RC/RL/LC-schakelingen

Weerstand 'R', inductor 'L' en condensator 'C' zijn fundamentele circuitelementen, elk met verschillende eigenschappen die de basis vormen van alle moderne elektrische apparaten.

Een weerstand is een elektrisch onderdeel dat energie afvoert, meestal in de vorm van warmte. Daarentegen slaat een condensator energie op in een elektrisch veld, en een inductor slaat energie op in een magnetisch veld.

Wanneer weerstanden, condensatoren en inductoren met elkaar worden verbonden, vertonen de circuits tijd- en frequentieafhankelijke reacties die nuttig zijn voor AC-signaalverwerking, radio's, elektrische filters en vele andere toepassingen.

Deze video zal het gedrag van een weerstand-condensator en een weerstand-inductorcircuit illustreren, en de oscillatie in een inductor-condensatorcircuit met weinig weerstandsenergieverlies laten zien.

Laten we leren hoe stroom en spanning zich gedragen in circuits met weerstanden, inductoren en condensatoren.

Eerst laten we het hebben over een circuit van een weerstand in serie met een condensator, genoemd een RC-circuit. Wanneer de schakelaar gesloten is, wordt de uitgang van de spanningsbron toegepast over beide componenten en begint de stroom te stromen. Omdat de condensator aanvankelijk ongeladen is, is er geen spanning over de eindpunten. Daarom verschijnt alle uitgang van de spanningsbron over de weerstand en is de stroom op zijn maximale waarde.

Als we naar het plot van spanning en stroom tegen de tijd kijken, is aanvankelijk VR gelijk aan de bronspanning, de spanning over de condensator 'VC' is nul en de stroom is maximaal. Terwijl de stroom de condensator laadt, neemt 'VC' toe. Als reactie daarop neemt VR af en daarom neemt de stroom ook af, in overeenstemming met de wet van Ohm. Uiteindelijk is de weerstandsspanning nul en stopt de stroom.

Een vergelijkbare analyse is mogelijk voor een RL-circuit bestaande uit een weerstand in serie met een inductor. Op het moment dat de schakelaar sluit, creëert de plotselinge stroom van lading een magnetisch veld in de inductor, en de spanning 'VL' is gelijk aan de spanning van de bron. Bijgevolg is de initiële VR nul en dus is de initiële stroom ook nul.

Nu, om de veranderingen te monitoren, laten we de spanning en stroomgrafieken bekijken zoals eerder. Na verloop van tijd, terwijl de inductorspanning afneemt, neemt de spanning over de weerstand toe en daarom neemt de stroom ook toe. Uiteindelijk is de inductorspanning nul, alle uitgang van de spanningsbron is over de weerstand en de stroom is op zijn maximale waarde.

De afname van stroom en spanningstransienten in RC en RL-circuits wordt veroorzaakt door energiedissipatie in de weerstand. Daarentegen heeft een LC-circuit, dat een condensator verbindt met een inductor, idealiter geen weerstand of energieverlies en vertoont zeer ander gedrag.

Als de condensator in dit circuit is opgeladen tot spanning V en vervolgens wordt verbonden met de inductor, wordt elektrische energie opgeslagen in de condensator overgebracht naar de inductor en omgezet in magnetische energie. De inductor brengt vervolgens zijn energie terug naar de condensator en dan keert het proces om met de stroom in de tegenovergestelde richting, dit proces herhaalt zich oneindig en de spanning over elk onderdeel oscilleert sinusoïdaal met de tijd.

Een RLC-circuit zoals dit voegt een weerstand toe aan het LC-circuit. Oscillaties in deze configuratie dempen omdat de weerstand energie dissipeerd tijdens elke cyclus. Uiteindelijk stoppen de oscillaties wanneer de spanning en stroom afnemen tot nul.

Nu we de basisprincipes van RC-, RL- en LC-circuits hebben uitgelegd, laten we hun gedrag in de laboratorium bekijken.

Verkrijg een oscilloscoop, een kleine lichtbol met een weerstand van enkele ohm, een schakelaar en een DC-spanningsbron of 1,5 voltbatterij. Monteer dit circuit en laat de schakelaar open.

Selecteer de verticale schaal van de oscilloscoop naar 1 volt per deel en de tijdschaal naar 1 seconde per deel. Later kan het nodig zijn om deze instellingen aan te passen voor optimale weergave van signalen tijdens de verschillende tests.

Sluit de schakelaar om stroom aan de lichtbol toe te voegen.

Omdat de lichtbol zich gedraagt als een weerstand, is de stroom erdoor evenredig aan de spanning. Zoals de oscilloscoopsporen laten zien, wordt de bol onmiddellijk helder wanneer de schakelaar sluit en wordt onmiddellijk donker wanneer de schakelaar opent.

Monteer het circuit zoals getoond met een 1 Farad condensator in serie met de lichtbol. Merk op dat de oscilloscoop spanning meet over de weerstand. Laat de schakelaar open tot het begin van de test.

Sluit de schakelaar en observeer de lichtbol en de oscilloscoopsporing. De lichtbol brandt kort voordat hij donker wordt omdat de condensator stroom doorlaat wanneer de spanning plotseling verandert, wanneer de schakelaar sluit. Naarmate de tijd verstrijkt, neemt de stroom door het circuit af vanwege de weerstand van de lichtbol en de capaciteit.

Open de schakelaar en wijzig het circuit door een tweede lichtbol parallel met de eerste te verbinden.

Sluit weer de schakelaar. Bekijk beide lichtbollen en de oscilloscoopsporing. De twee parallelle bollen gaan sneller aan en uit dan de enkele bol. Dit komt omdat de parallelle weerstand van twee bollen kleiner is dan de weerstand van een enkele bol. Het resulterende circuit heeft een kortere daling in de stroom en een snellere reactie.

Monteer dit circuit met een 1 milli Henry inductor in serie met de lichtbol. Laat de schakelaar open tot het begin van de test.

Sluit de schakelaar en observeer de lichtbol en de oscilloscoopsporing. De lichtbol heeft een kleine hoeveelheid tijd nodig om aan te gaan omdat de inductor weinig stroom leidt wanneer de spanning plotseling verandert, zoals wanneer de schakelaar sluit.

Naarmate de tijd verstrijkt, nadert de stroom van de inductor - en die door de bol - een stabiel niveau. Open de schakelaar en verbind een tweede lichtbol parallel met de eerste.

Sluit weer de schakelaar. Bekijk beide lichtbollen en de oscilloscoopsporing. De twee parallelle bollen gaan langzamer aan en uit dan de enkele