- Grundprinzip von RC / RL- und RLC-Schaltungen:
- RC-Schaltung:
- RL-Schaltung:
- RLC-Schaltung:
- Anwendungen:
Die gesamten elektronischen Komponenten können in zwei große Kategorien eingeteilt werden, eine als aktive Komponente und eine als passive Komponente. Die passiven Komponenten umfassen den Widerstand (R), den Kondensator (C) und den Induktor (L). Dies sind die drei am häufigsten verwendeten Komponenten in der Elektronikschaltung, und Sie finden sie in fast jeder Anwendungsschaltung. Diese drei Komponenten bilden zusammen in verschiedenen Kombinationen die RC-, RL- und RLC-Schaltungen und haben viele Anwendungen wie Filterschaltungen, Röhrenlichtdrosseln, Multivibratoren usw. In diesem Tutorial lernen wir die Grundlagen dieser Schaltungen, die Theorie dahinter sie und wie man sie in unseren Schaltkreisen verwendet.
Bevor wir zu den Hauptthemen springen, wollen wir verstehen, was ein R, L und C in einer Schaltung tun.
Widerstand: Widerstände sind mit dem Buchstaben "R" gekennzeichnet. Ein Widerstand ist ein Element, das Energie hauptsächlich in Form von Wärme abführt. Es wird einen Spannungsabfall aufweisen, der für einen festen Wert des durch ihn fließenden Stroms fest bleibt.
Kondensator: Kondensatoren sind mit dem Buchstaben "C" gekennzeichnet. Ein Kondensator ist ein Element, das Energie (vorübergehend) in Form eines elektrischen Feldes speichert. Der Kondensator widersteht Spannungsänderungen. Es gibt viele Arten von Kondensatoren, von denen meistens der Keramikkondensator und die Elektrolytkondensatoren verwendet werden. Sie laden in eine Richtung und entladen sich in entgegengesetzter Richtung
Induktor: Induktivitäten sind mit dem Buchstaben "L" gekennzeichnet. Ein Induktor ähnelt ebenfalls einem Kondensator, speichert ebenfalls Energie, wird jedoch in Form eines Magnetfelds gespeichert. Induktivitäten widerstehen Stromänderungen. Induktivitäten sind normalerweise spulengewickelte Drähte und werden im Vergleich zu den beiden ersteren Komponenten selten verwendet.
Wenn diese Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten zusammengefügt werden, können wir Schaltungen wie RC-, RL- und RLC-Schaltungen bilden, die zeit- und frequenzabhängige Reaktionen aufweisen, die in vielen Wechselstromanwendungen nützlich sind, wie bereits erwähnt. Eine RC / RL / RLC-Schaltung kann als Filter, Oszillator und vieles mehr verwendet werden. Es ist nicht möglich, jeden Aspekt in diesem Lernprogramm abzudecken. Daher werden wir in diesem Lernprogramm das grundlegende Verhalten dieser Schaltung kennenlernen.
Grundprinzip von RC / RL- und RLC-Schaltungen:
Bevor wir mit jedem Thema beginnen, lassen Sie uns verstehen, wie sich ein Widerstand, ein Kondensator und ein Induktor in einer elektronischen Schaltung verhalten. Zum besseren Verständnis betrachten wir eine einfache Schaltung, die aus einem Kondensator und einem Widerstand in Reihe mit einer Stromversorgung (5 V) besteht. In diesem Fall steigt die Spannung am Widerstand (Vr) auf ihren Maximalwert an, wenn die Stromversorgung an das RC-Paar angeschlossen ist, während die Spannung am Kondensator (Vc) auf Null bleibt. Dann beginnt der Kondensator langsam, Ladung aufzubauen, und somit Die Spannung am Widerstand nimmt ab und die Spannung am Kondensator steigt an, bis die Widerstandsspannung (Vr) Null erreicht hat und die Kondensatorspannung (Vc) ihren Maximalwert erreicht hat. Die Schaltung und die Wellenform sind im folgenden GIF zu sehen
Lassen Sie uns die Wellenform im obigen Bild analysieren, um zu verstehen, was tatsächlich in der Schaltung passiert. Eine gut dargestellte Wellenform ist im Bild unten dargestellt.
Wenn der Schalter eingeschaltet wird, erreicht die Spannung am Widerstand (rote Welle) ihr Maximum und die Spannung am Kondensator (blaue Welle) bleibt bei Null. Dann lädt sich der Kondensator auf und Vr wird Null und Vc wird maximal. In ähnlicher Weise entlädt sich der Kondensator, wenn der Schalter ausgeschaltet ist, und daher erscheint die negative Spannung über dem Widerstand, und wenn sich der Kondensator entlädt, wird sowohl die Kondensator- als auch die Widerstandsspannung Null, wie oben gezeigt.
