Цепи RC/RL/LC

Резистор «R», катушка индуктивности «L» и конденсатор «C» являются основными элементами схемы, каждый из которых обладает различными свойствами, которые лежат в основе всех современных электрических устройств.

Резистор — это электрический компонент, который рассеивает энергию, обычно в виде тепла. В отличие от этого, конденсатор хранит энергию в электрическом поле, а индуктор хранит энергию в магнитном поле.

Когда резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности соединены вместе, цепи отображают зависящие от времени и частоты отклики, полезные для обработки сигналов переменного тока, радиоприемников, электрических фильтров и многих других приложений.

В этом видео будет показано поведение схемы резистор-конденсатор и резистор-индуктивная схема, а также показаны колебания в схеме индуктор-конденсатор с небольшими потерями резистивной энергии.

Давайте узнаем, как ведут себя ток и напряжение в цепях с участием резисторов, индукторов и конденсаторов.

Во-первых, давайте поговорим о цепи резистора, соединенной последовательно с конденсатором, называемой RC-цепью. Когда переключатель замкнут, выход источника напряжения подается на оба компонента, и ток начинает протекать. Поскольку конденсатор изначально не заряжен, он имеет нулевое напряжение на клеммах. Следовательно, весь выходной сигнал источника напряжения отображается на резисторе, а ток находится на максимальном уровне.

Если мы посмотрим на график зависимости напряжения и тока от времени, то сначала VR равно напряжению источника, напряжение на конденсаторе «VC» равно нулю, а ток находится на максимальном уровне. По мере того, как ток заряжает конденсатор, 'VC' увеличивается. В ответ VR уменьшается и, следовательно, ток также снижается, в соответствии с законом Ома. В конце концов напряжение резистора становится равным нулю, и протекание тока прекращается.

Аналогичный анализ возможен для RL-схемы, состоящей из резистора, идущего последовательно с катушкой индуктивности. В момент замыкания переключателя резкий поток заряда создает магнитное поле в катушке индуктивности, и его напряжение «VL» равно напряжению источника. Следовательно, начальный VR равен нулю и, следовательно, начальный ток также равен нулю.

Теперь, чтобы проследить за изменениями, давайте посмотрим на графики напряжения и тока, как и раньше. Со временем, когда напряжение индуктора уменьшается, напряжение на резисторе увеличивается, и, следовательно, ток также увеличивается. В конечном счете, напряжение индуктора равно нулю, весь выходной сигнал источника напряжения находится поперек резистора, а ток находится на максимальном значении.

Затухание переходных процессов тока и напряжения в RC и RL цепях вызвано рассеиванием энергии в резисторе. В отличие от этого, LC-схема, в которой конденсатор подключен к катушке индуктивности, в идеале не имеет сопротивления или потерь энергии, а также демонстрирует совершенно иное поведение.

Если конденсатор в этой цепи заряжен до напряжения В, а затем подключен к катушке индуктивности, электрическая энергия, накопленная в конденсаторе, передается на катушку индуктивности и преобразуется в магнитную энергию. Затем катушка индуктивности передает свою энергию обратно в конденсатор, затем процесс меняется в обратном направлении, и этот процесс повторяется бесконечно, и напряжение на каждом компоненте со временем колеблется синусоидально.

Схема RLC, подобная этой, добавляет резистор к цепи LC. Колебания в этой конфигурации гасятся, потому что резистор рассеивает энергию во время каждого цикла. В конце концов колебания прекращаются, когда напряжение и ток затухают до нуля.

Теперь, когда мы объяснили основы RC, RL и LC схем, давайте посмотрим на их поведение в лаборатории.

Приобретите осциллограф, маленькую лампочку с сопротивлением несколько Ом, выключатель и источник постоянного напряжения или батарейку на 1,5 вольта. Соберите эту цепь и оставьте переключатель открытым.

Выберите вертикальную шкалу осциллографа с точностью до 1 вольта на деление и шкалу времени с точностью до 1 секунды на деление. В дальнейшем может потребоваться корректировка этих параметров для оптимального просмотра сигналов во время различных тестов.

