Az elektronikai alkatrészek egésze két nagy kategóriába sorolható, az egyik az aktív alkatrész, a másik a passzív alkatrész. A passzív alkatrészek közé tartozik az ellenállás (R), a kondenzátor (C) és az induktivitás (L). Ez a három leggyakrabban használt alkatrész az elektronikai áramkörben, és szinte minden alkalmazási áramkörben megtalálhatja őket. Ez a három komponens különböző kombinációkban alkotja az RC, RL és RLC áramköröket, és számos alkalmazásuk van, például szűrőáramkörökből, Tube fényfojtókból, multivibrátorokból stb. Ebben a leírásban megismerjük ezeknek az áramköröknek az alapját, és hogyan használjuk őket áramköreinkben.
Mielőtt rátérnénk a fő témákra, megérthetjük, mit csinál egy R, L és C egy áramkörben.
Ellenállás: Az ellenállásokat „R” betűvel jelöljük. Az ellenállás olyan elem, amely az energiát többnyire hő formájában juttatja el. Feszültségcsökkenés lesz rajta, amely rögzített marad a rajta keresztül áramló áram fix értékéhez.
Kondenzátor: A kondenzátorokat „C” betű jelöli. A kondenzátor olyan elem, amely energiát (ideiglenesen) elektromos mező formájában tárol. A kondenzátor ellenáll a feszültség változásainak. Sokféle kondenzátor létezik, amelyek közül leginkább a kerámia kondenzátort és az elektrolit kondenzátorokat használják. Egy irányban töltődnek és ellenkező irányban kisülnek
Induktivitás: Az induktorokat „L” betűvel jelöljük. Az induktor szintén hasonló a kondenzátorhoz, energiát is tárol, de mágneses tér formájában tárolódik. Az induktorok ellenállnak az áramváltozásoknak. Az induktorok általában tekercses tekercsek, és az előbbi két alkatrészhez képest ritkán használják őket.
Ezeknek az ellenállásoknak, kondenzátoroknak és induktoroknak az összeállításakor olyan áramköröket alakíthatunk ki, mint az RC, RL és RLC áramkörök, amelyek idő- és frekvenciafüggő válaszokat mutatnak, amelyek hasznosak sok váltakozó áramú alkalmazásban, amint azt már említettük. Az RC / RL / RLC áramkör használható szűrőként, oszcillátorként, és még sok más nem lehetséges, hogy az oktatóanyag minden aspektusát lefedje, ezért megismerjük ezek alapvető viselkedését ebben az oktatóanyagban.
Az RC / RL és RLC áramkörök alapelve:
Mielőtt az egyes témákkal kezdjük, értsük meg, hogyan viselkedik egy ellenállás, kondenzátor és egy induktor egy elektronikus áramkörben. A megértés szempontjából vegyünk egy egyszerű áramkört, amely egy kondenzátorból és ellenállásból áll, soros tápegységgel (5 V). Ebben az esetben, amikor a tápegység az RC párhoz van csatlakoztatva, az ellenállás feszültsége (Vr) a maximális értékre nő, miközben a kondenzátor (Vc) feszültsége nulla marad, majd a kondenzátor lassan elkezd töltést építeni, és így az ellenálláson a feszültség csökken, és a kondenzátoron át növekszik, amíg az ellenállás feszültsége (Vr) el nem éri a nullát, és a kondenzátor feszültsége (Vc) el nem éri a maximális értéket. Az áramkör és a hullámforma az alábbi GIF-ben látható
Elemezzük a fenti képen látható hullámformát, hogy megértsük, mi történik valójában az áramkörben. Az alábbi képen jól illusztrált hullámforma látható.
A kapcsoló bekapcsolásakor az ellenállás (vörös hullám) feszültsége eléri a maximumát, és a kondenzátoron átmenő feszültség (kék hullám) nulla marad. Ezután a kondenzátor feltöltődik, Vr nulla lesz, Vc pedig maximális lesz. Hasonlóképpen, amikor a kapcsolót kikapcsolják, a kondenzátor kisül, és így a negatív feszültség megjelenik az ellenálláson, és ahogy a kondenzátor kisül, mind a kondenzátor, mind az ellenállás feszültsége nulla lesz, ahogy a fentiekben látható.
