Circuits RC/RL/LC

Physics II
 

Overview

Source : Yong P. Chen, PhD, département de physique & astronomie, Faculté des sciences, Université de Purdue, West Lafayette, Indiana

(C) de condensateurs, inductances (L) et résistances (R) sont chacune un élément de circuit important avec des comportements distincts. Une résistance dissipe l’énergie et obéit à la Loi d’Ohm, avec sa tension proportionnelle au courant. Un condensateur stocke l’énergie électrique, avec son actuel proportionnelle au taux de changement de sa tension, alors qu’un inducteur emmagasine l’énergie magnétique, avec sa tension proportionnelle au taux de changement de son courant. Lorsque ces éléments de circuits sont combinés, ils peuvent causer le courant ou la tension varie avec le temps dans diverses, intéressant les moyens. Ces combinaisons sont utilisées pour traiter les signaux électriques dépendante du temps ou de fréquence, comme dans les circuits de courant alternatif (AC), radios et filtres électriques. Cette expérience démontrera les comportements dépendant du temps de la résistance-condensateur (RC), résistance-inducteur (RL) et circuits d’inductance-condensateur (LC). L’expérience démontrera les comportements transitoires des circuits RC et RL à l’aide d’une ampoule (résistance) reliée en série avec un condensateur ou inductance, connexion à (et mise en marche) un bloc d’alimentation. L’expérience montrera également le comportement oscillatoire d’un circuit LC.

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JoVE Science Education Database. Notions essentielles de physique II. Circuits RC/RL/LC. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Principles

Envisager une résistance (avec une résistance R) en série d’un condensateur (avec capacité C), ensemble connecté à une source de tension (avec sortie de tension V), comme illustré à la Figure 1. Si la source de tension est allumée au temps t = 0, un dépendant du temps courant i(t) commencera à couler dans le circuit, à travers la résistance R. Ce courant est également connu sous le nom « courant de charge » pour le condensateur, car il « coule » le condensateur (c.-à-d., apporte les charges opposées aux plaques opposés sur le condensateur) de développer une tension dépendant du temps baisse Vc bornes du condensateur. Puisque la tension totale V de la tension d’alimentation est partagée entre la chute de tension aux bornes de la résistance (qui est j’ai ×R) et qui à travers le condensateur (VC) :

Equation 1(Équation 1)

Au début (t = 0, immédiatement après que la tension d’alimentation est allumée avec sortie V), le condensateur n’a pas eu la chance de développer toute tension et par conséquent VC(t = 0) = 0 et (selon l' équation 1), j’ai(t = 0) = V/R. Comme le temps passe, charges s’accumulent sur le condensateur et Vc augmentera, et donc j’ai(t) va diminuer. En outre, ces charges ont tendance à repousser les frais supplémentaires qui arrivent au condensateur (c.-à-d., s’opposant à la charge de processus). Après une durée suffisante, cette charge du processus s’arrête et donc i(t→∞) = 0 et Vc(t→) = V. Cela signifie que le condensateur est maintenant complètement chargé (ou a la pleine tension V de la source de tension en se rendant de l’il), coulées pas plus courants et le condensateur se comporte comme un interrupteur ouvert dans ce complètement chargée, l’état stationnaire. En général, un condensateur mène plus plus élevée fréquence ou courant, alors qu’il effectue moins transitoire ou pas du tout pour une fréquence plus faible ou état d’équilibre (DC) courant.

Le plein, quantitative dépendant du temps actuel j’ai(t) peut être résolu par :

Equation 2(Équation 2)

où,

Equation 3(Équation 3)

est connue comme la « constante de temps RC » du circuit « RC » et caractérise en général les délais pour la réponse du circuit RC (ici la variation du courant) sur un changement transitoire dans une entrée (en l’occurrence l’allumage de la tension d’alimentation). Un tel courant charge temps telle que donnée par l’équation 2 est représenté dans la Figure 1.

Dans ce cas, le temps RC représente aussi l’échelle de temps caractéristique pour charger le condensateur. C’est l’échelle de temps pour décharger un condensateur, à savoir, si un condensateur complètement chargé (avec une tension V) est directement relié à une résistance pour former un circuit fermé (correspondant au remplacement de l’alimentation dans la Figure 1 par un fil court), puis le courant traversant la résistance encore suivra l’équation 2.