Закройте выключатель, чтобы подать питание на лампочку.

Поскольку лампочка действует как резистор, ток через нее пропорционален напряжению. Как показывают кривые осциллографа, лампочка мгновенно становится ярче при замыкании переключателя и мгновенно темнеет при размыкании переключателя.

Соберите схему, как показано на рисунке, с конденсатором 1 Фарад, последовательно с лампочкой. Обратите внимание, что осциллограф измеряет напряжение на резисторе. Оставьте переключатель открытым до начала теста.

Закройте выключатель и понаблюдайте за лампочкой и дорожкой осциллографа. Лампочка кратковременно светится перед темнением, потому что конденсатор пропускает ток при резком изменении напряжения, при замыкании выключателя. Со временем ток по цепи затухает из-за сопротивления лампочки и емкости.

Разомкните выключатель и модифицируйте цепь, подключив вторую лампочку параллельно первой.

Снова закройте выключатель. Следите за лампочками и следом осциллографа. Две параллельные лампы включаются и выключаются быстрее, чем одна лампа. Это связано с тем, что параллельное сопротивление двух лампочек меньше, чем сопротивление одной лампы. Полученная схема имеет более короткое падение тока и более быструю реакцию.

Соберите эту схему с катушкой индуктивности Генри 1 милли, которая должна быть последовательно с лампочкой. Оставьте переключатель открытым до начала теста.

Закройте выключатель и понаблюдайте за лампочкой и дорожкой осциллографа. Лампочка загорается немного времени, потому что индуктор проводит небольшой ток при резком изменении напряжения, например, при замыкании выключателя.

С течением времени ток катушки индуктивности и ток через лампочку приближается к устойчивому уровню. Откройте выключатель и подключите вторую лампочку параллельно первой.

Снова закройте выключатель. Следите за лампочками и следом осциллографа. Две параллельные лампы включаются и выключаются медленнее, чем одна лампа. Это связано с тем, что параллельное сопротивление двух лампочек меньше, чем сопротивление одной лампы.

Соберите эту схему с конденсатором Фарада 10 микро и катушкой индуктивности Генри 8 миллиметров, а также осциллографом, подключенным через конденсатор. Закройте переключатель 1 для зарядки конденсатора и оставьте переключатель 2 открытым до начала проверки.

Разомкните переключатель 1, чтобы отключить источник напряжения от цепи. Закройте переключатель 2 и понаблюдайте за осциллографом. Напряжение индуктора колеблется и может демонстрировать некоторое затухание, вызванное малым сопротивлением проводов в цепи. Период колебаний составляет порядка миллисекунд, что согласуется с ожидаемым временем, основанным на значениях емкости и сопротивления.

Резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности являются простыми компонентами, но RC, RL и LC схемы, в которых они используются, имеют сложное поведение, что позволяет использовать их во многих областях электронной обработки сигналов, схемах синхронизации и фильтрах.

В этом примере исследователи имплантировали подкожные радиопередатчики мышам для изучения артериального давления при их свободном движении. В радиоприемниках обычно используются схемы индуктивности-конденсатора для выбора конкретной частоты из широкой полосы перехваченной радиочастотной или радиочастотной энергии. Правильная частота несет нужную информацию для усиления и дальнейшей обработки дополнительной электроникой в приемнике.

Электроэнцефалографы измеряют электрическую активность в головном мозге. Электроды, размещенные на коже головы, улавливают сигналы уровня милливольт в широком диапазоне частот. Цепи RC, RL и LC входят в состав фильтров, которые уменьшают электрические помехи и артефакты, тем самым помогая в получении значимых данных.

Вы только что посмотрели введение JoVE в зависимое от времени поведение схем с использованием резисторов, конденсаторов и индукторов. Теперь вы должны понять основы схем RC, RL и LC, а также то, чем эти схемы отличаются друг от друга. Спасибо за просмотр!