Circuiti elettrici RC/RL/LC

Il resistore 'R', l'induttore 'L' e il condensatore 'C' sono elementi circuitali fondamentali, ciascuno con proprietà diverse che sono alla base di tutti i moderni dispositivi elettrici.

Un resistore è un componente elettrico che dissipa energia, solitamente sotto forma di calore. Al contrario, un condensatore immagazzina energia in un campo elettrico e un induttore immagazzina energia in un campo magnetico.

Quando resistori, condensatori e induttori sono collegati insieme, i circuiti visualizzano risposte dipendenti dal tempo e dalla frequenza utili per l'elaborazione del segnale CA, le radio, i filtri elettrici e molte altre applicazioni.

Questo video illustrerà i comportamenti di un circuito resistore-condensatore e di un circuito resistore-induttore e mostrerà l'oscillazione in un circuito induttore-condensatore con poca perdita di energia resistiva.

Impariamo come si comportano la corrente e la tensione nei circuiti che coinvolgono resistori, induttori e condensatori.

Innanzitutto, parliamo di un circuito di un resistore in serie con un condensatore, chiamato circuito RC. Quando l'interruttore è chiuso, l'uscita della sorgente di tensione viene applicata a entrambi i componenti e la corrente inizia a fluire. Poiché il condensatore è inizialmente scarico, ha una tensione zero attraverso i suoi terminali. Quindi, tutta l'uscita della sorgente di tensione appare attraverso il resistore e la corrente è al suo valore massimo.

Se osserviamo il grafico della tensione e della corrente in funzione del tempo, inizialmente VR è uguale alla tensione della sorgente, la tensione attraverso il condensatore 'VC' è zero e la corrente è al suo massimo. Man mano che la corrente carica il condensatore, 'VC' aumenta. In risposta, la VR diminuisce e quindi anche la corrente diminuisce, in conformità con la legge di Ohm. Alla fine la tensione del resistore è zero e il flusso di corrente si interrompe.

Un'analisi simile è possibile per un circuito RL costituito da un resistore in serie con un induttore. Nell'istante in cui l'interruttore si chiude, l'improvviso flusso di carica crea un campo magnetico nell'induttore e la sua tensione 'VL' è uguale alla tensione della sorgente. Di conseguenza, la VR iniziale è zero e quindi anche la corrente iniziale è zero.

Ora, per monitorare le modifiche, diamo un'occhiata ai grafici di tensione e corrente come prima. Nel tempo, al diminuire della tensione dell'induttore, la tensione attraverso il resistore aumenta e quindi aumenta anche la corrente. In definitiva, la tensione dell'induttore è zero, tutta l'uscita della sorgente di tensione è attraverso il resistore e la corrente è al suo valore massimo.

Il decadimento dei transitori di corrente e tensione nei circuiti RC e RL è causato dalla dissipazione di energia nel resistore. Al contrario, un circuito LC, che ha un condensatore collegato a un induttore, idealmente non ha resistenza o perdita di energia e mostra un comportamento molto diverso.

Se il condensatore in questo circuito viene caricato alla tensione V e quindi collegato all'induttore, l'energia elettrica immagazzinata nel condensatore viene trasferita all'induttore e convertita in energia magnetica. L'induttore trasferisce quindi la sua energia al condensatore, quindi il processo si inverte con la corrente che scorre nella direzione opposta, questo processo si ripete indefinitamente e la tensione attraverso ciascun componente oscilla sinusoidalmente con il tempo.

Un circuito RLC come questo aggiunge un resistore al circuito LC. Le oscillazioni in questa configurazione smorzano perché il resistore dissipa energia durante ogni ciclo. Alla fine le oscillazioni si fermano quando la tensione e la corrente decadono a zero.

Ora che abbiamo spiegato le basi dei circuiti RC, RL e LC, diamo un'occhiata ai loro comportamenti in laboratorio.

Procurati un oscilloscopio, una piccola lampadina con una resistenza di pochi ohm, un interruttore e un'alimentazione a tensione continua o una batteria da 1,5 volt. Assemblare questo circuito e lasciare l'interruttore aperto.

Selezionare la scala verticale dell'oscilloscopio a 1 volt per divisione e la scala temporale a 1 secondo per divisione. In seguito potrebbe essere necessario regolare queste impostazioni per una visualizzazione ottimale dei segnali durante i vari test.

Chiudere l'interruttore per alimentare la lampadina.