Une analyse analogue peut être faite pour une résistance en série d’une inductance ou un circuit « RL » comme celui illustré à la Figure 2. Toutefois, le comportement d’un inducteur est opposée à celle d’un condensateur, en ce sens que l’inducteur dirige mieux à basse fréquence (pour l’état d’équilibre actuel l’inducteur agit comme un fil court avec peu de résistance), mais effectue beaucoup moins à fréquence plus élevée ou dans une situation transitoire (parce qu’une inductance essaie toujours de s’opposer à la modification de son actuel). En conséquence, l’actuel j’ai(t) qui s’écoulerait dans le circuit RL, illustré à la Figure 2 après la fermeture de l’interrupteur au temps t = 0 (ou en réactivant la tension d’alimentation à la sortie de la V) serait :

Equation 4(Équation 4)

où,

Equation 5(Équation 5)

qui est l’échelle de temps caractéristique générale de la réponse (ici le changement de courant) du circuit RL sur un changement transitoire dans une entrée (en l’occurrence l’allumage de la tension d’alimentation). Notez ici, j’ai(t = 0) = 0, parce qu’au départ le courant traversant l’inductance (qui est le même courant au travers de la résistance) n’a pas eu une chance de changer de son initial valeur zéro (avant que la tension d’alimentation est allumée), et l’inducteur tente de s’opposer à une variation soudaine de son courant. Une fois le circuit atteint son état d’équilibre, n’est plus le courant change avec le temps, puis l’inducteur comporte comme un fil court et en effet j’ai(t→∞) = V/R selon l’équation 4. Ce comportement (le courant augmente de 0 et V/R s’approche exponentielle) est représenté dans la Figure 2et la note c’est le contraire du comportement du circuit RC (équation 2 et Figure 1, où le courant diminue de V/R et décroît exponentiellement à 0).

La dépendance exponentielle de temps du circuit RC ou RL est liée à la nature dissipative de la résistance. En revanche, un circuit « LC », où un condensateur est directement relié à une inductance avec des résistances de négligeables, comme celui illustré à la Figure 3 a, présenterait un comportement oscillatoire ou « résonant ». Figure 3 a dépeint un condensateur, initialement inculpé pour avoir une tension V, connecté à un inducteur (pas courant à travers elle au départ) au temps t = 0. On peut montrer que la tension ultérieure sur le condensateur (même sur l’inducteur) aurait la dépendance oscillatoire (sinusoïdale) temps suivants :

Equation 6(Équation 6)

où,

Equation 7(Équation 7)

est la « fréquence d’oscillation » ou « fréquence de résonance » (ici, fréquence se rapporte à la fréquence angulaire) du circuit LC. Le courant traversant l’inductance est :

Equation 8(Équation 8)

Le condensateur se décharge tout d’abord par le biais de l’inducteur (VC(t) diminue et augmente i(t)). Lorsque ωt atteint π/2, le condensateur est complètement déchargé (VC = 0) et les flux de courants maximales dans l’inducteur. Alors le condensateur est chargé à nouveau (par le courant circulant dans l’inducteur) dans l’inversion de polarité (VC(t) atteint -V quand ωt atteint π) et ensuite s’acquitte à nouveau (complètement déchargée lorsque ωt atteint 3π/2) et se recharge à la polarité originale de VC = V lorsque ωt atteint 2π. Le cycle se répète à la période de temps (t)

Equation 9

Un tel comportement oscillatoire, représenté dans la Figure 3 b, correspond également au condensateur et inductance échangeant énergie électromagnétique entre eux (un condensateur stocke l’énergie du champ électrique en raison de la chute de tension et un inducteur magasins énergie du champ magnétique à cause du courant). Dans la situation idéale d’aucune résistance (et donc aucune dissipation) dans le circuit, l’oscillation peut se poursuivre indéfiniment. En présence de certains résistance (dissipation), par exemple dans le circuit représenté Figure 3 c, également connu sous le nom d’un circuit « RLC », telle une oscillation va être amortie (s’il n’y a aucune alimentation externe), représenté en Figure 3det après un délai suffisant tant la tension et le courant devrait atteindre zéro.

Figure 1

Figure 1 : Schéma montrant un circuit RC, avec une résistance (R) en série avec un condensateur (C), connecté à une source de tension avec un commutateur. Un courant de charge temps représentatif (donné par l’équation 2) est représenté au-dessus de la figure.

