Hiểu mạch RC

Tôi đang cố gắng tìm hiểu các nguyên tắc của mạch sạc / xả RC, tuy nhiên tôi không biết gì về các khía cạnh nhất định trong hoạt động của nó.

Tôi có một máy phát sóng vuông cho các mức 0v đến 5V ở tần số nhất định, giả sử 1Khz ở chu kỳ nhiệm vụ 50%. R của tôi = 3,3K và C = 100nf.

Suy nghĩ của tôi là nếu tụ điện tích điện trong trạng thái cao của máy phát và xả bằng nhau trong trạng thái thấp của máy phát. Sau đó, nó không nên có bất kỳ khoản phí nào còn lại và nên duy trì ở mức đó (không tính phí). Tuy nhiên, khi tôi thử nó một cách thực tế, tôi thấy rằng cuối cùng tụ điện tích điện ở mức trung bình, đó là 2V mà tâm trí tôi không thể thực sự hiểu được.

Có phải sạc và xả tụ điện và các tốc độ khác nhau trong một mạch RC chính xác những gì đang diễn ra sau đó tôi thực sự không thể giải thích, bạn có thể?

Chìa khóa là hằng số thời gian RC. Đây là sản phẩm của điện trở và điện dung nối tiếp. Ví dụ của bạn, đó sẽ là 3,300 ohms * 0,0000001 farads, kết quả là 0,00033 giây. Để tụ điện sạc đầy hoặc xả, bạn cần đợi 5 hằng số thời gian. Trong ví dụ của bạn, tụ điện sẽ chỉ đạt khoảng 75% mức sạc / xả đầy trong nửa thời gian của sóng vuông 1 kHz. Xem xét giảm tần số của bạn, hoặc sử dụng một tụ điện hoặc điện trở nhỏ hơn.

Các vấn đề khác có thể bao gồm:

• Kết nối mạch không chính xác. Các tụ điện, điện trở và bộ tạo chức năng nên được nối tiếp.
• Sử dụng sai công cụ để đo điện áp. Để có kết quả mà bạn đang mong đợi, bạn cần một máy hiện sóng. Đồng hồ vạn năng sẽ không cho bạn kết quả tương tự trừ khi hằng số thời gian của bạn gần một giây.
• Bộ tạo mẫu có trở kháng đầu ra cao. Điều này là không thể, nhưng nếu trở kháng gần với giá trị điện trở của bạn, điều đó sẽ làm mất tính toán của bạn.

1. Khi bạn đang sạc chênh lệch điện áp trên điện trở là 5V (cap = 0V, đầu ra = 5V). Khi bạn chuyển đầu ra thành 0V, nắp có điện áp X thấp hơn 5V.

   Trong quá trình phóng điện áp trên điện trở nhỏ hơn 5V, dòng điện cũng nhỏ hơn và do đó điện tích được lấy ra khỏi tụ ít hơn.

   Vì vậy, phí và tỷ lệ xả không giống nhau.

2. Khi nào họ sẽ giống nhau? Khi điện áp trên điện trở là như nhau. Điều này xảy ra khi điện áp trung bình trên tụ là Vcc / 2, đó là những gì bạn đã đo.

3. Nguyên tắc chung là điện áp trên tụ bằng với điện áp đầu vào trung bình. Nếu bạn sử dụng một tụ điện và / hoặc điện trở lớn hơn, thì thời gian trung bình sẽ mất nhiều thời gian hơn (mạch sẽ có nhiều "quán tính" hoặc "bộ nhớ").

Nếu tần số sóng vuông của bạn đủ thấp, tín hiệu được lọc RC sẽ theo sát sóng vuông, mặc dù với các cạnh ít dốc hơn.
Nhưng điều này cần 5T (hằng số thời gian RC) để ít nhiều đạt tới mức 5V hoặc 0V; sau 5T khoảng 99% giá trị cuối cùng đạt được.

Trong trường hợp của chúng ta

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

và một khoảng thời gian là , vì vậy một nửa thời gian chỉ là 1,5T. Điều đó có nghĩa là tín hiệu không có thời gian để đạt 5V khi tăng hoặc 0V khi đi xuống: $1000\mu s$

trong khi với thời gian ngắn hơn, tín hiệu sẽ giống như thế này:

Lưu ý rằng trong trường hợp thứ hai (đây là hằng số thời gian ), tín hiệu đạt cả 5V và 0V, trong khi đó không phải cho trường hợp của chúng tôi; thời gian đơn giản là quá ngắn $T = 33\mu s$

Bây giờ về 2V bạn đang đo. Nếu bạn đo lường điều này bằng DMM, thật dễ để giải thích: DMM tính trung bình giá trị đo được. Nếu bạn thực sự nhìn thấy nó trên một phạm vi, nó có thể trông hơi giống thế này:

