Giải thích mạch phân biệt RC

Đây là mạch của bộ phân biệt RC cơ bản, với dạng sóng điện áp đầu vào / đầu ra.

1. Trước hết, tôi không hiểu tại sao có sự giảm điện áp đầu ra (xả điện từ tụ điện) miễn là nguồn cung cấp vẫn còn.
2. Thứ hai, tôi không hiểu tại sao điện áp trên điện trở giảm xuống mức âm.

Tôi biết đó là một câu hỏi đơn giản nhưng xin hãy giúp tôi hiểu mạch cơ bản này - cảm ơn.

Câu chuyện dài: Đối với việc chuyển đổi tín hiệu đầu vào từ thấp đến cao, tụ điện của bạn không được phóng điện, nó được sạc và nó vẫn được sạc cho đến khi quá trình chuyển đổi từ cao xuống thấp xảy ra.

Tuy nhiên, đây là câu chuyện dài:

Chúng tôi có quyền tự do bắt đầu với các vị trí thay đổi của R và C; lưu ý rằng tôi _trong  = I _C  = I _R , vì vậy chúng tôi thực sự được phép làm điều này (KCL). Đây là hình ảnh bạn thường thấy cho một tụ điện được sạc qua điện trở, vì vậy nó có thể đáng nỗ lực:

Chúng ta có thể thấy C được sạc theo hằng số thời gian RC và theo độ lớn của bước điện áp đầu vào từ 0 V đến V _in . Ngoài ra, chúng ta có thể xem như thế nào điện áp còn lại trên điện trở trên đầu trang của các tụ điện trở nên ít chúng ta càng sạc tụ: V _R  = V _trong  - V _C . Điều này gần như trả lời câu hỏi đầu tiên của bạn về việc giảm điện áp đầu ra; chúng ta chỉ cần đảo ngược cấu hình này một lần nữa.

Đây là mạch ban đầu của bạn một lần nữa, với một số ký hiệu chúng ta sẽ cần để giải thích, giả định rằng chúng ta không có tải và các phương trình hiển thị V _ra   cho C ở trên và R ở dưới cùng.

Chúng ta có thể tưởng tượng tấm trên của C vẫn ở V _trong như thế nào , tấm dưới trở nên tích điện về 0 V và cuối cùng, không còn điện áp nào trên điện trở, giữa tấm dưới và 0 V.

Điều này cuối cùng trả lời phần đầu tiên của câu hỏi của bạn (Tại sao C được thải ra?) - Nó không được thải ra, nó thực sự bị tính phí; chúng ta chỉ không nhìn vào tấm phía trên, mà ở tấm dưới kết nối với điện trở, dần dần bị kéo xuống thấp qua R.

Bây giờ, hãy nhớ rằng điện áp đầu ra bằng với điện áp trên điện trở. V _ra  = V _R  = R × Tôi _R , và một lần nữa, giả định rằng tôi _ra  = 0 (tải không đáng kể), V _ra  = R × tôi _C . Nói cách khác, điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với dòng sạc của tụ điện, được chia tỷ lệ theo giá trị của điện trở R.

Do đó, một bước từ thấp đến cao của tín hiệu đầu vào sẽ tạo ra sự tăng đột biến dương trên R, như chúng ta đã tính toán. Khi chúng ta đảo ngược mọi thứ, chúng ta sẽ thấy một bước từ cao xuống thấp sẽ tạo ra sự tăng đột biến âm như thế nào bởi vì dòng điện qua C đang chảy theo hướng ngược lại của mũi tên mà chúng ta đã sử dụng cho I _C - câu trả lời cho phần thứ hai của câu hỏi của bạn ( "Tại sao chúng ta có một sự tăng đột biến tiêu cực ở đầu ra?").

Nếu bạn thích (và tôi nghĩ nó rất vui!), Bạn có thể vẽ thêm một số hình ảnh và tính toán sự kiện từ cao đến thấp cho chính mình.

chỉnh sửa
Điện áp âm hơi bất ngờ nếu bạn biết rằng không có nguồn cung cấp âm. Nhưng nó có ý nghĩa khi chúng ta nhìn vào điện áp trên tụ điện. Khi cấp nguồn lần đầu tiên, điện áp ở cả hai phía của tụ điện bằng không. Chúng tôi bắt đầu sóng vuông và đầu vào đến 5 V. Các tụ điện không muốn thay đổi điện áp nhanh trên chúng. Bạn sẽ phải cung cấp rất nhiều dòng điện để sạc chúng nhanh. Nhưng điện trở không cho phép điều này, vì vậy điều ban đầu xảy ra là phía bên phải của tụ điện chỉ theo đầu vào; nó cũng nhảy lên +5 V, và sau đó từ từ được sạc qua điện trở. (Lưu ý rằng sạc ở đây có nghĩa là giảm điện áp, vì điện áp ở đầu vào là dương.)