Figure 2

Figure 2 : Schéma montrant un circuit RL, avec une résistance (R) en série avec une inductance (L), connecté à une source de tension avec un commutateur. Un courant de charge temps représentatif (donné par l’équation 4) est représenté au-dessus de la figure.

Figure 3

Figure 3 : (a) schéma montrant un circuit LC, avec une inductance (L) connecté avec un condensateur (C) dans un circuit fermé. (b) un représentant temps charge tension sur le condensateur, montrant l’oscillation non amortie (donnée par l’équation 6). (c) schéma montrant un circuit LC avec une résistance série (R), également connu comme un circuit RLC. (d) un temps représentant charge tension sur le condensateur du circuit illustré (c), montrant une oscillation amortie.

Procedure

1. utiliser un Oscilloscope

  1. Procurez-vous un oscilloscope, une petite ampoule (avec une résistance R de quelques Ω), un interrupteur et une source de tension DC (ou alternativement une pile de 1,5 V).
  2. Connecter le circuit comme illustré à la Figure 4, avec l’interrupteur ouvert. Les connexions dans cette expérience peuvent être effectuées avec câbles, pinces, ou fiches banane en recevant des ports sur les instruments.
  3. Sélectionnez l’échelle verticale de l’oscilloscope à une plage qui se trouve à proximité de 1 V. Sélectionnez l’échelle de temps de l’oscilloscope à une plage qui est proche de 1 s.
  4. Fermer l’interrupteur (donc changement de l’ampoule). Observer l’ampoule ainsi que la trace (« signal ») sur l’écran de l’oscilloscope. L’oscilloscope, en parallèle à l’ampoule, permettra de mesurer la tension à travers l’ampoule, et cette tension est proportionnelle au courant par le biais de l’ampoule.
  5. Maintenant, ouvrez l’interrupteur de nouveau (donc éteindre l’ampoule). Encore une fois observer l’ampoule ainsi que la trace (« signal ») sur l’écran de l’oscilloscope.
  6. Répétez les étapes 1.4 et 1.5, si nécessaire.

Figure 4

Figure 4 : Schéma montrant une ampoule connectée à une source de tension avec un commutateur. Un oscilloscope est connecté en parallèle avec l’ampoule d’éclairage pour mesurer sa tension (proportionnelle au courant).

2. Circuit RL

  1. Obtenir une inductance avec inductance L de 1 milliHenry (mH).
  2. Connecter l’inductance en série à l’ampoule (avec l’oscilloscope connecté en parallèle à l’ampoule) et à la tension d’alimentation d’un interrupteur ouvert, tel qu’illustré à la Figure 5 a.
  3. Fermer l’interrupteur. Observer l’ampoule ainsi que la forme d’onde sur l’oscilloscope.
  4. Ouvrir l’interrupteur. Obtenir une autre ampoule (du même type que la première ampoule) et la brancher en parallèle avec la première ampoule, tel qu’illustré à la Figure 5 b.
  5. Répétez l’étape 2.3 (fermer l’interrupteur) et observer les ampoules et l’oscilloscope.

Figure 5

Figure 5 : Schéma montrant un circuit RL, avec une ampoule (a) ou deux ampoules parallèles à (b) agissant comme la résistance (R). Un oscilloscope est connecté en parallèle avec les ampoules pour mesurer la tension à travers les ampoules, proportionnelle au total actuel.

3. Circuit RC

  1. Obtenir un condensateur avec une capacité de 1 Farad (F).
  2. Connecter le condensateur en série avec l’ampoule (qui est connecté en parallèle à l’oscilloscope) et ensemble à la tension d’alimentation avec l’interrupteur ouvert, tel qu’illustré à la Figure 6 a. Cela correspond au circuit similaire illustré à la Figure 5 a connecté à l’étape 2.2, sauf avec l’inducteur, remplacé par le condensateur.
  3. Fermer l’interrupteur. Observer l’ampoule ainsi que la forme d’onde sur l’oscilloscope.
  4. Ouvrir l’interrupteur. Connectez le deuxième ampoule en parallèle avec la première ampoule, comme illustré à la Figure 6 b.
  5. Répétez l’étape 3.3 (fermer l’interrupteur) et observer les ampoules et l’oscilloscope.

