Pytanie:
Rozumienie obwodu RC
Kevin Boyd
2010-04-11 08:29:59 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Próbuję zrozumieć zasady działania obwodu ładującego / rozładowującego RC, ale nie rozumiem niektórych aspektów jego działania.

Mam generator fal prostokątnych, który daje poziomy od 0 V do 5 V na pewnych częstotliwość, powiedzmy 1 Khz przy 50% cyklu pracy. Moje R = 3,3K i C = 100nf.

Uważam, że jeśli kondensator ładuje się podczas wysokiego stanu generatora i rozładowuje się równomiernie podczas niskiego stanu generatora. Wtedy nie powinien mieć już żadnego ładunku i powinien pozostać na tym poziomie (nienaładowany). Jednak kiedy próbuję tego praktycznie, stwierdzam, że ostatecznie kondensator ładuje się do jakiegoś średniego poziomu, to jest 2V, którego mój umysł nie może naprawdę zrozumieć.

Czy kondensator ładuje się i rozładowuje oraz różne szybkości w obwodzie RC, co dokładnie się dzieje, nie mogę tego wyjaśnić, prawda?

Pięć odpowiedzi:
W5VO
2010-04-11 09:57:19 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Kluczem jest stała czasowa RC. Jest to iloczyn rezystancji i pojemności szeregowej. Na przykład byłoby to 3300 omów * 0,0000001 faradów, co daje 0,00033 sekundy. Aby kondensator w pełni naładował się lub rozładował, należy odczekać 5 stałych czasowych. W twoim przykładzie kondensator osiągnie tylko około 75% pełnego naładowania / rozładowania w połowie okresu fali prostokątnej 1 kHz. Rozważ zmniejszenie częstotliwości lub użycie mniejszego kondensatora lub rezystora.

Inne możliwe problemy mogą obejmować:

  • Nieprawidłowe podłączenie obwodu. Kondensator, rezystor i generator funkcyjny powinny być połączone szeregowo.
  • Używanie niewłaściwego narzędzia do pomiaru napięcia. Aby uzyskać oczekiwane wyniki, potrzebujesz oscyloskopu. Multimetr nie da tych samych wyników, chyba że stała czasowa jest bliska jednej sekundy.
  • Generator wzorców ma wysoką impedancję wyjściową. Jest to mało prawdopodobne, ale jeśli impedancja jest bliska wartości rezystora, to zniweczy twoje obliczenia.
jpc
2010-04-11 19:24:06 UTC
view on stackexchange narkive permalink
  1. Podczas ładowania różnica napięć na rezystorze wynosi 5 V (nasadka = 0 V, wyjście = 5 V). Po przełączeniu wyjścia na 0 V nasadka miała pewne napięcie X, które było niższe niż 5 V.

    Podczas rozładowywania napięcie na rezystorze jest mniejsze niż 5 V, prąd jest również mniejszy, a więc mniej ładunku jest usuwane z kondensatora.

    Więc szybkości ładowania i rozładowania nie są takie same.

  2. Kiedy będą takie same? Gdy napięcia na rezystorze są takie same. Dzieje się tak, gdy średnie napięcie na kondensatorze wynosi Vcc / 2, co zostało zmierzone.

  3. Ogólna zasada jest taka, że ​​napięcie na kondensatorze jest równe uśrednionemu napięciu wejściowemu . Jeśli użyjesz większego kondensatora i / lub rezystora, tym dłużej zajmie ustalenie średniej (obwód będzie miał większą „bezwładność” lub „pamięć”).

W odniesieniu do reguły trzeciej może to być prawda, ale gdy dostosowujesz wartości rezystora i ograniczenia, dostosowujesz częstotliwość odcięcia. Jeśli przejdziesz do niższej częstotliwości odcięcia, ładowanie trwa dłużej, wyższa częstotliwość ładuje się szybciej, ale ma większe tętnienia.
stevenvh
2011-09-13 15:44:34 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Jeśli częstotliwość fali prostokątnej jest wystarczająco niska, filtrowany przez RC sygnał będzie podążał za falą prostokątną, chociaż z mniej stromymi krawędziami.
Ale to wymaga 5T (stałych czasowych RC), aby osiągnąć mniej więcej 5 V lub 0 V; po 5T osiągnięto około 99% wartości końcowej.

W naszym przypadku

\ $ 1T = RC = 3300 \ Omega \ times 100nF = 330 \ mu s \ $

a jeden okres to \ $ 1000 \ mu s \ $, więc pół okresu to tylko 1,5 T. Oznacza to, że sygnał nie ma czasu na osiągnięcie 5 V przy wzroście lub 0 V przy opadaniu:

enter image description here

podczas gdy dla krótszego czasu sygnał więcej wygląda tak:

enter image description here

Zauważ, że w drugim przypadku (jest to stała czasowa \ $ T = 33 \ mu s \ $) sygnał dociera do obu 5 V i 0 V, podczas gdy nie w naszym przypadku; czas jest po prostu za krótki.