Ugyanez vizualizálható az induktorok esetében is. Cserélje ki a kondenzátort egy induktivitásra, és a hullámforma csak tükröződik, vagyis az ellenállás feszültsége (Vr) nulla lesz, amikor a kapcsolót bekapcsolják, mivel a teljes feszültség megjelenik az induktoron (Vl). Amint az induktor feltölti a keresztfeszültséget (Vl), eléri a nullát, és az ellenálláson (Vr) a maximális feszültséget.
RC áramkör:
Az RC áramkör (ellenállás-kondenzátor áramkör) egy kondenzátorból és egy ellenállásból áll, amelyek sorba vagy párhuzamosan vannak kapcsolva egy feszültség- vagy áramforrással. Az ilyen típusú áramköröket RC-szűrőknek vagy RC-hálózatoknak is nevezik, mivel leggyakrabban szűrési alkalmazásokban használják őket. RC áramkör használható néhány nyers szűrő előállítására, mint például aluláteresztő, felüláteresztő és sáváteresztő szűrők. Az első rendű RC áramkör csak egy ellenállásból és egy kondenzátorból áll, és ezt ebben az oktatóanyagban elemezzük
Az RC áramkör megértése érdekében hozzunk létre egy alap áramkört a proteuson, és kössük össze a terhelést a hatókörön keresztül annak elemzésére, hogyan viselkedik. Az áramkört és a hullámformát az alábbiakban adjuk meg
Az ismert 1k Ohm ellenállású terhelést (izzó) sorba kapcsoltuk egy 470uF kondenzátorral egy RC áramkör kialakításához. Az áramkört 12 V-os akkumulátor táplálja, és egy kapcsolót használnak az áramkör bezárására és kinyitására. A hullámformát a terhelő izzóban mérik, és sárga színnel jelenik meg a fenti képen.
Kezdetben, amikor a kapcsoló nyitva van, a maximális feszültség (12V) jelenik meg az ellenálló villanykörte terhelésén (Vr), és a kondenzátoron a feszültség nulla lesz. Amikor a kapcsoló zárva van, az ellenállás feszültsége nullára csökken, majd a kondenzátor töltésekor a feszültség vissza fog térni a maximális értékre, amint az a grafikonon látható.
A kondenzátor töltési idejét a T = 5Ƭ képletek adják meg, ahol „Ƭ” jelentése tou (Időállandó).
Számítsuk ki, mennyi idő alatt töltődik fel kondenzátorunk az áramkörben.
Ƭ = RC = (1000 * (470 * 10 ^ -6)) = 0,47 másodperc T = 5 = = (5 * 0,47) T = 2,35 másodperc.
Kiszámítottuk, hogy a kondenzátor feltöltésének ideje 2,35 másodperc lesz, ugyanez a fenti grafikonon is ellenőrizhető. A Vr 0 és 12 V közötti eléréséhez szükséges idő megegyezik azzal az idővel, amely alatt a kondenzátor 0 V és a maximális feszültség között töltődik fel. A grafikont az alábbi képen található kurzorok segítségével szemléltetjük.
Hasonlóképpen kiszámíthatjuk a kondenzátoron keresztüli feszültséget és a kondenzátoron átáramló áramot az alábbi képletek segítségével
V (t) = V B (1 - e -t / RC) I (t) = I o (1 - e -t / RC)
Ahol V B az akkumulátor feszültsége és I o az áramkör kimeneti árama. A t értéke az az idő (másodpercben), amikor a kondenzátor feszültségét vagy áramértékét ki kell számítani.
RL áramkör:
Az RL áramkör (ellenállás induktor áramkör) egy induktivitásból és egy ellenállásból áll, amelyek ismét sorba vagy párhuzamosan vannak csatlakoztatva. Egy soros RL áramkört feszültségforrás, egy párhuzamos RL áramkört pedig áramforrás fog működtetni. Az RL áramkört általában passzív szűrőként használják, az első rendű RL áramkör csak egy induktivitással és egy kondenzátorral látható alább
Hasonlóképpen egy RL áramkörben a kondenzátort egy induktorra kell cserélnünk. A villanykörte feltételezhetően tiszta rezisztív terhelésként működik, és az izzó ellenállását ismert, 100 ohmos értékre állítják.
