Obwody RC/RL/LC

Rezystor "R", cewka indukcyjna "L" i kondensator "C" to podstawowe elementy obwodów, z których każdy ma inne właściwości, które są podstawą wszystkich nowoczesnych urządzeń elektrycznych.

Rezystor to element elektryczny, który rozprasza energię, zwykle w postaci ciepła. Natomiast kondensator magazynuje energię w polu elektrycznym, a cewka indukcyjna magazynuje energię w polu magnetycznym.

Gdy rezystory, kondensatory i cewki indukcyjne są ze sobą połączone, obwody wyświetlają odpowiedzi zależne od czasu i częstotliwości, przydatne do przetwarzania sygnału prądu przemiennego, radia, filtrów elektrycznych i wielu innych zastosowań.

Ten film zilustruje zachowanie obwodu rezystor-kondensator i rezystor-cewka indukcyjna, a także pokaże oscylacje w obwodzie cewki indukcyjnej-kondensatora z niewielkimi stratami energii rezystancyjnej.

Dowiedzmy się, jak zachowują się prąd i napięcie w obwodach zawierających rezystory, cewki indukcyjne i kondensatory.

Najpierw porozmawiajmy o obwodzie rezystora połączonego szeregowo z kondensatorem, zwanym obwodem RC. Gdy przełącznik jest zamknięty, wyjście źródła napięcia jest podawane na oba komponenty i prąd zaczyna płynąć. Ponieważ kondensator jest początkowo nienaładowany, ma zerowe napięcie na swoich zaciskach. W związku z tym całe wyjście źródła napięcia pojawia się na rezystorze, a prąd osiąga maksymalną wartość.

Jeśli spojrzymy na wykres napięcia i prądu w funkcji czasu, początkowo VR równa się napięciu źródła, napięcie na kondensatorze "VC" wynosi zero, a prąd jest maksymalny. W miarę jak prąd ładuje kondensator, "VC" wzrasta. W odpowiedzi VR maleje, a zatem prąd również spada, zgodnie z prawem Ohma. W końcu napięcie rezystora wynosi zero i przepływ prądu ustaje.

Podobna analiza jest możliwa dla obwodu RL składającego się z rezystora połączonego szeregowo z cewką indukcyjną. W momencie zamykania przełącznika nagły przepływ ładunku wytwarza pole magnetyczne w cewce indukcyjnej, a jej napięcie "VL" jest równe napięciu źródła. W związku z tym początkowa wartość VR wynosi zero, a zatem prąd początkowy również wynosi zero.

Teraz, aby monitorować zmiany, spójrzmy na wykresy napięcia i prądu, tak jak poprzednio. Z biegiem czasu, wraz ze spadkiem napięcia cewki indukcyjnej, napięcie na rezystorze wzrasta, a zatem prąd również rośnie. Ostatecznie napięcie cewki indukcyjnej wynosi zero, całe wyjście źródła napięcia znajduje się na rezystorze, a prąd osiąga maksymalną wartość.

Zanik stanów przejściowych prądu i napięcia w obwodach RC i RL jest spowodowany rozpraszaniem energii w rezystorze. W przeciwieństwie do tego, obwód LC, który ma kondensator połączony z cewką indukcyjną, w idealnym przypadku nie ma rezystancji ani strat energii i wykazuje bardzo różne zachowanie.

Jeśli kondensator w tym obwodzie jest ładowany do napięcia V, a następnie podłączony do cewki indukcyjnej, energia elektryczna zgromadzona w kondensatorze jest przekazywana do cewki indukcyjnej i przekształcana w energię magnetyczną. Cewka indukcyjna następnie przekazuje swoją energię z powrotem do kondensatora, a następnie proces odwraca się z prądem płynącym w przeciwnym kierunku, proces ten powtarza się w nieskończoność, a napięcie na każdym elemencie oscyluje w czasie sinusoidalnie.

Obwód RLC, taki jak ten, dodaje rezystor do obwodu LC. Oscylacje w tej konfiguracji tłumią, ponieważ rezystor rozprasza energię podczas każdego cyklu. W końcu oscylacje ustają, gdy napięcie i prąd spadną do zera.

Teraz, gdy wyjaśniliśmy podstawy obwodów RC, RL i LC, przyjrzyjmy się ich zachowaniom w laboratorium.

Zaopatrz się w oscyloskop, małą żarówkę o rezystancji kilku omów, przełącznik i zasilacz napięcia stałego lub baterię 1,5 V. Zmontuj ten obwód i pozostaw przełącznik otwarty.

Wybierz skalę pionową oscyloskopu do 1 wolta na podział i skalę czasu na 1 sekundę na podział. Później może być konieczne dostosowanie tych ustawień w celu optymalnego oglądania sygnałów podczas różnych testów.

Zamknij przełącznik, aby podłączyć zasilanie do żarówki.

