RC/RL/LC 回路

抵抗器「R」、インダクタ「L」、およびコンデンサ「C」は基本的な回路要素であり、それぞれが最新のすべての電気デバイスの基礎である異なる特性を持っています。

抵抗器は、通常は熱の形でエネルギーを放散する電気部品です。これに対し、コンデンサは電場にエネルギーを蓄え、インダクタは磁界にエネルギーを蓄えます。

抵抗器、コンデンサ、インダクタを一緒に接続すると、回路は時間と周波数に依存する応答を示し、AC信号処理、無線機、電気フィルタ、その他多くのアプリケーションに役立ちます。

このビデオでは、抵抗コンデンサと抵抗インダクタ回路の動作を示し、抵抗エネルギー損失がほとんどないインダクタコンデンサ回路の発振を示します。

抵抗、インダクタ、コンデンサが関与する回路で電流と電圧がどのように振る舞うかを学びましょう。

まず、RC回路と呼ばれるコンデンサと直列に接続された抵抗の回路について話しましょう。スイッチが閉じると、電圧源の出力が両方のコンポーネントに印加され、電流が流れ始めます。コンデンサは最初は充電されていないため、端子間の電圧はゼロです。したがって、電圧源のすべての出力は抵抗の両端に現れ、電流は最大値になります。

時間に対する電圧と電流のプロットを見ると、最初はVRはソース電圧に等しく、コンデンサ「VC」の両端の電圧はゼロで、電流は最大になります。電流がコンデンサを充電すると、「VC」が増加します。それに応じて、VRは減少するため、オームの法則に従って電流も減少します。最終的に抵抗電圧はゼロになり、電流の流れは停止します。

インダクタと直列に接続された抵抗で構成されるRL回路についても、同様の解析が可能です。スイッチが閉じた瞬間、突然の電荷の流れによってインダクタに磁場が発生し、その電圧「VL」はソースの電圧と等しくなります。したがって、初期VRはゼロであり、したがって初期電流もゼロです。

さて、変化を監視するために、前と同じように電圧と電流のグラフを見てみましょう。時間の経過とともにインダクタ電圧が減少すると、抵抗の両端の電圧が増加するため、電流も増加します。最終的に、インダクタ電圧はゼロになり、すべての電圧源出力は抵抗の両端にあり、電流は最大値になります。

RC回路とRL回路の電流と電圧過渡の減衰は、抵抗器のエネルギー散逸によって引き起こされます。対照的に、インダクタにコンデンサが接続されているLC回路は、理想的には抵抗やエネルギー損失がなく、非常に異なる動作を示します。

この回路のコンデンサを電圧Vまで充電してからインダクタに接続すると、コンデンサに蓄えられた電気エネルギーがインダクタに伝達され、磁気エネルギーに変換されます。その後、インダクタはそのエネルギーをコンデンサに戻し、反対方向に電流を流してプロセスを逆転させ、このプロセスは無限に繰り返され、各コンポーネントの電圧は時間とともに正弦波的に振動します。

このようなRLC回路は、LC回路に抵抗を追加します。この構成では、抵抗が各サイクル中にエネルギーを消費するため、発振が減衰します。最終的に、電圧と電流がゼロに減衰すると、振動は停止します。

RC、RL、LC回路の基本を説明してきたところで、研究室での振る舞いを見ていきましょう。

オシロスコープ、抵抗が数オームの小さな電球、スイッチ、DC電圧供給、または1.5ボルトのバッテリーを入手してください。この回路を組み立て、スイッチを開いたままにします。

オシロスコープの垂直スケールを1分割あたり1ボルトに、タイムスケールを分割ごとに1秒に選択します。後で、さまざまなテスト中に信号を最適に表示するために、これらの設定を調整する必要がある場合があります。

スイッチを閉じて、電球に電力を供給します。

電球は抵抗器のように機能するため、電球を流れる電流は電圧に比例します。オシロスコープのトレースが示すように、スイッチが閉じると電球は瞬時に明るくなり、スイッチが開くとすぐに暗くなります。

図のように、電球と直列に1ファラドコンデンサを使用して回路を組み立てます。オシロスコープは抵抗の両端の電圧を測定することに注意してください。テストが開始されるまで、スイッチを開いたままにします。

スイッチを閉じて、電球とオシロスコープのトレースを観察します。電球は、電圧が急激に変化したとき、スイッチが閉じたときにコンデンサが電流を流すため、暗くなる前に一時的に点灯します。時間が経つにつれて、回路を流れる電流は電球の抵抗と静電容量によって減衰します。

スイッチを開き、2番目の電球を最初の電球と並列に接続して回路を変更します。

もう一度スイッチを閉じます。電球とオシロスコープのトレースの両方を監視します。2 つの平行な電球は、1 つの電球よりも速くオンとオフを切り替えます。これは、2つの電球の並列抵抗が1つの電球の抵抗よりも小さいためです。結果として得られる回路は、電流の降下が短く、応答が速くなります。

この回路を、電球と直列に1ミリのヘンリーインダクタで組み立てます。テストが開始されるまで、スイッチを開いたままにします。

スイッチを閉じて、電球とオシロスコープのトレースを観察します。電球は、スイッチが閉じたときのように電圧が急激に変化するとインダクタが通電する電流がほとんどないため、点灯するまでに少し時間がかかります。

時間が経つにつれて、インダクタの電流、および電球を流れる電流は定常状態のレベルに近づきます。スイッチを開き、2つ目の電球を1つ目の電球と並列に接続します。

もう一度スイッチを閉じます。電球とオシロスコープのトレースの両方を監視します。2 つの平行な電球は、1 つの電球よりもゆっくりとオンとオフが切り替わります。これは、2つの電球の並列抵抗が1つの電球の抵抗よりも小さいためです。

この回路を10μFのファラドコンデンサと8ミリのヘンリーインダクタ、およびコンデンサの両端に接続されたオシロスコープで組み立てます。スイッチ1を閉じてコンデンサを充電し、テストが開始されるまでスイッチ2を開いたままにします。

スイッチ1を開いて、電圧源を回路から切断します。スイッチ2を閉じて、オシロスコープを観察します。インダクタ電圧は振動し、回路内のワイヤの小さな抵抗によって引き起こされる減衰を示す場合があります。発振の周期はミリ秒のオーダーで、静電容量と抵抗の値に基づく予想時間と一致しています。

抵抗器、コンデンサ、インダクタは単純な部品ですが、それらを使用するRC、RL、およびLC回路は複雑な動作をするため、電子信号処理、タイミング回路、およびフィルタの多くのアプリケーションが可能になります。

この例では、研究者はマウスに皮下無線送信機を埋め込んで、マウスが自由に動いたときの血圧を研究しました。無線受信機は、一般にインダクタコンデンサ回路を使用して、傍受された無線周波数(RF)エネルギーの広帯域から特定の周波数を選択します。正しい周波数は、増幅と受信機内の追加の電子機器によるさらなる処理に必要な情報を運びます。

脳波計は、脳内の電気的活動を測定します。頭皮の上に配置された電極は、広い周波数範囲にわたってミリボルトレベルの信号を拾います。RC、RL、およびLC回路は、電気的干渉とアーティファクトを低減するフィルターの一部であり、意味のあるデータの取得に役立ちます。

JoVEの抵抗、コンデンサ、インダクタを使用した回路の時間依存性の動作の紹介をご覧になりました。これで、RC、RL、およびLC回路の基本と、これらの回路が互いにどのように異なるかを理解できました。ご覧いただきありがとうございます!