Come funzionano i circuiti RC

In un circuito RC, una combinazione o R (resistenza) e C (condensatore) viene utilizzata in configurazioni specifiche al fine di regolare il flusso di corrente, per implementare una condizione desiderata.

Uno di principali utilizzi di un condensatore ha la forma di un'unità di accoppiamento che consente il passaggio di AC ma blocca DC. In quasi tutti i circuiti pratici, vedrai alcune resistenze unite in serie con il condensatore.

La resistenza limita il flusso di corrente e provoca un certo ritardo attraverso la tensione di alimentazione alimentata al condensatore provocando la formazione di una carica nel condensatore, proporzionale alla tensione alimentata.

Costante di tempo RC

La formula per determinare il tempo RC (T) è molto semplice:

T = RC dove T = costante di tempo in secondi R = resistenza in megaohm C = capacità in microfarad.

(Si può osservare che lo stesso valore numerico per T è fornito se R è in ohm e C in farad, ma in pratica megaohm e microfarad sono spesso unità molto più facili.)

In un circuito RC, la costante di tempo RC può essere definita come il tempo impiegato dalla tensione applicata ai capi del condensatore per raggiungere il 63% della tensione applicata.

(questa grandezza del 63% è effettivamente preferita per facilità di calcolo). Nella vita reale, la tensione ai capi del condensatore può continuare ad accumularsi fino a raggiungere praticamente (ma mai del tutto) il 100% della tensione applicata, come indicato nella figura seguente.

L'elemento della costante di tempo indica la lunghezza del tempo sotto forma di fattore di tempo, ad esempio a 1 fattore di tempo della rete RC, viene accumulata la tensione totale del 63%, in un periodo dopo la costante di tempo 2X, all'interno viene accumulata una tensione totale dell'80% il condensatore e così via.

Dopo una costante di tempo di 5, potrebbe accumularsi quasi (ma non del tutto) una tensione del 100% attraverso il condensatore. I fattori di scarica di un condensatore si verificano nello stesso modo fondamentale ma nella sequenza inversa.

Significa che, dopo un intervallo di tempo pari alla costante di tempo 5, la tensione applicata al condensatore raggiungerà una caduta di 100 - 63 = 37% della piena tensione e così via.

I condensatori non sono mai completamente carichi o scaricati

Teoricamente, per lo meno, un condensatore non può in alcun modo caricarsi fino al livello di tensione applicato completo né può essere completamente scaricato.

In realtà, la carica completa, o la scarica totale, può essere considerata come realizzata entro un periodo di tempo corrispondente a 5 costanti di tempo.

Pertanto, nel circuito come mostrato di seguito, l'interruttore di alimentazione 1 causerà una carica 'completa' sul condensatore in 5 x costanti di tempo secondi.

Successivamente, quando l'interruttore 1 è aperto, il condensatore potrebbe trovarsi in una situazione in cui immagazzinerà una tensione uguale alla tensione effettiva applicata. E manterrà questa carica per un periodo di tempo indefinito a condizione che il condensatore abbia zero perdite interne.

Questo processo di perdita di carica sarà in realtà estremamente lento, poiché nel mondo reale nessun condensatore può essere perfetto, tuttavia per un certo periodo di tempo significativo questa carica immagazzinata può continuare a essere una fonte efficace della tensione originale di 'carica completa'.

Quando il condensatore viene applicato con un'alta tensione, può essere rapidamente in grado di fornire una scossa elettrica nel caso in cui venga toccato anche dopo che il circuito è spento.

Per eseguire il ciclo di carica / scarica come visualizzato nel secondo diagramma grafico sopra, quando l'interruttore 2 è chiuso, il condensatore inizia a scaricarsi tramite la resistenza collegata e impiega un certo periodo di tempo per completare il suo processo di scarica.

Combinazione RC in oscillatore di rilassamento

La figura sopra è un circuito oscillatore di rilassamento molto semplice che funziona utilizzando la teoria di scarica di carica di base di un condensatore.

Include un resistore (R) e un condensatore (C) collegati in serie a una sorgente di tensione cc. Per poter vedere fisicamente il funzionamento del circuito, a lampada al neon viene utilizzato in parallelo con il condensatore.

La lampada si comporta praticamente come un circuito aperto fino a quando la tensione non raggiunge il limite di tensione di soglia, quando si accende istantaneamente e conduce la corrente come un conduttore e inizia a emettere luce. La sorgente di tensione di alimentazione per questa corrente deve quindi essere superiore a quella della tensione di attivazione del neon.

Come funziona

Quando il circuito è acceso, il condensatore inizia lentamente a caricarsi come determinato dalla costante di tempo RC. La lampada inizia a ricevere una tensione crescente che si sviluppa attraverso il condensatore.