Figure 6

Figure 6 : Schéma montrant un circuit RC, avec une ampoule (a) ou deux ampoules parallèles à (b) agissant comme la résistance (R). Un oscilloscope est connecté en parallèle avec les ampoules pour mesurer la tension à travers les ampoules, proportionnelle au total actuel.

3. LC Circuit

  1. Connecter un inducteur de mH 8 en série avec un autre ouvert commutateur (#2) et, ensemble, en parallèle à un condensateur 10 µF, comme illustré à la Figure 7. Fermer l’interrupteur #1 pour avoir le condensateur chargé. Aucun ampoules ne sont utilisés dans cette partie de l’expérience.
  2. Connectez l’oscilloscope en parallèle avec le condensateur, comme illustré à la Figure 7.
  3. Maintenant ouvert #1, puis tout de suite proches interrupteur #2. Observer l’oscilloscope.

Figure 7

Figure 7 : Schéma montrant une inductance (L) avec un interrupteur connecté en parallèle à un condensateur (C), qui fait partie d’un circuit RC série a étudié à la Figure 6. L’oscilloscope est maintenant connectée en parallèle à l’inducteur pour mesurer sa tension.

Résistance « R » inducteur « L » et condensateur « C » sont des éléments de circuits fondamentaux, chacune avec des propriétés différentes qui sont la base de tous les appareils électriques modernes.

Une résistance est un composant électrique qui dissipe l’énergie, généralement sous forme de chaleur. En revanche, un condensateur stocke l’énergie dans un champ électrique, et un inducteur emmagasine l’énergie dans un champ magnétique.

Lorsque les résistances, les condensateurs et les inducteurs sont reliés entre eux, les circuits d’affichent l’heure et réponses en fréquence charge utiles pour AC traitement du signal, radios, filtres électriques et beaucoup d’autres applications.

Cette vidéo va illustrer les comportements d’un résistance-condensateur et un circuit de résistance-inducteur et montrer l’oscillation dans un circuit inductance-condensateur avec peu de perte énergétique résistif.

Nous allons apprendre comment se comportent de courant et tension dans les circuits impliquant des résistances, des inductances et des condensateurs.

Tout d’abord, nous allons parler d’un circuit d’une résistance en série avec un condensateur, appelé un circuit RC. Lorsque l’interrupteur est fermé, la sortie de la source de tension est appliquée sur les deux composants et actuel commence à couler. Comme, le condensateur est initialement déchargé, il a zéro tension entre ses bornes. Par conséquent, toute sortie de la source de tension apparaît aux bornes de la résistance et le courant est à sa valeur maximale.

Si nous regardons l’intrigue de tension et de courant contre la montre, initialement VR équivaut à source de tension, la tension aux bornes du condensateur « VC » est égale à zéro et le courant est à son maximum. Comme le courant de charge du condensateur, augmente la « VC ». En réponse, VR diminue et donc le courant va également vers le bas, conformément à la Loi d’Ohm. Finalement, la tension de la résistance est zéro et le courant s’arrête de couler.

Une analyse similaire est possible pour un circuit RL, composé d’une résistance en série avec une inductance. Au moment de la que fermeture de l’interrupteur, l’écoulement soudain de charge crée un champ magnétique dans l’inducteur, et sa tension « VL » est égale à la tension de la source. En conséquence, le VR initial est nulle et donc le courant initial est également nulle.

Maintenant, pour surveiller les changements, penchons-nous sur la tension et le courants graphiques comme avant. Au fil du temps comme les baisses de tension de bobine, la tension aux bornes de la résistance augmente et, par conséquent, le courant augmente aussi. En fin de compte, la tension de l’inducteur est nulle, la tension de sortie de source est conforme aux bornes de la résistance et le courant est à sa valeur maximale.

La désintégration des transitoires de courant et de tension dans les circuits RC et RL est due à la dissipation de l’énergie dans la résistance. En revanche, un circuit LC, qui a un condensateur connecté à une inductance, idéalement n’a pas la résistance ou la perte d’énergie et présente un comportement très différent.

Si le condensateur dans le circuit est chargé de la tension V et ensuite connecté à l’inducteur, énergie électrique stockée dans le condensateur est transféré à l’inducteur et convertie en énergie magnétique. L’inducteur transfère alors son énergie vers le condensateur puis le processus inverse avec le courant qui circule dans la direction opposée, ce processus se répète indéfiniment, et la tension aux bornes de chaque composant oscille sinusoïdalement dans le temps.

