L'insieme dei componenti elettronici può essere suddiviso in due grandi categorie, una delle componenti attive e l'altra dei componenti passivi. I componenti passivi includono il resistore (R), il condensatore (C) e l'induttore (L). Questi sono i tre componenti più utilizzati nel circuito elettronico e li troverai in quasi tutti i circuiti applicativi. Questi tre componenti insieme in diverse combinazioni formeranno i circuiti RC, RL e RLC e hanno molte applicazioni come dai circuiti di filtraggio, induttanze di luce del tubo, multivibratori ecc. Quindi in questo tutorial impareremo le basi di questi circuiti, la teoria alla base loro e come usarli nei nostri circuiti.
Prima di passare agli argomenti principali, capiamo cosa fanno R, L e C in un circuito.
Resistore: i resistori sono indicati dalla lettera "R". Un resistore è un elemento che dissipa energia principalmente sotto forma di calore. Avrà una caduta di tensione attraverso di essa che rimane fissa per un valore fisso di corrente che fluisce attraverso di essa.
Condensatore: i condensatori sono indicati dalla lettera "C". Un condensatore è un elemento che immagazzina energia (temporaneamente) sotto forma di campo elettrico. Il condensatore resiste alle variazioni di tensione. Esistono molti tipi di condensatori, di cui vengono utilizzati principalmente il condensatore ceramico e i condensatori elettrolitici. Si caricano in una direzione e si scaricano nella direzione opposta
Induttore: gli induttori sono indicati con la lettera "L". Un induttore è anche simile al condensatore, immagazzina anche energia ma viene immagazzinata sotto forma di campo magnetico. Gli induttori resistono alle variazioni di corrente. Gli induttori sono normalmente un filo avvolto in bobina e sono usati raramente rispetto ai primi due componenti.
Quando questi resistori, condensatori e induttori vengono messi insieme, possiamo formare circuiti come circuiti RC, RL e RLC che mostrano risposte dipendenti dal tempo e dalla frequenza che saranno utili in molte applicazioni CA come già accennato. Un circuito RC / RL / RLC può essere utilizzato come filtro, oscillatore e molto altro non è possibile coprire ogni aspetto in questo tutorial, quindi ne impareremo il comportamento di base in questo tutorial.
Principio di base dei circuiti RC / RL e RLC:
Prima di iniziare con ogni argomento, cerchiamo di capire come si comportano un resistore, un condensatore e un induttore in un circuito elettronico. Ai fini della comprensione consideriamo un semplice circuito costituito da un condensatore e una resistenza in serie con un alimentatore (5V). In questo caso, quando l'alimentatore è collegato alla coppia RC, la tensione ai capi del resistore (Vr) aumenta al suo valore massimo mentre la tensione ai capi del condensatore (Vc) rimane a zero, quindi lentamente il condensatore inizia a creare carica e quindi la tensione attraverso il resistore diminuirà e la tensione attraverso il condensatore aumenterà fino a quando la tensione del resistore (Vr) non avrà raggiunto lo zero e la tensione del condensatore (Vc) avrà raggiunto il suo valore massimo. Il circuito e la forma d'onda possono essere visti nella GIF qui sotto
Analizziamo la forma d'onda nell'immagine sopra per capire cosa sta realmente accadendo nel circuito. Una forma d'onda ben illustrata è mostrata nell'immagine sottostante.
Quando l'interruttore è acceso, la tensione ai capi del resistore (onda rossa) raggiunge il massimo e la tensione ai capi del condensatore (onda blu) rimane a zero. Quindi il condensatore si carica e Vr diventa zero e Vc diventa massimo. Allo stesso modo quando l'interruttore è spento il condensatore si scarica e quindi la tensione negativa appare attraverso il resistore e quando il condensatore si scarica sia il condensatore che la tensione del resistore diventano zero come mostrato sopra.
Lo stesso può essere visualizzato anche per gli induttori. Sostituisci il condensatore con un induttore e la forma d'onda sarà semplicemente speculare, cioè la tensione attraverso il resistore (Vr) sarà zero quando l'interruttore è acceso poiché l'intera tensione apparirà attraverso l'induttore (Vl). Quando l'induttore carica la tensione attraverso (Vl), raggiungerà lo zero e la tensione attraverso il resistore (Vr) raggiungerà la tensione massima.
Circuito RC:
Il circuito RC (circuito del condensatore della resistenza) sarà costituito da un condensatore e un resistore collegati in serie o in parallelo a una sorgente di tensione o corrente. Questi tipi di circuiti sono anche chiamati filtri RC o reti RC poiché sono più comunemente utilizzati nelle applicazioni di filtraggio. Un circuito RC può essere utilizzato per creare alcuni filtri grezzi come filtri passa-basso, passa-alto e passa-banda. Un circuito RC del primo ordine sarà composto da un solo resistore e un condensatore e analizzeremo lo stesso in questo tutorial
Per comprendere il circuito RC, creiamo un circuito di base su proteus e colleghiamo il carico attraverso l'oscilloscopio per analizzare come si comporta. Di seguito viene fornito il circuito insieme alla forma d'onda
Abbiamo collegato un carico (lampadina) di resistenza nota 1k Ohm in serie con un condensatore di 470uF per formare un circuito RC. Il circuito è alimentato da una batteria da 12V e un interruttore viene utilizzato per chiudere e aprire il circuito. La forma d'onda viene misurata attraverso il bulbo di carico ed è mostrata in colore giallo nell'immagine sopra.
Inizialmente quando l'interruttore è aperto la tensione massima (12V) appare sul carico resistivo della lampadina (Vr) e la tensione attraverso il condensatore sarà zero. Quando l'interruttore è chiuso, la tensione ai capi del resistore scenderà a zero e poi, mentre il condensatore si carica, la tensione tornerà al massimo come mostrato nel grafico.