Nel momento in cui questa carica attraverso il condensatore raggiunge un valore che può essere uguale alla tensione di accensione del neon, la lampada al neon conduce e inizia ad illuminarsi.

Quando ciò accade, il neon crea un percorso di scarica per il condensatore e ora il condensatore inizia a scaricarsi. Ciò a sua volta provoca una caduta della tensione attraverso il neon e quando questo livello scende al di sotto della tensione di accensione del neon, la lampada si spegne e si spegne.

Il processo ora continua facendo lampeggiare il neon su ON OFF. La velocità o la frequenza di lampeggiamento dipende dal valore della costante di tempo RC, che può essere regolato per abilitare un lampeggiamento lento o veloce.

Se consideriamo i valori dei componenti come mostrato nel diagramma, la costante di tempo per il circuito T = 5 (megaohm) x 0,1 (microfarad) = 0,5 secondi.

Ciò implica che modificando i valori RC, la velocità di lampeggiamento del neon può essere modificata di conseguenza, secondo le preferenze individuali.

Configurazione RC in circuiti AC

Quando una corrente alternata viene utilizzata in una configurazione RC, a causa della natura alternata della corrente, il mezzo ciclo della corrente alternata carica efficacemente il condensatore, e allo stesso modo viene scaricato con il successivo mezzo ciclo negativo. Ciò fa sì che il condensatore si carichi e si scarichi alternativamente in risposta alla polarità variabile della forma d'onda del ciclo CA.

Per questo motivo, in effetti, le tensioni CA non vengono immagazzinate nel condensatore, ma è consentito il passaggio attraverso il condensatore. Tuttavia, questo passaggio di corrente è vincolato da una costante di tempo RC esistente nel percorso del circuito.

I componenti RC decidono di quanta percentuale della tensione applicata il condensatore viene caricato e scaricato. Allo stesso tempo, il condensatore può anche fornire una leggera resistenza al passaggio della corrente alternata tramite la reattanza, anche se questa reattanza sostanzialmente non consuma alcuna potenza. Il suo impatto principale è sulla risposta in frequenza coinvolta nel circuito RC.

ACCOPPIAMENTO RC in CIRCUITI AC

L'accoppiamento di un particolare stadio di un circuito audio a un altro stadio tramite un condensatore è un'implementazione comune e diffusa. Sebbene la capacità sembri essere utilizzata in modo indipendente, in realtà potrebbe essere coinvolta con una resistenza in serie integrale simboleggiata dal termine 'carico' come mostrato di seguito.

Questa resistenza, aiutata dal condensatore, dà origine a una combinazione RC che può essere responsabile della generazione di una certa costante di tempo.

È fondamentale che questa costante di tempo integri la specifica della frequenza del segnale CA in ingresso che viene trasferita da uno stadio all'altro.

Se assumiamo l'esempio di un circuito amplificatore audio, la gamma più alta della frequenza di ingresso potrebbe essere di circa 10 kHz. Il ciclo del periodo di tempo di questo tipo di frequenza sarà 1 / 10.000 = 0,1 millisecondi.

Detto questo, per consentire questa frequenza, ogni ciclo implementa due caratteristiche di carica / scarica rispetto alla funzione del condensatore di accoppiamento, che sono una positiva e una negativa.

Pertanto il periodo di tempo per una funzionalità di carica / scarica solitaria sarà di 0,05 millisecondi.

La costante di tempo RC richiesta per abilitare questo funzionamento deve soddisfare il valore di 0,05 millisecondi per raggiungere il 63% del livello di tensione alternata alimentato, ed essenzialmente un po 'inferiore per consentire il passaggio di più del 63% della tensione applicata.

Ottimizzazione della costante di tempo RC

Le statistiche di cui sopra ci forniscono un'idea del miglior valore possibile del condensatore di accoppiamento da utilizzare.

Per illustrare ciò, diciamo che la normale resistenza di ingresso di un transistor a bassa potenza può essere di circa 1 k. La costante di tempo di un accoppiamento RC più efficace potrebbe essere 0,05 millisecondi (vedere sopra), che può essere ottenuta con i seguenti calcoli:

0,05 x 10 = 1.000 x C o C = 0,05 x 10^-9farad = 0,50 pF (o forse leggermente inferiore, poiché ciò consentirebbe il passaggio di una tensione superiore al 63% attraverso il condensatore).

In pratica, si potrebbe generalmente implementare un valore di capacità molto più grande, che può arrivare fino a 1µF o anche di più. Ciò può tipicamente fornire risultati migliori, ma al contrario può causare una riduzione dell'efficienza della conduzione dell'accoppiamento AC.

Inoltre, i calcoli suggeriscono che l'accoppiamento capacitivo diventa sempre più inefficiente all'aumentare della frequenza CA, quando i condensatori reali sono implementati nei circuiti di accoppiamento.