Điều này cho thấy hiệu ứng tương tự mà chúng ta đã thấy trước đó: hằng số thời gian là quá dài và tụ điện hầu như không có thời gian để bắt đầu sạc và xả. Ở đây . Nếu đây là những gì bạn thấy có thể có điều gì đó không ổn với các thành phần của bạn; kiểm tra xem chúng có thực sự và . Nếu các giá trị là đúng, bạn có thể có trở kháng phụ nối tiếp với điện trở.3300 Ω 100 n $T = 3.3ms$
$3300\Omega$$100nF$

Làm thế nào để bạn đo 2V này? Từ ngữ cảnh có vẻ như bạn có thể đang sử dụng đồng hồ vạn năng thay vì máy hiện sóng. Để thực sự thấy những gì đang diễn ra trong một mạch như thế này, máy hiện sóng là công cụ được lựa chọn. Bạn sẽ có thể nhìn thấy từ sự đối xứng của các đường cong điện tích và phóng điện rằng các tỷ lệ thực sự là như nhau.

Nhưng có vẻ như bạn đang sử dụng đồng hồ, và với một thiết bị chỉ cung cấp cho bạn một số, để hiểu những gì đang diễn ra đòi hỏi một số giải thích.

Có vẻ hợp lý để giải thích tín hiệu đầu vào mà bạn mô tả là sóng vuông góc cực đại đến cực đại 5V trên phần bù DC 2,5V. Vì vậy, nếu bạn sử dụng thiết bị đo DC, bạn có thể mong đợi đo mức DC 2,5V này qua tụ điện.

Nếu thiết bị đo của bạn là DVM, bạn có thể bỏ qua các tác động của đồng hồ trên mạch một cách hợp lý. Ngay cả các đồng hồ kỹ thuật số giá rẻ cũng có megohms trở kháng và sẽ không tải xuống mạch tỷ lệ k-ohm đang thử nghiệm. Tuy nhiên, các loại máy đo này khác nhau rất nhiều về khả năng cảm nhận đầu vào thay đổi theo thời gian. Một số tốt chỉ để kiểm tra pin. Một số sẽ cung cấp cho bạn đọc DC công bằng với sự hiện diện của AC hình sin, nhưng không phải với AC phức tạp hơn. Một số sẽ cung cấp cho bạn RMS thực sự bất kể hình dạng của dạng sóng.

Và nếu bạn đang đo bằng máy đo chuyển động cơ học cũ, bạn phải nhớ rằng, như mét-mét, những mét này tương đương với một vài k-ohms, có thể là 10-kms tốt nhất. Việc nối loại máy đo này vào mạch mà bạn mô tả rất chắc chắn sẽ tải mạch và thay đổi đáng kể hành vi của nó. Bạn sẽ nhận được các bài đọc để chắc chắn, nhưng bạn phải giải thích những điều này biết làm thế nào các mạch bị ảnh hưởng. Trong trường hợp thiết lập RC mà bạn mô tả, loại đồng hồ này sẽ đọc thấp hơn DVM, trên cơ sở điện trở của nó sẽ giúp xả nắp trong khi không đóng góp gì cho việc sạc pin.

Tôi giả sử mạch của bạn có điện trở nối tiếp với nắp và nắp được nối với mặt đất, đó là bạn đã xây dựng một bộ lọc thông thấp cực đơn.

Với R = 3,3k và C = 100nF, điểm -3db sẽ là ~ 482Hz. Tại 1kHz, đáp ứng sẽ là ~ -6dB.

Với hằng số thời gian đó, tôi dự đoán điện áp trên nắp sẽ là một hình sin thô có mức cực đại thấp đến cực đại (0,5-1,0v có thể?) Và độ lệch DC 2-2,5V, tùy thuộc vào chất lượng và loại tụ điện .

Về lý do tại sao điều này xảy ra ....

Khi đầu vào cao, nắp đang sạc nhưng không bao giờ đạt được 5V do hằng số thời gian bạn đã chọn. Khi đầu vào xuống thấp, nắp bắt đầu xả nhưng một lần nữa nó không bao giờ xả hoàn toàn.

Di chuyển điểm -3db lên tới 9kHz và bạn có thể sẽ thấy nhiều hơn những gì bạn mong đợi, đó là một thứ nhìn vuông vắn với đuôi sạc và xả thay vì các cạnh sắc nét.

Bạn có thể nghĩ về điều này trong miền tần số nếu bạn muốn làm cho nó dễ nghĩ hơn. Một sóng vuông được tạo thành từ tần số cơ bản của nó + chỉ có các sóng hài lẻ. Để giữ lại hình dạng của tín hiệu, bạn sẽ muốn cơ bản của nó (1kHz trong trường hợp của bạn) và ít nhất là một vài sóng hài đầu tiên (3k, 5k, 7k, 9k, v.v.). Các sóng hài bậc cao hơn cho tín hiệu các cạnh vuông sắc nét của nó, vì vậy nếu bạn lọc chúng ra, bạn sẽ nhận được các đuôi sạc / xả mà bạn đang mong đợi.