Wie RC-Schaltungen funktionieren

In einer RC-Schaltung wird eine Kombination aus R (Widerstand) und C (Kondensator) in bestimmten Konfigurationen verwendet, um den Stromfluss zu regulieren und eine gewünschte Bedingung zu implementieren.

Einer der Hauptanwendungen eines Kondensators liegt in Form einer Kopplungseinheit vor, die Wechselstrom durchlässt, aber Gleichstrom blockiert. In fast jeder praktischen Schaltung sehen Sie einige Widerstände, die mit dem Kondensator in Reihe geschaltet sind.

Der Widerstand begrenzt den Stromfluss und verursacht eine gewisse Verzögerung der dem Kondensator zugeführten Versorgungsspannung, indem im Ladungskondensator eine Ladung aufgebaut wird, die proportional zur eingespeisten Spannung ist.

RC-Zeitkonstante

Die Formel zur Bestimmung der RC-Zeit (T) ist sehr einfach:

T = RC wobei T = Zeitkonstante in Sekunden R = Widerstand in Megaohm C = Kapazität in Mikrofarad.

(Es kann beobachtet werden, dass der gleiche numerische Wert für T angegeben wird, wenn R in Ohm und C in Farad angegeben ist, aber in der Praxis sind Megaohm und Mikrofarad oft weitaus einfachere Einheiten.)

In einer RC-Schaltung kann die RC-Zeitkonstante als die Zeit definiert werden, die die an den Kondensator angelegte Spannung benötigt, um 63% der angelegten Spannung zu erreichen.

(Diese Größe von 63% wird zur Vereinfachung der Berechnung tatsächlich bevorzugt). In der Praxis kann sich die Spannung am Kondensator auf praktisch (aber nie ganz) 100% der angelegten Spannung ansammeln, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.

Das Zeitkonstantenelement bezeichnet die Zeitdauer in Form eines Zeitfaktors, zum Beispiel bei 1 Zeitfaktor des RC-Netzwerks werden 63% Gesamtspannung akkumuliert, in einem Zeitraum nach 2X Zeitkonstante werden 80% Gesamtspannung im Inneren aufgebaut der Kondensator und so weiter.

Nach einer Zeitkonstante von 5 kann sich am Kondensator eine Spannung von fast (aber nicht ganz) 100% aufbauen. Die Entladungsfaktoren eines Kondensators treten auf die gleiche grundlegende Weise auf, jedoch in umgekehrter Reihenfolge.

Das heißt, nach einem Zeitintervall, das der Zeitkonstante 5 entspricht, erreicht die an den Kondensator angelegte Spannung einen Abfall von 100 - 63 = 37% der vollen Spannung und so weiter.

Kondensatoren werden niemals vollständig aufgeladen oder entladen

Zumindest theoretisch darf sich ein Kondensator in keiner Weise bis zum vollen angelegten Spannungspegel aufladen und auch nicht vollständig entladen werden.

In der Realität kann davon ausgegangen werden, dass die vollständige Ladung oder die vollständige Entladung innerhalb eines Zeitraums erfolgt, der 5 Zeitkonstanten entspricht.

Daher verursacht der Netzschalter 1 in der unten gezeigten Schaltung in 5 x Zeitkonstanten Sekunden eine 'volle' Ladung des Kondensators.

Wenn der Schalter 1 geöffnet wird, kann sich der Kondensator dann in einer Situation befinden, in der er eine Spannung speichert, die der tatsächlich angelegten Spannung entspricht. Diese Ladung wird auf unbestimmte Zeit gehalten, sofern der Kondensator keine interne Leckage aufweist.

Dieser Prozess des Ladungsverlusts ist tatsächlich äußerst träge, da in der realen Welt kein Kondensator perfekt sein kann. Für einen bestimmten signifikanten Zeitraum kann diese gespeicherte Ladung jedoch weiterhin eine effektive Quelle für die ursprüngliche 'volle Ladungs' -Spannung sein.

Wenn der Kondensator mit einer hohen Spannung angelegt wird, kann er schnell einen elektrischen Schlag auslösen, falls er berührt wird, selbst nachdem der Stromkreis abgeschaltet wurde.