Khi đầu vào bằng không, một cái gì đó tương tự xảy ra. Một lần nữa, đầu ra sẽ theo đầu vào vì điện áp sẽ không thay đổi nhanh như vậy. Nhưng đầu vào ở mức 5 V và đầu ra ở 0 V. Vì vậy, khi đầu vào giảm xuống 0 và tụ điện sẽ duy trì 5 V trên nó, đầu ra phải đi đến - 5 V.

Tôi đã thêm một đường cong thứ ba vào bản vẽ của bạn. Cái trên cùng là đầu vào, cái ở giữa là đầu ra và cái dưới cùng là sự khác biệt giữa những cái đó, tức là điện áp trên tụ. Bạn có thể thấy rằng nó tuân theo mô hình phóng điện quen thuộc, không thay đổi điện áp nhanh.
kết thúc chỉnh sửa

Điện áp hạ (*) là do điện trở. Nó sẽ rút điện áp đầu ra theo cấp số nhân theo tốc độ được xác định bởi hằng số thời gian RC. Sau 1 thời gian RC, điện áp sẽ giảm xuống còn 37% (1 / e), sau khoảng 5 lần RC xuống còn 1% (quy tắc ngón tay cái).

Đây là một cách khác để xem xét nó:
Các cạnh âm được gây ra bởi tần số cao của các cạnh. Một cạnh có phổ rộng, cạnh càng dốc thì phổ càng rộng. Không giống như các tần số thấp hơn, các tần số cao sẽ đi qua tụ gần như không bị suy giảm. Vì vậy, nếu đầu vào hiển thị cạnh âm đi từ 5 V đến 0 V, bạn sẽ có cạnh âm 5 V ở đầu ra. Nếu mức gần bằng 0 tại thời điểm đó, điện áp sẽ xuống -5 V. Nếu hằng số thời gian RC sẽ cao hơn, điện áp sẽ không bị giảm nhiều và xung âm có thể đi từ +2 V đến -3 V.

(*) Tôi đã sử dụng sai từ "xả" ở đây, mà, như zebonaut đã chỉ ra, là sai. Những gì bạn đang làm là sạc tụ điện. Đầu vào sẽ ở mức +5 V và đầu ra cũng vậy, vì không có thay đổi nào trên tụ điện. Khi điện áp đầu ra giảm điện áp trên tụ tăng , có nghĩa là nó được sạc , không được phóng điện.

Bước đầu tiên để hiểu điều này, là hiểu bản chất của "điện áp". Để làm điều này, bạn phải hiểu ("Grok") luật Ohm.

Định luật Ohm cho chúng ta biết rằng điện áp đầu ra, xuất hiện trên điện trở, được xác định bởi dòng điện qua điện trở. Khi điện áp đầu vào tăng đầu tiên, dòng điện chạy qua tụ điện và qua điện trở.

Sau đó các tụ điện sạc lên. Khi nó được sạc, dòng điện sẽ ngừng chảy qua nó. Nó cũng ngừng chảy qua điện trở. Bây giờ điện áp trên điện trở bằng không.

Hiểu điều này, và bạn có thể giải quyết phần còn lại.

Điện trở và tụ điện được kết nối nối tiếp. Để hiểu, bạn phải hiểu làm thế nào dòng chảy qua nó. Rõ ràng là đối với đầu vào DC ổn định, dòng điện phải bằng 0 sau một thời gian, vì tụ điện giống như mạch mở để kích thích DC. Hiện tại là lớn nhất tại thời điểm khi điện áp đầu vào được áp dụng trên mạch RC, và sau đó nó giảm theo cấp số nhân. Vì đầu ra là sản phẩm của điện trở không đổi và dòng điện giảm theo cấp số nhân, đây là lý do tại sao điện áp đầu ra giảm xuống trong khi điện áp đầu vào vẫn còn đó.

Thứ hai, khi bạn thực hiện thay đổi đột ngột ở đầu vào, sự thay đổi này ngay lập tức ảnh hưởng đến một tấm khác của tụ điện, vì bạn không thể đột ngột thay đổi điện áp trên các bản tụ (bạn sẽ cần dòng điện vô hạn cho điều đó). Điện trở nhỏ hơn, mạch RC gần với bộ phân biệt hoàn hảo. Bạn có thể mô phỏng điều này trên

http://www.cirvirlab.com/simulation/r-c_circuit_differentoder_online.php

ban đầu cả hai kích thước của tụ điện có cùng điện áp (vdiff = 0), không quan trọng nếu vin (bên A của nắp) là 0 hoặc 5v hoặc bất cứ điều gì, vout (bên B của nắp) sẽ giống nhau. Vì vậy, khi sóng vuông bắn tới 5v tại time0 vout cũng bắn tới 5v. khi thời gian trôi qua, nắp được tính phí nên bên b của nắp (hoặc vout) trở thành 0v. Bây giờ vdiff trên nắp là 5v. khi sóng vuông giảm xuống 0v, vì vdiff trên nắp phải duy trì 5v, NÀY khiến vout (hoặc cạnh b của nắp đọc -5v. Vì vậy, khóa là vdiff trên nắp, có tốt không?