Rc-, rl- en rlc-circuits

Het geheel van elektronische componenten kan in twee brede categorieën worden onderverdeeld, de ene zijn de actieve componenten en de andere als passieve componenten. De passieve componenten omvatten de weerstand (R), condensator (C) en de inductor (L). Dit zijn de drie meest gebruikte componenten in het elektronicacircuit en u vindt ze in bijna elk toepassingscircuit. Deze drie componenten vormen samen in verschillende combinaties de RC-, RL- en RLC-circuits en ze hebben veel toepassingen, zoals filtercircuits, buislichtsmoorspoelen, multivibrators enz. Dus in deze tutorial zullen we de basis van deze circuits leren, de theorie erachter ze en hoe ze in onze circuits te gebruiken.

Voordat we ingaan op de belangrijkste onderwerpen, laten we begrijpen wat een R, L en C in een circuit doen.

Weerstand: Weerstanden worden aangeduid met de letter "R". Een weerstand is een element dat energie voornamelijk in de vorm van warmte afvoert. Het zal een spanningsval hebben die vast blijft voor een vaste waarde van de stroom die er doorheen stroomt.

Condensator: Condensatoren worden aangeduid met de letter "C". Een condensator is een element dat energie (tijdelijk) opslaat in de vorm van een elektrisch veld. Condensator is bestand tegen veranderingen in spanning. Er zijn veel soorten condensatoren, waarvan meestal de keramische condensator en de elektrolytische condensatoren worden gebruikt. Ze laden in één richting op en ontladen in tegengestelde richting

Inductor: Inductors worden aangeduid met de letter "L". Een inductor is ook vergelijkbaar met een condensator, hij slaat ook energie op, maar wordt opgeslagen in de vorm van een magnetisch veld. Inductoren zijn bestand tegen stroomveranderingen. Inductoren zijn normaal gesproken een spoelgewonden draad en worden zelden gebruikt in vergelijking met de vorige twee componenten.

Wanneer deze weerstand, condensator en inductoren worden samengevoegd, kunnen we circuits vormen zoals RC-, RL- en RLC-circuits die tijd- en frequentieafhankelijke reacties vertonen die nuttig zullen zijn in veel AC-toepassingen, zoals reeds vermeld. Een RC / RL / RLC-circuit kan worden gebruikt als filter, oscillator en nog veel meer, het is niet mogelijk om elk aspect in deze tutorial te behandelen, dus we zullen het basisgedrag ervan in deze tutorial leren.

Basisprincipe van RC / RL- en RLC-circuits:

Voordat we met elk onderwerp beginnen, laten we ons begrijpen hoe een weerstand, condensator en een inductor zich gedragen in een elektronisch circuit. Laten we voor het begrip een eenvoudig circuit beschouwen dat bestaat uit een condensator en weerstand in serie met een voeding (5V). In dit geval, wanneer de voeding is aangesloten op het RC-paar, neemt de spanning over de weerstand (Vr) toe tot zijn maximale waarde terwijl de spanning over de condensator (Vc) op nul blijft, en langzaam begint de condensator lading op te bouwen en dus de spanning over de weerstand zal afnemen en de spanning over de condensator zal toenemen totdat de weerstandsspanning (Vr) nul heeft bereikt en de condensatorspanning (Vc) zijn maximale waarde heeft bereikt. Het circuit en de golfvorm zijn te zien in de GIF hieronder

Laten we de golfvorm in de bovenstaande afbeelding analyseren om te begrijpen wat er werkelijk in het circuit gebeurt. Een goed geïllustreerde golfvorm wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Wanneer de schakelaar wordt ingeschakeld, bereikt de spanning over de weerstand (rode golf) zijn maximum en blijft de spanning over de condensator (blauwe golf) op nul. Dan laadt de condensator op en Vr wordt nul en Vc wordt maximaal. Evenzo, wanneer de schakelaar wordt uitgeschakeld, ontlaadt de condensator en daarom verschijnt de negatieve spanning over de weerstand en als de condensator ontlaadt, worden zowel de condensator- als de weerstandsspanning nul, zoals hierboven weergegeven.