Teraz o 2V, które mierzysz. Jeśli mierzysz to za pomocą multimetru cyfrowego, łatwo to wyjaśnić: multimetr cyfrowy uśrednia zmierzoną wartość. Jeśli rzeczywiście widzisz to w zakresie, prawdopodobnie wygląda to trochę tak:

enter image description here

To pokazuje ten sam efekt, który widzieliśmy wcześniej: stała czasowa jest o wiele za długa, a kondensator prawie nie ma czasu na rozpoczęcie ładowania i rozładowywania. Tutaj \ $ T = 3,3 ms \ $.
Jeśli widzisz to, może być coś nie tak z twoimi komponentami; sprawdź, czy naprawdę są \ $ 3300 \ Omega \ $ i \ $ 100nF \ $. Jeśli wartości są prawidłowe, możesz mieć dodatkową impedancję połączoną szeregowo z rezystorem.

skąd bierzesz te wykresy? nie kwestionuję słuszności ich treści, pytam, jakie narzędzie je generuje?
@JustJeff - Excel. Używałbym Mathematica, ale wciąż się uczę, jak z niego korzystać. Tak, wiem, normalni ludzie używaliby jakiejś wersji SPICE! ;-)
+1, Doskonałe wyjaśnienie ze zdumiewającą grafiką! Zdumiony, widząc, że możemy to zrobić za pomocą programu Excel.
JustJeff
2010-05-03 07:34:52 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Jak mierzysz to 2V? Z kontekstu wygląda to tak, jakbyś używał multimetru, a nie oscyloskopu. Aby naprawdę zobaczyć, co się dzieje w takim obwodzie, oscyloskop jest instrumentem z wyboru. Byłbyś w stanie zobaczyć z symetrii krzywych ładowania i rozładowania, że ​​współczynniki są rzeczywiście takie same.

Ale wygląda na to, że używasz miernika i urządzenia, które po prostu daje liczba, zrozumienie tego, co się dzieje, wymaga pewnej interpretacji.

Wydaje się rozsądne interpretowanie sygnału wejściowego, który opisałeś, jako falę prostokątną 5 V od szczytu do szczytu poruszającą się z przesunięciem 2,5 V DC. Więc jeśli używasz miernika DC, możesz spodziewać się pomiaru tego poziomu 2,5 V DC na kondensatorze.

Jeśli twoim urządzeniem pomiarowym jest DVM, możesz rozsądnie zignorować wpływ miernika na obwód. Nawet tanie mierniki cyfrowe mają megaomy impedancji i nie obciążają testowanego obwodu skali k-omów. Jednak tego rodzaju mierniki różnią się znacznie pod względem zdolności do zrozumienia zmiennych w czasie danych wejściowych. Niektóre nadają się tylko do sprawdzania baterii. Niektóre dają rzetelny odczyt DC w obecności sinusoidalnego AC, ale nie przy bardziej złożonym AC. Niektóre podają prawdziwą wartość skuteczną RMS bez względu na kształt przebiegu.

A jeśli mierzysz za pomocą starego miernika ruchu mechanicznego, musisz pamiętać, że jako woltomierze te metry są odpowiednikiem kilku kiloomów, w najlepszym przypadku może 10 kiloomów. Podłączenie tego rodzaju miernika do opisywanego obwodu z pewnością obciąży obwód i znacząco zmieni jego zachowanie. Aby mieć pewność, otrzymasz odczyty, ale musisz je zinterpretować, wiedząc, jak wpływa to na obwód. W przypadku opisywanej przez ciebie konfiguracji R-C, ten rodzaj miernika wskazywałby niższą wartość niż DVM, na podstawie tego, że jego rezystancja pomogłaby rozładować nasadkę, nie przyczyniając się do jej naładowania.

Mark
2010-05-03 11:14:11 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Zakładam, że w twoim obwodzie rezystor jest połączony szeregowo z nasadką, a nasadka jest przywiązana do masy, to znaczy zbudowałeś jednobiegunowy filtr dolnoprzepustowy.

Z R = 3,3k i C = 100nF punkt -3db będzie wynosił ~ 482Hz. Przy 1kHz odpowiedź będzie ~ -6dB.

Przy tej stałej czasowej spodziewałbym się, że napięcie na nasadce będzie szorstką sinusoidą z niskim poziomem od szczytu do szczytu (może 0,5-1,0 V?) I przesunięcie DC 2-2,5 V, w zależności od jakości i typu kondensatora.

Dlaczego tak się dzieje ....

Gdy napięcie wejściowe jest wysokie, korek jest ładowanie, ale nigdy nie osiąga 5V ze względu na wybraną stałą czasową. Kiedy sygnał wejściowy spada, nasadka zaczyna się rozładowywać, ale ponownie nigdy się nie rozładowuje.

Przesuń punkt -3db do być może 9 kHz, a prawdopodobnie zobaczysz więcej tego, czego oczekujesz, czyli falę prostokątną wyglądająca rzecz z ogonami ładującymi i wyładowczymi zamiast ostrych krawędzi.

Możesz o tym pomyśleć w dziedzinie częstotliwości, jeśli chcesz ułatwić sobie myślenie. Fala prostokątna składa się z częstotliwości podstawowej + tylko nieparzystych harmonicznych. Aby zachować kształt sygnału, będziesz chciał, aby jego podstawa (1 kHz w twoim przypadku) i przynajmniej kilka pierwszych harmonicznych (3k, 5k, 7k, 9k itd.) Pozostała nienaruszona. Harmoniczne wyższego rzędu nadają sygnałowi ostre kwadratowe krawędzie, więc jeśli je odfiltrujesz, otrzymasz oczekiwane ogony ładowania / rozładowania.



To pytanie i odpowiedź zostało automatycznie przetłumaczone z języka angielskiego.Oryginalna treść jest dostępna na stackexchange, za co dziękujemy za licencję cc by-sa 2.0, w ramach której jest rozpowszechniana.
Loading...