Un circuit RLC comme celui-ci ajoute une résistance au circuit LC. Parce que la résistance dissipe l’énergie au cours de chaque cycle amortissent les oscillations dans cette configuration. Finalement les oscillations arrete lorsque la tension et la décomposition actuelle à zéro.

Maintenant que nous avons expliqué les bases des circuits RC, RL et LC, nous allons jeter un oeil à leurs comportements dans le laboratoire.

Obtenir un oscilloscope, une petite ampoule avec une résistance de quelques ohms, un interrupteur et une batterie d’alimentation ou de 1,5 volts de tension DC. Assembler ce circuit et laissez l’interrupteur ouvert.

Choisissez l’échelle verticale de l’oscilloscope à 1 volt par division et l’échelle de temps de 1 seconde par division. Plus tard il peut être nécessaire d’ajuster ces paramètres pour une lecture optimale des signaux lors des différents essais.

Fermer l’interrupteur pour mettre sous tension l’ampoule.

Parce que l’ampoule se comporte comme une résistance, le courant à travers elle est proportionnel à la tension. Comme le montrent les traces de l’oscilloscope, l’ampoule éclaire instantanément lorsque l’interrupteur se ferme et s’assombrit instantanément quand l’interrupteur s’ouvre.

Assembler le circuit avec un condensateur de 1 Farad en série avec l’ampoule. Notez que l’oscilloscope mesure la tension aux bornes de la résistance. Laissez l’interrupteur ouvert jusqu’au début du test.

Fermer l’interrupteur et observer l’ampoule et la trace de l’oscilloscope. L’ampoule s’allume brièvement avant l’assombrissement car le condensateur passe actuel lorsque la tension change brusquement, la fermeture de l’interrupteur. Avec le temps, le courant qui traverse les désintégrations de circuit en raison de la résistance de l’ampoule et la capacité.

Ouvrir l’interrupteur et modifier le circuit en reliant une deuxième ampoule en parallèle avec le premier.

Encore une fois, fermer l’interrupteur. Regarder les ampoules et la trace de l’oscilloscope. Les deux ampoules parallèles allumer et éteindre plus rapidement que l’ampoule unique. C’est parce que la résistance parallèle de deux ampoules est plus petite que la résistance d’une seule ampoule. Le circuit qui en résulte a une goutte plus courte dans le courant et une réponse plus rapide.

Assembler ce circuit avec un 1 milli inducteur d’Henry en série avec l’ampoule. Laissez l’interrupteur ouvert jusqu’au début du test.

Fermer l’interrupteur et observer l’ampoule et la trace de l’oscilloscope. L’ampoule prend un peu de temps pour mettre en marche car l’inductance effectue peu de courant quand la tension change soudainement, comme lorsque l’interrupteur se ferme.

Avec le temps, courant de l’inducteur- et qu’à travers l’ampoule-approches un niveau de l’état stationnaire. Ouvrir l’interrupteur et brancher une deuxième ampoule en parallèle avec le premier.

Encore une fois, fermer l’interrupteur. Regarder les ampoules et la trace de l’oscilloscope. Les deux ampoules parallèles allumer et éteindre plus lentement que l’ampoule unique. C’est parce que la résistance parallèle de deux ampoules est plus petite que la résistance d’une seule ampoule.

Assemblez ce circuit avec un 10 micro condensateur Farad et un 8 milli inducteur de Henry, ainsi que de l’oscilloscope connecté à travers le condensateur. Fermez le commutateur 1 pour charger le condensateur et laisser l’interrupteur 2 ouverte jusqu’au début de l’essai.

Ouvrir l’interrupteur 1 à déconnecter de la source de tension du circuit. Fermer l’interrupteur 2 et observer l’oscilloscope. La tension de l’inducteur oscille et peut-être présenter certains amortissement causé par la faible résistance des fils dans le circuit. La période d’oscillation est de l’ordre de milli-secondes, qui est conforme à l’heure prévue, selon les valeurs de capacité et de la résistance.

Résistances, condensateurs et inductances sont des composants simples mais la RC, RL et circuits LC qui les utilisent ont des comportements complexes, qui permettent de nombreuses applications dans le traitement des signaux électroniques, circuits de synchronisation et des filtres.