Amikor az áramkör nyitva van, az ellenállási terhelésen a feszültség maximális lesz, és a kapcsoló zárásakor az akkumulátor feszültsége megoszlik az induktor és az ellenálló terhelés között. Az induktor gyorsan feltöltődik, és ezért hirtelen feszültségesést tapasztal az R rezisztív terhelés.
Az az idő, amely alatt az induktor feltöltődhet, kiszámítható a T = 5Ƭ képlet segítségével , ahol „Ƭ” jelentése tou (Időállandó).
Számítsuk ki azt az időt, amely alatt az induktor töltődik fel az áramkörben. Itt 1mH értékű induktivitást és 100 Ohm ellenállást használtunk
Ƭ = L / R = (1 * 10 ^ -3) / (100) = 10 ^ -5 másodperc T = 5Ƭ = (5 * 10 ^ -5) = 50 * 10 ^ -6 T = 50 u másodperc.
Hasonlóképpen, az alábbi képletek segítségével kiszámíthatjuk az induktivitás feszültségét is bármikor és az induktoron keresztüli áramot bármikor
V (t) = V B (1 - e -tR / L) I (t) = I o (1 - e -tR / L)
Ahol V B az akkumulátor feszültsége és I o az áramkör kimeneti árama. A t értéke az az idő (másodpercben), amikor az Induktor feszültségét vagy áramértékét ki kell számítani.
RLC áramkör:
Az RLC áramkör, amint a neve is mutatja, sorba vagy párhuzamosan kapcsolt ellenállásból, kondenzátorból és induktivitásból áll. Az áramkör egy oszcillátor áramkört képez, amelyet nagyon gyakran használnak a rádióvevőkben és a televíziókban. Nagyon gyakran használják csillapító áramkörként analóg alkalmazásokban is. Az első rendű RLC áramkör rezonancia tulajdonságát az alábbiakban tárgyaljuk
Az RLC áramkört soros rezonancia áramkörnek, oszcilláló áramkörnek vagy hangolt áramkörnek is nevezik. Ez az áramkör képes rezonáns frekvenciás jel előállítására, amint az az alábbi képen látható
Itt van egy 100u C1 kondenzátor és egy 10mH L1 induktor, amely egy kapcsolón keresztül csatlakozik ón sorozathoz. Mivel a C és L összekötő vezetéknek van némi belső ellenállása, feltételezzük, hogy a huzal miatt kis ellenállás van jelen.
Kezdetben a 2 kapcsolót nyitva tartjuk, és zárjuk az 1 kapcsolót, hogy feltöltsük a kondenzátort az akkumulátorforrásból (9V). Ezután a kondenzátor feltöltése után az 1 kapcsolót kinyitják, majd a 2 kapcsolót bezárják.
Amint a kapcsoló zárva van, a kondenzátorban tárolt töltés elmozdul az induktor felé és feltölti. Amint a kondenzátor teljesen lemerült, az induktor elkezd visszavezetni a kondenzátorba, így a töltések oda-vissza áramlanak az induktor és a kondenzátor között. De mivel a folyamat során némi veszteség jelentkezik, a teljes töltés fokozatosan csökken, amíg el nem éri a nullát, amint az a fenti grafikonon látható.
Alkalmazások:
Az ellenállások, az induktorok és a kondenzátorok lehetnek normális és egyszerű alkatrészek, de ha ezeket összegyűjtve olyan áramköröket képeznek, mint az RC / RL és az RLC áramkörök, összetett viselkedést mutatnak, ami alkalmassá teszi a felhasználást széles körben. Ezek közül néhányat felsorolunk az alábbiakban
- Kommunikációs rendszerek
- Jelfeldolgozás
- Feszültség / áram nagyítás
- Rádióhullámú adók
- RF erősítők
- Rezonáns LC áramkör
- Változtatható dallamkörök
- Oszcillátor áramkörök
- Szűrő áramkörök