Il tempo impiegato dal condensatore per caricarsi è dato dalle formule T = 5Ƭ, dove “Ƭ” rappresenta tou (Costante di tempo).
Calcoliamo il tempo impiegato dal nostro condensatore per caricarsi nel circuito.
Ƭ = RC = (1000 * (470 * 10 ^ -6)) = 0,47 secondi T = 5Ƭ = (5 * 0,47) T = 2,35 secondi.
Abbiamo calcolato che il tempo impiegato per la ricarica del condensatore sarà di 2,35 secondi, lo stesso si può verificare anche dal grafico sopra. Il tempo impiegato da Vr per passare da 0V a 12V è uguale al tempo impiegato dal condensatore per caricarsi da 0V alla massima tensione. Il grafico è illustrato utilizzando i cursori nell'immagine sottostante.
Allo stesso modo possiamo anche calcolare la tensione attraverso il condensatore in un dato momento e la corrente attraverso il condensatore in un dato momento usando le formule seguenti
V (t) = V B (1 - e -t / RC) I (t) = I o (1 - e -t / RC)
Dove, V B è la tensione della batteria e I o è la corrente di uscita del circuito. Il valore di t è il tempo (in secondi) in cui deve essere calcolato il valore di tensione o corrente del condensatore.
Circuito RL:
Il circuito RL (circuito induttore resistore) sarà composto da un induttore e un resistore nuovamente collegati in serie o in parallelo. Un circuito RL in serie sarà pilotato da una sorgente di tensione e un circuito RL in parallelo sarà pilotato da una sorgente di corrente. I circuiti RL sono comunemente usati come filtri passivi, un circuito RL del primo ordine con un solo induttore e un condensatore è mostrato di seguito
Allo stesso modo in un circuito RL dobbiamo sostituire il condensatore con un induttore. Si presume che la lampadina agisca come un carico resistivo puro e la resistenza della lampadina è impostata su un valore noto di 100 ohm.
Quando il circuito è aperto, la tensione attraverso il carico resistivo sarà massima e quando l'interruttore è chiuso la tensione della batteria è condivisa tra l'induttore e il carico resistivo. L'induttore si carica rapidamente e quindi un'improvvisa caduta di tensione sarà sperimentata dal carico resistivo R.
Il tempo impiegato dall'induttore per caricarsi può essere calcolato utilizzando la formula T = 5Ƭ, dove “Ƭ” rappresenta tou (Costante di tempo).
Calcoliamo il tempo impiegato dal nostro induttore per caricarsi nel circuito. Qui abbiamo usato un induttore di valore 1mH e il resistore di valore 100 Ohm
Ƭ = L / R = (1 * 10 ^ -3) / (100) = 10 ^ -5 secondi T = 5Ƭ = (5 * 10 ^ -5) = 50 * 10 ^ -6 T = 50 u secondi.
Allo stesso modo, possiamo anche calcolare la tensione attraverso l'induttore in un dato momento e la corrente attraverso l'induttore in un dato momento utilizzando le formule seguenti
V (t) = V B (1 - e -tR / L) I (t) = I o (1 - e -tR / L)
Dove, V B è la tensione della batteria e I o è la corrente di uscita del circuito. Il valore di t è il tempo (in secondi) in cui deve essere calcolato il valore di tensione o corrente dell'induttore.
Circuito RLC:
Un circuito RLC, come suggerisce il nome, sarà costituito da un resistore, un condensatore e un induttore collegati in serie o in parallelo. Il circuito forma un circuito oscillatore che è molto comunemente usato nei ricevitori radio e nei televisori. È anche molto comunemente usato come circuiti smorzatori nelle applicazioni analogiche. La proprietà di risonanza di un circuito RLC del primo ordine è discussa di seguito
Il circuito RLC è anche chiamato circuito di risonanza in serie, circuito oscillante o circuito sintonizzato. Questi circuiti hanno la capacità di fornire un segnale di frequenza di risonanza come mostrato nell'immagine sottostante
Qui abbiamo un condensatore C1 di 100u e un induttore L1 di 10mH collegato in serie di stagno tramite un interruttore. Poiché il filo che collega C e L avrà una certa resistenza interna, si presume che sia presente una piccola quantità di resistenza a causa del filo.
Inizialmente, teniamo l'interruttore 2 aperto e chiudiamo l'interruttore 1 per caricare il condensatore dalla fonte della batteria (9V). Quindi, una volta caricato il condensatore, l'interruttore 1 viene aperto e quindi l'interruttore 2 viene chiuso.
Non appena l'interruttore è chiuso, la carica immagazzinata nel condensatore si sposterà verso l'induttore e lo caricherà. Una volta che il condensatore è completamente scarico, l'induttore inizierà a scaricarsi nuovamente nel condensatore in questo modo le cariche fluiranno avanti e indietro tra l'induttore e il condensatore. Ma poiché ci sarà una certa perdita di carica durante questo processo, la carica totale diminuirà gradualmente fino a raggiungere lo zero, come mostrato nel grafico sopra.
Applicazioni:
I resistori, gli induttori e i condensatori possono essere componenti normali e semplici, ma quando vengono combinati per formare circuiti come circuiti RC / RL e RLC mostrano un comportamento complesso che lo rende adatto per un'ampia gamma di applicazioni. Alcuni di loro sono elencati di seguito
- Sistemi di comunicazione
- Elaborazione del segnale
- Ingrandimento di tensione / corrente
- Trasmettitori di onde radio
- Amplificatori RF
- Circuito LC risonante
- Circuiti di melodie variabili
- Circuiti oscillatori
- Circuiti filtranti