Ponieważ żarówka działa jak rezystor, przepływający przez nią prąd jest proporcjonalny do napięcia. Jak pokazują ślady oscyloskopu, żarówka rozjaśnia się natychmiast po zamknięciu przełącznika i natychmiast ciemnieje, gdy przełącznik się otwiera.

Zamontuj obwód, jak pokazano, z kondensatorem 1 Farada połączonym szeregowo z żarówką. Zauważ, że oscyloskop mierzy napięcie na rezystorze. Pozostaw przełącznik otwarty do rozpoczęcia testu.

Zamknij przełącznik i obserwuj żarówkę i ścieżkę oscyloskopu. Żarówka świeci na krótko przed ciemnieniem, ponieważ kondensator przepuszcza prąd, gdy napięcie zmienia się nagle, gdy przełącznik się zamyka. W miarę upływu czasu prąd przepływający przez obwód zanika z powodu rezystancji żarówki i pojemności.

Otwórz przełącznik i zmodyfikuj obwód, podłączając drugą żarówkę równolegle z pierwszą.

Ponownie zamknij przełącznik. Obserwuj zarówno żarówki, jak i ślad oscyloskopu. Dwie równoległe żarówki włączają się i wyłączają szybciej niż pojedyncza żarówka. Dzieje się tak, ponieważ rezystancja równoległa dwóch żarówek jest mniejsza niż rezystancja pojedynczej żarówki. Powstały obwód ma krótszy spadek prądu i szybszą reakcję.

Zmontuj ten obwód z cewką indukcyjną Henry o średnicy 1 mili szeregowo z żarówką. Pozostaw przełącznik otwarty do rozpoczęcia testu.

Zamknij przełącznik i obserwuj żarówkę i ścieżkę oscyloskopu. Żarówka potrzebuje trochę czasu, aby się włączyć, ponieważ cewka indukcyjna przewodzi niewielki prąd, gdy napięcie zmienia się nagle, na przykład gdy przełącznik się zamyka.

W miarę upływu czasu prąd cewki indukcyjnej - i prąd płynący przez żarówkę - zbliża się do poziomu ustalonego. Otwórz przełącznik i podłącz drugą żarówkę równolegle z pierwszą.

Ponownie zamknij przełącznik. Obserwuj zarówno żarówki, jak i ślad oscyloskopu. Dwie równoległe żarówki włączają się i wyłączają wolniej niż pojedyncza żarówka. Dzieje się tak, ponieważ rezystancja równoległa dwóch żarówek jest mniejsza niż rezystancja pojedynczej żarówki.

Zmontuj ten obwód z 10-milimetrowym kondensatorem Faradowym i 8-milimiliowym cewką indukcyjną Henry'ego, wraz z oscyloskopem podłączonym do kondensatora. Zamknij przełącznik 1, aby naładować kondensator i pozostaw przełącznik 2 otwarty do rozpoczęcia testu.

Otwórz przełącznik 1, aby odłączyć źródło napięcia od obwodu. Zamknij przełącznik 2 i obserwuj oscyloskop. Napięcie cewki indukcyjnej oscyluje i może wykazywać pewne tłumienie spowodowane małą rezystancją przewodów w obwodzie. Okres oscylacji jest rzędu milisekund, co jest zgodne z oczekiwanym czasem opartym na wartościach pojemności i rezystancji.

Rezystory, kondensatory i cewki indukcyjne są prostymi komponentami, ale obwody RC, RL i LC, które ich używają, mają złożone zachowania, które umożliwiają wiele zastosowań w elektronicznym przetwarzaniu sygnałów, obwodach czasowych i filtrach.

W tym przykładzie naukowcy wszczepili podskórne nadajniki radiowe myszom, aby badać ciśnienie krwi podczas swobodnego poruszania się. Odbiorniki radiowe zwykle wykorzystują obwody cewki indukcyjno-kondensatorowej do wyboru określonej częstotliwości z szerokiego pasma przechwyconej energii o częstotliwości radiowej lub RF. Prawidłowa częstotliwość przenosi pożądane informacje do wzmocnienia i dalszego przetwarzania przez dodatkową elektronikę w odbiorniku.

Elektroencefalografy mierzą aktywność elektryczną w mózgu. Elektrody umieszczone nad skórą głowy odbierają sygnały o poziomie miliwoltów w szerokim zakresie częstotliwości. Obwody RC, RL i LC są częścią filtrów, które redukują zakłócenia elektryczne i artefakty, pomagając w ten sposób w pozyskiwaniu istotnych danych.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do zależnego od czasu zachowania obwodów wykorzystujących rezystory, kondensatory i cewki indukcyjne. Powinieneś teraz zrozumieć podstawy obwodów RC, RL i LC oraz to, czym te obwody różnią się od siebie. Dzięki za oglądanie!