Um den Lade- / Entladezyklus wie im zweiten Grafikdiagramm oben dargestellt auszuführen, beginnt der Kondensator bei geschlossenem Schalter 2 über den angeschlossenen Widerstand mit der Entladung und benötigt einige Zeit, um seinen Entladevorgang durchzuführen.

RC-Kombination im Relaxationsoszillator

Die obige Abbildung ist eine sehr grundlegende Relaxationsoszillatorschaltung, die unter Verwendung der grundlegenden Ladungsentladungstheorie eines Kondensators arbeitet.

Es enthält einen Widerstand (R) und einen Kondensator (C), die in Reihe mit einer Gleichspannungsquelle geschaltet sind. Um die Funktionsweise der Schaltung physikalisch sehen zu können, a Neonlampe wird parallel zum Kondensator verwendet.

Die Lampe verhält sich praktisch wie ein offener Stromkreis, bis die Spannung ihre Schwellenspannungsgrenze erreicht. Dann schaltet sie sich sofort ein und leitet Strom wie ein Leiter und beginnt zu leuchten. Die Versorgungsquelle für diesen Strom muss daher höher sein als die der Neon-Auslösespannung.

Wie es funktioniert

Wenn der Stromkreis eingeschaltet wird, beginnt der Kondensator langsam zu laden, wie durch die RC-Zeitkonstante bestimmt. Die Lampe beginnt eine ansteigende Spannung zu empfangen, die sich über dem Kondensator entwickelt.

In dem Moment, in dem diese Ladung über den Kondensator einen Wert erreicht, der gleich der Zündspannung des Neons sein kann, leitet die Neonlampe und beginnt zu leuchten.

In diesem Fall erstellt das Neon einen Entladungspfad für den Kondensator und der Kondensator beginnt sich zu entladen. Dies führt wiederum zu einem Spannungsabfall am Neon. Wenn dieser Pegel unter die Zündspannung des Neons fällt, schaltet sich die Lampe aus und schaltet sich aus.

Der Vorgang wird nun fortgesetzt und das Neon blinkt EIN AUS. Die Blinkrate oder -frequenz hängt von der RC-Zeitkonstante ab, die angepasst werden kann, um entweder eine langsame oder eine schnelle Blinkrate zu ermöglichen.

Wenn wir die im Diagramm gezeigten Komponentenwerte betrachten, ist die Zeitkonstante für die Schaltung T = 5 (Megaohm) x 0,1 (Mikrofarad) = 0,5 Sekunden.

Dies impliziert, dass durch Ändern der RC-Werte die Blinkrate des Neons entsprechend der individuellen Präferenz entsprechend geändert werden kann.

RC-Konfiguration in Wechselstromkreisen

Wenn ein Wechselstrom in einer RC-Konfiguration verwendet wird, lädt aufgrund des Wechselstroms der eine Halbzyklus des Wechselstroms den Kondensator effektiv auf und wird ebenfalls mit dem nächsten negativen Halbzyklus entladen. Dies bewirkt, dass der Kondensator in Reaktion auf die unterschiedliche Polarität der Wechselstromzykluswellenform abwechselnd geladen und entladen wird.

Aus diesem Grund werden Wechselspannungen nicht im Kondensator gespeichert, sondern können den Kondensator passieren. Dieser Stromdurchgang wird jedoch durch eine vorhandene RC-Zeitkonstante im Pfad der Schaltung eingeschränkt.

Die RC-Komponenten entscheiden, um wie viel Prozent der angelegten Spannung der Kondensator geladen und entladen wird. Gleichzeitig kann der Kondensator auch einen leichten Widerstand gegen den Durchgang des Wechselstroms über die Reaktanz bereitstellen, obwohl diese Reaktanz grundsätzlich keine Energie verbraucht. Seine Hauptwirkung liegt auf dem Frequenzgang der RC-Schaltung.

RC-KUPPLUNG in Wechselstromkreisen

Das Koppeln einer bestimmten Stufe einer Audioschaltung mit einer anderen Stufe über einen Kondensator ist eine übliche und weit verbreitete Implementierung. Während die Kapazität unabhängig verwendet zu werden scheint, kann sie tatsächlich mit einem integralen Serienwiderstand verbunden sein, der durch den Begriff 'Last' symbolisiert wird, wie unten gezeigt.