Hetzelfde kan ook worden gevisualiseerd voor inductoren. Vervang de condensator door een inductor en de golfvorm wordt gewoon gespiegeld, dat wil zeggen dat de spanning over de weerstand (Vr) nul zal zijn wanneer de schakelaar wordt ingeschakeld, aangezien de hele spanning over de inductor (Vl) zal verschijnen. Als de inductor de spanning over (Vl) oplaadt, zal deze nul bereiken en de spanning over de weerstand (Vr) zal de maximale spanning bereiken.

RC-schakeling:

Het RC-circuit (Resistor Capacitor Circuit) bestaat uit een condensator en een weerstand die in serie of parallel zijn verbonden met een spannings- of stroombron. Dit soort circuits worden ook wel RC-filters of RC-netwerken genoemd, omdat ze het meest worden gebruikt in filtertoepassingen. Een RC-circuit kan worden gebruikt om enkele ruwe filters te maken, zoals laagdoorlaat-, hoogdoorlaat- en banddoorlaatfilters. Een RC-circuit van de eerste orde bestaat uit slechts één weerstand en één condensator en we zullen hetzelfde in deze tutorial analyseren

Om het RC-circuit te begrijpen, laten we een basiscircuit op proteus maken en de belasting over het bereik verbinden om te analyseren hoe het zich gedraagt. Het circuit samen met de golfvorm wordt hieronder gegeven

We hebben een belasting (gloeilamp) met bekende weerstand 1k Ohm in serie geschakeld met een condensator van 470uF om een ​​RC-circuit te vormen. Het circuit wordt gevoed door een 12V-batterij en een schakelaar wordt gebruikt om het circuit te sluiten en te openen. De golfvorm wordt gemeten over de laadbol en wordt in de bovenstaande afbeelding in gele kleur weergegeven.

In eerste instantie, wanneer de schakelaar open is, verschijnt de maximale spanning (12V) over de resistieve gloeilampbelasting (Vr) en de spanning over de condensator zal nul zijn. Als de schakelaar gesloten is, daalt de spanning over de weerstand naar nul en als de condensator oplaadt, zal de spanning weer op het maximum komen, zoals weergegeven in de grafiek.

De tijd die de condensator nodig heeft om op te laden, wordt gegeven door de formules T = 5Ƭ, waarbij "Ƭ" staat voor tou (tijdconstante).

Laten we de tijd berekenen die onze condensator nodig heeft om in het circuit op te laden.

Ƭ = RC = (1000 * (470 * 10 ^ -6)) = 0,47 seconden T = 5Ƭ = (5 * 0,47) T = 2,35 seconden.

We hebben berekend dat de tijd die de condensator nodig heeft om op te laden 2,35 seconden zal zijn, hetzelfde kan ook worden geverifieerd in de bovenstaande grafiek. De tijd die Vr nodig heeft om van 0V naar 12V te komen, is gelijk aan de tijd die de condensator nodig heeft om van 0V naar de maximale spanning te laden. De grafiek wordt geïllustreerd met behulp van de cursors in de onderstaande afbeelding.

Evenzo kunnen we op elk moment de spanning over de condensator en de stroom door de condensator op elk moment berekenen met behulp van de onderstaande formules

V (t) = V _B (1 - e ^{-t / RC}) I (t) = I _o (1 - e ^{-t / RC})

Waar, V _B is de batterijspanning en I _o is de uitgangsstroom van het circuit. De waarde van t is de tijd (in seconden) waarop de spanning of stroomwaarde van de condensator moet worden berekend.

RL-schakeling:

Het RL-circuit (Resistor Inductor Circuit) zal bestaan ​​uit een inductor en een weerstand die opnieuw in serie of parallel zijn geschakeld. Een serie RL-circuit wordt aangedreven door een spanningsbron en een parallel RL-circuit wordt aangedreven door een stroombron. RL-circuits worden vaak gebruikt als passieve filters, een eerste-orde RL-circuit met slechts één inductor en één condensator wordt hieronder getoond

Evenzo moeten we in een RL-circuit de condensator vervangen door een inductor. Aangenomen wordt dat de gloeilamp werkt als een pure resistieve belasting en de weerstand van de lamp is ingesteld op een bekende waarde van 100 ohm.