Dans cet exemple, les chercheurs implantés émetteurs sous-cutanée chez les souris pour étudier la tension artérielle en se déplaçant librement. Récepteurs radio utilisent généralement des circuits d’inductance-condensateur pour sélectionner une fréquence spécifique de la large bande de radiofréquences interceptées ou RF, l’énergie. La bonne fréquence transporte les informations souhaitées pour l’amplification et le traitement ultérieur par l’électronique supplémentaire dans le récepteur.

Électroencéphalographes mesurent l’activité électrique du cerveau. Électrodes placées sur le cuir chevelu ramasser les signaux de niveau de millivolt sur une large bande passante. Circuits RC, RL et LC font partie des filtres qui réduisent les interférences électriques et objets d’art, contribuant ainsi à l’acquisition de données significatives.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE le comportement dépendant du temps de circuits utilisant des résistances, des condensateurs et des inductances. Vous devez maintenant comprendre les rudiments de circuits RC, RL et LC, et comment ces circuits diffèrent les uns des autres. Merci de regarder !

Results

Pour l’étape 1, la volonté de l’ampoule « instantanément » tourner sur et hors tension lorsque vous fermeture (étape 1.4) et ouverture de l’interrupteur (à l’étape 1.5). Traces d’oscilloscope représentatifs sont illustrés Figure 8.

Pour l’étape 2.3, après la fermeture de l’interrupteur, on peut constater qu’il faut une quantité faible mais perceptible de temps pour l’ampoule mettre en marche (au lieu d’instantanément comme à l’étape 1). Lorsqu’on utilise les deux ampoules parallèles (étape 2.5), il prend plus de temps pour les ampoules mettre en marche par rapport au cas précédent (étape 2.3). C’est parce que les deux ampoules parallèles donnent une plus petite résistance (R) et donc un plus long temps constant τL = L/R pour un circuit RL (Notez que la constante de temps peut-être pas exactement deux fois plus longtemps car les deux ampoules n’ont ne peut-être pas exactement les mêmes résistances, et il y a peut-être d’autres résistances non négligeables dans le circuit). Traces représentatives sur l’oscilloscope pour les deux cas sont indiquées à la Figure 9. Le temps de « allumer » échelle mesuré sur l’oscilloscope est ~ ms et est conforme à l’heure prévue constante τL basé sur les valeurs de résistance d’une inductance et une ampoule.

Pour l’étape 3.3, après la fermeture de l’interrupteur, on peut observer que l’ampoule s’allume brièvement avant de disparaître. Lorsqu’on utilise les deux ampoules parallèles (étape 3.5), il faut un temps plus court pour les ampoules à mourir par rapport au cas précédent (étape 3.3). C’est parce que les deux ampoules de lumière parallèles donnent une plus petite résistance (R), et ainsi une plus courte RC fois constante τ = RC. Traces représentatives sur l’oscilloscope pour les deux cas sont indiquées à la Figure 10. L’échelle de temps « allumer » de ~ 1 s correspond à l’heure prévue, τ constante basée sur les valeurs de l’ampoule et la capacité de résistance.

Pour étape 4.3, une tension oscillatoire tels que ceux décrits dans la Figure 3 b, 3d peut être observée sur l’oscilloscope. Un amortissement de l’oscillation peut être observée en raison de la résistance limitée des fils reliant le circuit. La période de l’oscillation, l’ordre de la milliseconde, correspond à la période d’oscillation LC attendue (2πEquation 10) basée sur les valeurs de capacité et de la résistance.

Figure 8
Figure 8 : Traces d’oscilloscope représentatif (ou « ondes ») qui peut être observée dans l’expérience décrite à la Figure 4, lorsque l’interrupteur est fermé ou ouvert, mesure de la tension à travers une ampoule directement connecté à une source de tension.

Figure 9
Figure 9 : Traces d’oscilloscope représentatif (ou « ondes ») qui peuvent être observés lorsque l’interrupteur est fermé dans l’expérience présenté à la Figure 5, mesurer la tension à travers une ampoule connectée en série d’une inductance et une source de tension.

Figure 10
Figure 10 : Traces d’oscilloscope représentatif (ou « ondes ») qui peuvent être observés lorsque l’interrupteur est fermé dans l’expérience décrite à la Figure 6, mesurer la tension à travers une ampoule connectée en série d’un condensateur et une source de tension

Applications and Summary

Dans cette expérience, nous avons démontré la réponse dépendant du temps (exponentielle pour allumer et éteindre) des circuits RC ou RL, et comment changer la résistance affecte la constante de temps. Nous avons aussi démontré la réponse oscillatoire dans un circuit LC.