Gleiches kann auch für Induktoren sichtbar gemacht werden. Ersetzen Sie den Kondensator durch eine Induktivität, und die Wellenform wird nur gespiegelt. Das heißt, die Spannung am Widerstand (Vr) ist beim Einschalten des Schalters Null, da die gesamte Spannung an der Induktivität (Vl) anliegt. Wenn der Induktor die Spannung über (Vl) auflädt, erreicht er Null und die Spannung über dem Widerstand (Vr) erreicht die maximale Spannung.
RC-Schaltung:
Die RC-Schaltung (Widerstandskondensatorschaltung) besteht aus einem Kondensator und einem Widerstand, die entweder in Reihe oder parallel zu einer Spannungs- oder Stromquelle geschaltet sind. Diese Arten von Schaltungen werden auch als RC-Filter oder RC-Netzwerke bezeichnet, da sie am häufigsten in Filteranwendungen verwendet werden. Eine RC-Schaltung kann verwendet werden, um einige Rohfilter wie Tiefpass-, Hochpass- und Bandpassfilter herzustellen. Eine RC-Schaltung erster Ordnung besteht nur aus einem Widerstand und einem Kondensator, und wir werden diese in diesem Tutorial analysieren
Um die RC-Schaltung zu verstehen, erstellen wir eine Basisschaltung auf dem Proteus und verbinden die Last über das Oszilloskop, um zu analysieren, wie sie sich verhält. Die Schaltung zusammen mit der Wellenform ist unten angegeben
Wir haben eine Last (Glühbirne) mit bekanntem Widerstand von 1 kOhm in Reihe mit einem Kondensator von 470 uF geschaltet, um eine RC-Schaltung zu bilden. Der Stromkreis wird von einer 12-V-Batterie gespeist und ein Schalter wird zum Schließen und Öffnen des Stromkreises verwendet. Die Wellenform wird über die Lastbirne gemessen und ist im obigen Bild in gelber Farbe dargestellt.
Wenn der Schalter geöffnet ist, erscheint anfänglich die maximale Spannung (12 V) über der ohmschen Glühbirnenlast (Vr) und die Spannung über dem Kondensator ist Null. Wenn der Schalter geschlossen ist, fällt die Spannung am Widerstand auf Null ab, und wenn sich der Kondensator auflädt, erreicht die Spannung wieder das Maximum, wie in der Grafik gezeigt.
Die Zeit, die der Kondensator zum Laden benötigt, wird durch die Formeln T = 5Ƭ angegeben, wobei "Ƭ" tou (Zeitkonstante) darstellt.
Berechnen wir die Zeit, die unser Kondensator benötigt, um sich im Stromkreis aufzuladen.
Ƭ = RC = (1000 * (470 * 10 ^ -6)) = 0,47 Sekunden T = 5Ƭ = (5 * 0,47) T = 2,35 Sekunden.
Wir haben berechnet, dass die Zeit, die der Kondensator zum Aufladen benötigt, 2,35 Sekunden beträgt. Dies kann auch anhand der obigen Grafik überprüft werden. Die Zeit, die Vr benötigt, um von 0 V bis 12 V zu erreichen, entspricht der Zeit, die der Kondensator benötigt, um von 0 V auf die maximale Spannung aufzuladen. Das Diagramm wird mit den Cursorn im folgenden Bild dargestellt.
In ähnlicher Weise können wir auch die Spannung über dem Kondensator zu einem bestimmten Zeitpunkt und den Strom durch den Kondensator zu einem bestimmten Zeitpunkt unter Verwendung der folgenden Formeln berechnen
V (t) = V B (1 - e - t / RC) I (t) = I o (1 - e - t / RC)
Wobei V B die Batteriespannung und I o der Ausgangsstrom der Schaltung ist. Der Wert von t ist der Zeitpunkt (in Sekunden), zu dem der Spannungs- oder Stromwert des Kondensators berechnet werden muss.
RL-Schaltung:
Die RL-Schaltung (Widerstandsinduktorschaltung) besteht aus einer Induktivität und einem Widerstand, die entweder in Reihe oder parallel geschaltet sind. Eine Serien-RL-Schaltung wird von einer Spannungsquelle und eine Parallel-RL-Schaltung von einer Stromquelle angesteuert. RL-Schaltungen werden üblicherweise als passive Filter verwendet. Eine RL-Schaltung erster Ordnung mit nur einer Induktivität und einem Kondensator ist unten gezeigt
Ebenso müssen wir in einer RL-Schaltung den Kondensator durch einen Induktor ersetzen. Es wird angenommen, dass die Glühbirne als reine Widerstandslast wirkt, und der Widerstand der Glühbirne wird auf einen bekannten Wert von 100 Ohm eingestellt.