Utilizzo della rete RC in FILTER CIRCUITS

Una disposizione RC standard implementata come file circuito del filtro è mostrato nella figura sottostante.

Se guardiamo il lato di ingresso, troviamo un resistore collegato in serie con una reattanza capacitiva, che fa sviluppare una caduta di tensione tra i due elementi.

Nel caso in cui la reattanza del condensatore (Xc) sia maggiore di R, quasi tutta la tensione di ingresso si accumula attraverso il condensatore e quindi la tensione di uscita raggiunge il livello uguale alla tensione di ingresso.

Sappiamo che la reattanza del condensatore è inversamente proporzionale alla frequenza, questo implica che, se la frequenza CA viene aumentata, la reattanza diminuirà, con conseguente aumento della proporzionalità della tensione di uscita (ma una parte significativa della tensione di ingresso verrà eliminata dal resistore ).

Cos'è la frequenza critica

Per garantire un accoppiamento efficiente del segnale AC, dobbiamo considerare il fattore chiamato frequenza critica.

A questa frequenza, l'elemento del valore di reattanza tende ad essere così gravemente influenzato che in tale condizione il condensatore di accoppiamento inizia a bloccare il segnale invece di condurre in modo efficiente.

In una tale situazione, il rapporto tra volt (out) / volt (in) inizia a diminuire rapidamente. Ciò è dimostrato di seguito in forma schematica di base.

Il punto critico, chiamato punto di roll-off o frequenza di taglio (f) viene valutato come:

fc = 1 / 2πRC

dove R è in ohm, C è in farad e Pi = 3,1416

Ma dalla discussione precedente sappiamo che RC = costante di tempo T, quindi l'equazione diventa:

fc = 1 / 2πT

dove T è la costante di tempo in secondi.

L'efficienza di questo tipo di filtri è caratterizzata dalla loro frequenza di taglio e dalla velocità con cui il rapporto volt (in) / volt (out) inizia a scendere al di sopra della soglia di frequenza di taglio.

Quest'ultimo è generalmente rappresentato come (alcuni) dB per ottava (per ogni frequenza raddoppiata), come indicato nella figura seguente che mostra la relazione tra dB e rapporto volt (in) / volt (out) e fornisce anche una risposta in frequenza accurata curva.

FILTRI RC PASSA BASSO

Come suggerisce il nome, filtri passa basso sono progettati per far passare i segnali CA al di sotto della frequenza di taglio con minima perdita o attenuazione dell'intensità del segnale. Per i segnali che sono al di sopra della frequenza di taglio, il filtro passa basso genera una maggiore attenuazione.

È possibile calcolare i valori esatti dei componenti per questi filtri. Ad esempio, un filtro antigraffio standard normalmente utilizzato negli amplificatori potrebbe essere costruito per attenuare le frequenze, diciamo, su 10 kHz. Questo valore specifico indica la frequenza di taglio prevista del filtro.

FILTRI PASSA ALTO RC

I filtri passa alto sono progettati per funzionare al contrario. Attenuano le frequenze che appaiono al di sotto della frequenza di taglio, ma consentono tutte le frequenze pari o superiori alla frequenza di taglio impostata senza attenuazione.

Per realizzare questa implementazione del filtro passa-alto, i componenti RC nel circuito vengono semplicemente scambiati tra loro come indicato di seguito.

Un filtro passa alto è simile alla sua controparte passa basso. Questi sono generalmente utilizzati negli amplificatori e nei dispositivi audio, per eliminare il rumore o il 'rimbombo' generato dalle basse frequenze intrinseche e indesiderate.

La frequenza di taglio selezionata che deve essere eliminata dovrebbe essere sufficientemente bassa da non entrare in conflitto con la 'buona' risposta dei bassi. Pertanto, la magnitudine decisa è normalmente compresa tra 15 e 20 Hz.

Calcolo della frequenza di taglio RC

Precisamente, la stessa formula è richiesta per calcolare questa frequenza di taglio, quindi, con 20 Hz come soglia di taglio abbiamo:

20 = 1/2 x 3,14 x RC

RC = 125.

Ciò indica che fintanto che la rete RC è selezionata in modo tale che il loro prodotto sia 125 abiliterà il taglio passa alto previsto sotto i segnali di 20 Hz.

Nei circuiti pratici, tali filtri sono tipicamente introdotti in corrispondenza del stadio preamplificatore , o nell'amplificatore immediatamente prima di un circuito di controllo del tono esistente.

Per Dispositivi Hi-Fi , questi circuiti di taglio del filtro sono solitamente molto più sofisticati di quelli spiegati qui, per abilitare i punti di taglio con maggiore efficienza e precisione del punto di riferimento.

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