Poiché la lampadina agisce come un resistore, la corrente che la attraversa è proporzionale alla tensione. Come mostrano le tracce dell'oscilloscopio, la lampadina si illumina istantaneamente quando l'interruttore si chiude e si scurisce istantaneamente quando l'interruttore si apre.

Assemblare il circuito come mostrato con un condensatore da 1 Farad in serie con la lampadina. Si noti che l'oscilloscopio misura la tensione attraverso il resistore. Lasciare l'interruttore aperto fino all'inizio del test.

Chiudere l'interruttore e osservare la lampadina e la traccia dell'oscilloscopio. La lampadina si accende brevemente prima di oscurarsi perché il condensatore passa corrente quando la tensione cambia improvvisamente, quando l'interruttore si chiude. Con il passare del tempo, la corrente attraverso il circuito decade a causa della resistenza della lampadina e della capacità.

Aprire l'interruttore e modificare il circuito collegando una seconda lampadina in parallelo alla prima.

Chiudere nuovamente l'interruttore. Guarda sia le lampadine che la traccia dell'oscilloscopio. Le due lampadine parallele si accendono e si spengono più rapidamente rispetto alla singola lampadina. Questo perché la resistenza parallela di due lampadine è inferiore alla resistenza di una singola lampadina. Il circuito risultante ha una caduta di corrente più breve e una risposta più rapida.

Assemblare questo circuito con un induttore Henry da 1 millimetro in serie con la lampadina. Lasciare l'interruttore aperto fino all'inizio del test.

Chiudere l'interruttore e osservare la lampadina e la traccia dell'oscilloscopio. La lampadina impiega un po' di tempo per accendersi perché l'induttore conduce poca corrente quando la tensione cambia improvvisamente, come quando l'interruttore si chiude.

Con il passare del tempo, la corrente dell'induttore – e quella attraverso la lampadina – si avvicina a un livello di stato stazionario. Aprire l'interruttore e collegare una seconda lampadina in parallelo con la prima.

Chiudere nuovamente l'interruttore. Guarda sia le lampadine che la traccia dell'oscilloscopio. Le due lampadine parallele si accendono e si spengono più lentamente rispetto alla singola lampadina. Questo perché la resistenza parallela di due lampadine è inferiore alla resistenza di una singola lampadina.

Assemblare questo circuito con un condensatore da 10 micro Farad e un induttore Henry da 8 milli, insieme all'oscilloscopio collegato attraverso il condensatore. Chiudere l'interruttore 1 per caricare il condensatore e lasciare aperto l'interruttore 2 fino all'inizio del test.

Aprire l'interruttore 1 per scollegare la sorgente di tensione dal circuito. Chiudere l'interruttore 2 e osservare l'oscilloscopio. La tensione dell'induttore oscilla e può mostrare un certo smorzamento causato dalla piccola resistenza dei fili nel circuito. Il periodo di oscillazione è dell'ordine dei millisecondi, il che è coerente con il tempo previsto in base ai valori di capacità e resistenza.

Resistori, condensatori e induttori sono componenti semplici, ma i circuiti RC, RL e LC che li utilizzano hanno comportamenti complessi, che consentono molte applicazioni nell'elaborazione elettronica del segnale, nei circuiti di temporizzazione e nei filtri.

In questo esempio, i ricercatori hanno impiantato trasmettitori radio sottocutanei nei topi per studiare la pressione sanguigna mentre si muovevano liberamente. I ricevitori radio utilizzano comunemente circuiti induttore-condensatore per selezionare una frequenza specifica dall'ampia banda di energia a radiofrequenza intercettata, o RF. La frequenza corretta trasporta le informazioni desiderate per l'amplificazione e l'ulteriore elaborazione da parte di un'elettronica aggiuntiva nel ricevitore.

Gli elettroencefalografi misurano l'attività elettrica nel cervello. Gli elettrodi posizionati sul cuoio capelluto raccolgono segnali di livello in millivolt su un'ampia gamma di frequenze. I circuiti RC, RL e LC fanno parte dei filtri che riducono le interferenze elettriche e gli artefatti, aiutando così nell'acquisizione di dati significativi.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE al comportamento dipendente dal tempo dei circuiti che utilizzano resistori, condensatori e induttori. Ora dovresti capire le basi dei circuiti RC, RL e LC e in che modo questi circuiti differiscono l'uno dall'altro. Grazie per l'attenzione!