Wenn der Stromkreis offen ist, ist die Spannung an der ohmschen Last maximal, und wenn der Schalter geschlossen ist, wird die Spannung von der Batterie zwischen der Induktivität und der ohmschen Last aufgeteilt. Der Induktor lädt sich schnell auf und daher tritt bei der ohmschen Last R ein plötzlicher Spannungsabfall auf.
Die Zeit, die der Induktor zum Aufladen benötigt, kann mit der Formel T = 5Ƭ berechnet werden , wobei „Ƭ“ tou (Zeitkonstante) darstellt.
Berechnen wir die Zeit, die unser Induktor benötigt, um sich im Stromkreis aufzuladen. Hier haben wir einen Induktor mit einem Wert von 1 mH und einen Widerstand mit einem Wert von 100 Ohm verwendet
Ƭ = L / R = (1 · 10 & supmin ; ³) / (100) = 10 · 5 Sekunden T = 5 · = (5 · 10 & supmin ; & sup5 ;) = 50 · 10 & supmin ; & sup6 ; T = 50 u Sekunden.
In ähnlicher Weise können wir auch die Spannung über dem Induktor zu einem bestimmten Zeitpunkt und den Strom durch den Induktor zu einem bestimmten Zeitpunkt unter Verwendung der folgenden Formeln berechnen
V (t) = V B (1 - e - tR / L) I (t) = I o (1 - e - tR / L)
Wobei V B die Batteriespannung und I o der Ausgangsstrom der Schaltung ist. Der Wert von t ist der Zeitpunkt (in Sekunden), zu dem der Spannungs- oder Stromwert des Induktors berechnet werden muss.
RLC-Schaltung:
Eine RLC-Schaltung besteht, wie der Name schon sagt, aus einem Widerstand, einem Kondensator und einem Induktor, die in Reihe oder parallel geschaltet sind. Die Schaltung bildet eine Oszillatorschaltung, die sehr häufig in Funkempfängern und Fernsehgeräten verwendet wird. Es wird auch sehr häufig als Dämpferschaltung in analogen Anwendungen verwendet. Die Resonanzeigenschaft einer RLC-Schaltung erster Ordnung wird unten diskutiert
Die RLC-Schaltung wird auch als Serienresonanzschaltung, Schwingschaltung oder abgestimmte Schaltung bezeichnet. Diese Schaltung hat die Fähigkeit, ein Resonanzfrequenzsignal bereitzustellen, wie in der folgenden Abbildung gezeigt
Hier haben wir einen Kondensator C1 von 100u und einen Induktor L1 von 10mH, die über einen Schalter mit Zinnserien verbunden sind. Da der Draht, der C und L verbindet, einen gewissen Innenwiderstand aufweist, wird angenommen, dass aufgrund des Drahtes ein geringer Widerstand vorhanden ist.
Zunächst halten wir den Schalter 2 geöffnet und schließen den Schalter 1, um den Kondensator von der Batteriequelle (9 V) aufzuladen. Sobald der Kondensator aufgeladen ist, wird der Schalter 1 geöffnet und dann der Schalter 2 geschlossen.
Sobald der Schalter geschlossen ist, bewegt sich die im Kondensator gespeicherte Ladung in Richtung des Induktors und lädt ihn auf. Sobald der Kondensator vollständig entladen ist, beginnt der Induktor, sich wieder in den Kondensator zu entladen, so dass Ladungen zwischen dem Induktor und dem Kondensator hin und her fließen. Da es während dieses Vorgangs zu einem gewissen Ladungsverlust kommt, nimmt die Gesamtladung allmählich ab, bis sie Null erreicht, wie in der obigen Grafik gezeigt.
Anwendungen:
Die Widerstände, Induktivitäten und Kondensatoren können normale und einfache Komponenten sein, aber wenn sie kombiniert werden, um Schaltungen wie RC / RL- und RLC-Schaltungen zu bilden, zeigen sie ein komplexes Verhalten, das sie für einen breiten Anwendungsbereich geeignet macht. Einige von ihnen sind unten aufgeführt
- Kommunikationssysteme
- Signalverarbeitung
- Spannungs- / Stromvergrößerung
- Funkwellensender
- HF-Verstärker
- Resonanz-LC-Schaltung
- Schaltkreise mit variabler Abstimmung
- Oszillatorschaltungen
- Filterkreise