Dieser Widerstand, unterstützt durch den Kondensator, führt zu einer RC-Kombination, die für die Erzeugung einer bestimmten Zeitkonstante verantwortlich sein kann.

Es ist entscheidend, dass diese Zeitkonstante die Spezifikation der Eingangswechselstromsignalfrequenz ergänzt, die von einer Stufe zur anderen übertragen wird.

Wenn wir das Beispiel einer Audioverstärkerschaltung annehmen, könnte der höchste Bereich der Eingangsfrequenz ungefähr 10 kHz betragen. Der Zeitzyklus dieser Art von Frequenz beträgt 1 / 10.000 = 0,1 Millisekunden.

Um diese Frequenz zuzulassen, implementiert jeder Zyklus zwei Lade- / Entladeeigenschaften in Bezug auf die Koppelkondensatorfunktion, die eine positive und eine negative sind.

Daher beträgt der Zeitraum für eine einzelne Lade- / Entladefunktion 0,05 Millisekunden.

Die RC-Zeitkonstante, die erforderlich ist, um diese Funktion zu ermöglichen, muss den Wert von 0,05 Millisekunden erfüllen, um 63% des eingespeisten Wechselspannungspegels zu erreichen, und im Wesentlichen etwas weniger, um den Durchgang von mehr als 63 Prozent der angelegten Spannung zu ermöglichen.

Optimierung der RC-Zeitkonstante

Die obige Statistik gibt uns eine Vorstellung vom bestmöglichen Wert des zu verwendenden Koppelkondensators.

Nehmen wir zur Veranschaulichung an, dass der normale Eingangswiderstand eines Transistors mit niedriger Leistung ungefähr 1 k betragen kann. Die Zeitkonstante einer effektivsten RC-Kopplung kann 0,05 Millisekunden betragen (siehe oben), was mit den folgenden Berechnungen erreicht werden kann:

0,05 x 10 = 1.000 x C oder C = 0,05 x 10^-9Farad = 0,50 pF (oder möglicherweise etwas niedriger, da dadurch eine Spannung von mehr als 63% durch den Kondensator fließen würde).

In der Praxis könnte im Allgemeinen ein viel größerer Kapazitätswert implementiert werden, der bis zu 1 uF oder sogar mehr betragen kann. Dies kann typischerweise zu verbesserten Ergebnissen führen, kann jedoch im Gegenteil zu einer Verringerung des Wirkungsgrads der Wechselstromkopplungsleitung führen.

Berechnungen legen auch nahe, dass die kapazitive Kopplung mit zunehmender Wechselstromfrequenz immer ineffizienter wird, wenn reale Kondensatoren in Kopplungsschaltungen implementiert werden.

Verwenden des RC-Netzwerks in FILTERKREISEN

Eine Standard-RC-Anordnung implementiert als Filterschaltung wird in der folgenden Abbildung gezeigt.

Wenn wir uns die Eingangsseite ansehen, finden wir einen Widerstand, der in Reihe mit einer kapazitiven Reaktanz geschaltet ist, wodurch sich ein Spannungsabfall zwischen den beiden Elementen entwickelt.

Falls die Kondensatorreaktanz (Xc) höher als R ist, baut sich fast die gesamte Eingangsspannung am Kondensator auf, und daher erreicht die Ausgangsspannung den Pegel, der der Eingangsspannung entspricht.

Wir wissen, dass die Kondensatorreaktanz umgekehrt proportional zur Frequenz ist. Dies bedeutet, dass bei Erhöhung der Wechselstromfrequenz die Reaktanz abnimmt, was dazu führt, dass die Ausgangsspannung die Proportionalität erhöht (ein erheblicher Teil der Eingangsspannung wird jedoch vom Widerstand abfallen ).

Was ist kritische Frequenz?

Um eine effiziente Kopplung des Wechselstromsignals zu gewährleisten, müssen wir den als kritische Frequenz bezeichneten Faktor berücksichtigen.