Wanneer het circuit open is, zal de spanning over de resistieve belasting maximaal zijn en wanneer de schakelaar gesloten is, wordt de spanning van de batterij gedeeld tussen de inductor en de resistieve belasting. De inductor laadt snel op en daarom zal een plotselinge spanningsval worden ervaren door de resistieve belasting R.

De tijd die de inductor nodig heeft om op te laden, kan worden berekend met de formule T = 5Ƭ, waarbij "“ "staat voor tou (tijdconstante).

Laten we de tijd berekenen die onze inductor nodig heeft om op te laden in het circuit. Hier hebben we een inductor van waarde 1mH en de weerstand van waarde 100 Ohm gebruikt

Ƭ = L / R = (1 * 10 ^ -3) / (100) = 10 ^ -5 seconden T = 5Ƭ = (5 * 10 ^ -5) = 50 * 10 ^ -6 T = 50 u seconden.

Evenzo kunnen we op elk moment de spanning over de inductor en de stroom door de inductor op elk moment berekenen met behulp van de onderstaande formules

V (t) = V _B (1 - e ^{-tR / L}) I (t) = I _o (1 - e ^{-tR / L})

Waar, V _B is de batterijspanning en I _o is de uitgangsstroom van het circuit. De waarde van t is de tijd (in seconden) waarop de spanning of stroomwaarde van de inductor moet worden berekend.

RLC-circuit:

Een RLC-circuit zoals de naam al aangeeft, zal bestaan ​​uit een weerstand, condensator en inductor die in serie of parallel zijn geschakeld. Het circuit vormt een oscillatorcircuit dat heel vaak wordt gebruikt in radio-ontvangers en televisies. Het wordt ook heel vaak gebruikt als dempercircuits in analoge toepassingen. De resonantie-eigenschap van een RLC-circuit van de eerste orde wordt hieronder besproken

Het RLC-circuit wordt ook wel serieresonantiecircuit, oscillerende circuit of een afgestemde circuit genoemd. Deze schakeling heeft de mogelijkheid om een ​​resonantiefrequentiesignaal te leveren, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding

Hier hebben we een condensator C1 van 100u en een inductor L1 van 10mH verbonden tin-serie via een schakelaar. Aangezien de draad die de C en L verbindt enige interne weerstand zal hebben, wordt aangenomen dat er een kleine hoeveelheid weerstand aanwezig is vanwege de draad.

In eerste instantie houden we schakelaar 2 open en sluiten we schakelaar 1 om de condensator op te laden vanaf de batterijbron (9V). Zodra de condensator is opgeladen, wordt schakelaar 1 geopend en vervolgens wordt schakelaar 2 gesloten.

Zodra de schakelaar wordt gesloten, zal de lading die in de condensator is opgeslagen, naar de inductor gaan en deze opladen. Zodra de condensator volledig is ontladen, begint de inductor terug te ontladen in de condensator, op deze manier zullen ladingen heen en weer stromen tussen de inductor en de condensator. Maar aangezien er tijdens dit proces enig ladingsverlies zal zijn, zal de totale lading geleidelijk afnemen totdat deze nul bereikt, zoals weergegeven in de bovenstaande grafiek.

Toepassingen:

De weerstanden, inductoren en condensatoren kunnen normale en eenvoudige componenten zijn, maar wanneer ze worden gecombineerd om circuits zoals RC / RL- en RLC-circuits te vormen, vertonen ze een complex gedrag waardoor ze geschikt zijn voor een breed scala aan toepassingen. Weinigen van hen worden hieronder vermeld

• Communicatie systemen
• Signaalverwerking
• Spanning / stroomvergroting
• Radiogolfzenders
• RF versterkers
• Resonant LC-circuit
• Variabel stemt circuits af
• Oscillatorcircuits
• Filtercircuits