představuje tou (Časová konstanta).
Počítáme čas potřebný k nabití kondenzátoru v obvodu.
Ƭ = RC = (1000 * (470 * 10 ^ -6)) = 0,47 sekundy T = 5Ƭ = (5 * 0,47) T = 2,35 sekundy.
Vypočítali jsme, že doba potřebná k nabití kondenzátoru bude 2,35 sekundy, totéž lze ověřit z výše uvedeného grafu. Čas potřebný k tomu, aby Vr dosáhl od 0 V do 12V, se rovná době potřebné k nabití kondenzátoru z 0 V na maximální napětí. Graf je znázorněn pomocí kurzorů na obrázku níže.
Podobně můžeme také vypočítat napětí na kondenzátoru v daném okamžiku a proud v kondenzátoru v daném okamžiku pomocí níže uvedených vzorců
V (t) = V B (1 - e- t / RC) I (t) = I o (1 - e -t / RC)
Kde, V B je napětí baterie a I o je výstupní proud obvodu. Hodnota t je čas (v sekundách), ve kterém musí být vypočítána hodnota napětí nebo proudu kondenzátoru.
Obvod RL:
RL obvod (rezistor Induktor obvod) se skládá z induktoru a rezistor opět spojena buď do série nebo paralelně. Sériový obvod RL bude poháněn zdrojem napětí a paralelní obvod RL bude poháněn zdrojem proudu. Obvod RL se běžně používají jako pasivní filtry, obvod RL prvního řádu s pouze jedním induktorem a jedním kondenzátorem je uveden níže
Podobně v obvodu RL musíme nahradit kondenzátor induktorem. Předpokládá se, že žárovka funguje jako čistá odporová zátěž a odpor žárovky je nastaven na známou hodnotu 100 ohmů.
Když je obvod otevřený, napětí na odporové zátěži bude maximální a po sepnutí spínače se napětí z baterie rozdělí mezi induktor a odporovou zátěž. Induktor se rychle nabíjí, a proto odporová zátěž R pocítí náhlý pokles napětí.
Čas potřebný k nabití induktoru lze vypočítat pomocí vzorce T = 5Ƭ, kde „Ƭ“ představuje tou (časová konstanta).
Počítáme čas potřebný pro nabití našeho induktoru v obvodu. Zde jsme použili induktor o hodnotě 1 mH a odpor o hodnotě 100 Ohm
Ƭ = L / R = (1 * 10 ^ -3) / (100) = 10 ^ -5 sekund T = 5Ƭ = (5 * 10 ^ -5) = 50 * 10 ^ -6 T = 50 u sekund.
Podobně můžeme také vypočítat napětí na induktoru v kterémkoli daném čase a proud přes induktor v daném okamžiku pomocí níže uvedených vzorců
V (t) = V B (1 - e- tR / L) I (t) = I o (1 - e -tR / L)
Kde, V B je napětí baterie a I o je výstupní proud obvodu. Hodnota t je čas (v sekundách), ve kterém musí být vypočítána hodnota napětí nebo proudu induktoru.
RLC obvod:
RLC obvod jak vyplývá z názvu se bude skládat z rezistor, kondenzátor a induktor připojen v sérii nebo paralelně. Obvod tvoří obvod oscilátoru, který se velmi často používá v rádiových přijímačích a televizorech. Také se velmi běžně používá jako tlumicí obvody v analogových aplikacích. Rezonanční vlastnost RLC obvodu prvního řádu je popsána níže
Obvod RLC se také nazývá sériový rezonanční obvod, oscilační obvod nebo laděný obvod. Tyto obvody mají schopnost poskytovat rezonanční frekvenční signál, jak je znázorněno na následujícím obrázku
Zde máme kondenzátor C1 100u a induktor L1 10mH připojený k cínové sérii přes spínač. Protože vodič, který spojuje C a L, bude mít určitý vnitřní odpor, předpokládá se, že v důsledku drátu je přítomno malé množství odporu.
Zpočátku necháme spínač 2 otevřený a zavřený spínač 1, abychom nabili kondenzátor ze zdroje baterie (9 V). Jakmile je kondenzátor nabitý, spínač 1 se rozepne a spínač 2 se sepne.
Jakmile je spínač sepnut, náboj uložený v kondenzátoru se posune směrem k induktoru a nabije ho. Jakmile je kondenzátor plně vybitý, induktor se začne vybíjet zpět do kondenzátoru, takže mezi induktorem a kondenzátorem budou proudit náboje sem a tam. Ale protože během tohoto procesu dojde k určité ztrátě nábojů, bude se celkový náboj postupně snižovat, dokud nedosáhne nuly, jak ukazuje graf výše.
Aplikace:
Rezistory, induktory a kondenzátory mohou být normální a jednoduché součástky, ale když se spojí a vytvoří obvody jako RC / RL a RLC obvod, projevují složité chování, díky čemuž jsou vhodné pro širokou škálu aplikací. Několik z nich je uvedeno níže
- Komunikační systémy
- Zpracování signálu
- Zvětšení napětí / proudu
- Vysílače rádiových vln
- RF zesilovače
- Rezonanční LC obvod
- Proměnlivé ladění obvodů
- Obvody oscilátoru
- Filtrační obvody