Bei dieser Frequenz neigt das Reaktanzwertelement dazu, so stark beeinflusst zu werden, dass in einem solchen Zustand der Koppelkondensator beginnt, das Signal zu blockieren, anstatt effizient zu leiten.

In einer solchen Situation beginnt das Verhältnis von Volt (out) / Volt (in) schnell abzunehmen. Dies wird nachstehend in grundlegender schematischer Form gezeigt.

Der kritische Punkt, der als Abrollpunkt oder Grenzfrequenz (f) bezeichnet wird, wird wie folgt bewertet:

fc = 1 / 2πRC

wo R in Ohm ist, ist C in Farad und Pi = 3,1416

Aus der vorherigen Diskussion wissen wir jedoch, dass RC = Zeitkonstante T ist, daher lautet die Gleichung:

fc = 1 / 2πT

Dabei ist T die Zeitkonstante in Sekunden.

Die Arbeitseffizienz dieses Filtertyps ist durch ihre Grenzfrequenz und durch die Rate gekennzeichnet, mit der das Verhältnis von Volt (in) zu Volt (out) über die Grenzfrequenzschwelle zu fallen beginnt.

Letzteres wird im Allgemeinen als (einige) dB pro Oktave (für jede verdoppelte Frequenz) dargestellt, wie in der folgenden Abbildung angegeben, die die Beziehung zwischen dB und dem Verhältnis von Volt (in) / Volt (out) zeigt und auch einen genauen Frequenzgang liefert Kurve.

RC LOW-PASS-FILTER

Wie der Name schon sagt, Tiefpassfilter sind so ausgelegt, dass Wechselstromsignale unterhalb der Grenzfrequenz mit minimalem Verlust oder Dämpfung der Signalstärke durchgelassen werden. Bei Signalen, die über der Grenzfrequenz liegen, erzeugt das Tiefpassfilter eine erhöhte Dämpfung.

Für diese Filter können genaue Komponentenwerte berechnet werden. Beispielsweise könnte ein Standard-Kratzfilter gebaut werden, der normalerweise in Verstärkern verwendet wird, um Frequenzen über beispielsweise 10 kHz zu dämpfen. Dieser spezifische Wert gibt die beabsichtigte Grenzfrequenz des Filters an.

RC HIGH-PASS-FILTER

Hochpassfilter sind so ausgelegt, dass sie umgekehrt funktionieren. Sie dämpfen Frequenzen, die unterhalb der Grenzfrequenz auftreten, lassen jedoch alle Frequenzen bei oder über der eingestellten Grenzfrequenz ohne Dämpfung zu.

Um diese Hochpassfilterimplementierung zu erreichen, werden die RC-Komponenten in der Schaltung einfach wie unten angegeben miteinander ausgetauscht.

Ein Hochpassfilter ähnelt seinem Tiefpass-Gegenstück. Diese werden im Allgemeinen in Verstärkern und Audiogeräten verwendet, um Rauschen oder 'Rumpeln' zu beseitigen, das durch die inhärenten, unerwünschten niedrigen Frequenzen erzeugt wird.

Die ausgewählte Grenzfrequenz, die beseitigt werden soll, sollte niedrig genug sein, damit sie nicht mit der „guten“ Basswiedergabe in Konflikt steht. Daher liegt die entschiedene Größe normalerweise im Bereich von 15 bis 20 Hz.

Berechnung der RC-Grenzfrequenz

Genau diese Formel ist erforderlich, um diese Grenzfrequenz zu berechnen, also mit 20 Hz als Grenzschwelle, die wir haben:

20 = 1/2 x 3,14 x RC

RC = 125.

Dies zeigt an, dass, solange das RC-Netzwerk so ausgewählt ist, dass sein Produkt 125 ist, die beabsichtigte Hochpassabschaltung unter 20 Hz-Signalen aktiviert wird.

In praktischen Schaltungen werden solche Filter typischerweise am eingeführt Vorverstärkerstufe oder im Verstärker unmittelbar vor einer vorhandenen Tonsteuerschaltung.

Zum HiFi-Geräte Diese Sperrfilterschaltungen sind normalerweise weitaus ausgefeilter als die hier erläuterten, um die Sperrpunkte mit höherer Effizienz und Punktgenauigkeit zu ermöglichen.

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