RC, circuits RL et LC sont des blocs de construction essentiels dans de nombreuses applications de circuit. Par exemple, circuits RC et RL sont utilisées comme filtres (en profitant du fait que les condensateurs ont tendance à transmettre des signaux de haute fréquence, mais bloquent les signaux de basse fréquence, tandis que l’inverse est vrai pour les inductances). Ils sont également utiles pour le traitement du signal électrique, par exemple, en tenant le dérivé ou l’intégrale d’un signal électrique. Le circuit LC est un exemple simple d’un oscillateur « électrique » ou un circuit de résonance et est un élément commun dans les circuits utilisés pour amplificateurs, syntonisation radio, etc.

L’auteur de l’expérience reconnaît l’aide de Gary Hudson pour la préparation du matériel et Chuanhsun Li pour démontrer les étapes dans la vidéo.

1. utiliser un Oscilloscope

  1. Procurez-vous un oscilloscope, une petite ampoule (avec une résistance R de quelques Ω), un interrupteur et une source de tension DC (ou alternativement une pile de 1,5 V).
  2. Connecter le circuit comme illustré à la Figure 4, avec l’interrupteur ouvert. Les connexions dans cette expérience peuvent être effectuées avec câbles, pinces, ou fiches banane en recevant des ports sur les instruments.
  3. Sélectionnez l’échelle verticale de l’oscilloscope à une plage qui se trouve à proximité de 1 V. Sélectionnez l’échelle de temps de l’oscilloscope à une plage qui est proche de 1 s.
  4. Fermer l’interrupteur (donc changement de l’ampoule). Observer l’ampoule ainsi que la trace (« signal ») sur l’écran de l’oscilloscope. L’oscilloscope, en parallèle à l’ampoule, permettra de mesurer la tension à travers l’ampoule, et cette tension est proportionnelle au courant par le biais de l’ampoule.
  5. Maintenant, ouvrez l’interrupteur de nouveau (donc éteindre l’ampoule). Encore une fois observer l’ampoule ainsi que la trace (« signal ») sur l’écran de l’oscilloscope.
  6. Répétez les étapes 1.4 et 1.5, si nécessaire.

Figure 4

Figure 4 : Schéma montrant une ampoule connectée à une source de tension avec un commutateur. Un oscilloscope est connecté en parallèle avec l’ampoule d’éclairage pour mesurer sa tension (proportionnelle au courant).

2. Circuit RL

  1. Obtenir une inductance avec inductance L de 1 milliHenry (mH).
  2. Connecter l’inductance en série à l’ampoule (avec l’oscilloscope connecté en parallèle à l’ampoule) et à la tension d’alimentation d’un interrupteur ouvert, tel qu’illustré à la Figure 5 a.
  3. Fermer l’interrupteur. Observer l’ampoule ainsi que la forme d’onde sur l’oscilloscope.
  4. Ouvrir l’interrupteur. Obtenir une autre ampoule (du même type que la première ampoule) et la brancher en parallèle avec la première ampoule, tel qu’illustré à la Figure 5 b.
  5. Répétez l’étape 2.3 (fermer l’interrupteur) et observer les ampoules et l’oscilloscope.

Figure 5

Figure 5 : Schéma montrant un circuit RL, avec une ampoule (a) ou deux ampoules parallèles à (b) agissant comme la résistance (R). Un oscilloscope est connecté en parallèle avec les ampoules pour mesurer la tension à travers les ampoules, proportionnelle au total actuel.

3. Circuit RC

  1. Obtenir un condensateur avec une capacité de 1 Farad (F).
  2. Connecter le condensateur en série avec l’ampoule (qui est connecté en parallèle à l’oscilloscope) et ensemble à la tension d’alimentation avec l’interrupteur ouvert, tel qu’illustré à la Figure 6 a. Cela correspond au circuit similaire illustré à la Figure 5 a connecté à l’étape 2.2, sauf avec l’inducteur, remplacé par le condensateur.
  3. Fermer l’interrupteur. Observer l’ampoule ainsi que la forme d’onde sur l’oscilloscope.
  4. Ouvrir l’interrupteur. Connectez le deuxième ampoule en parallèle avec la première ampoule, comme illustré à la Figure 6 b.
  5. Répétez l’étape 3.3 (fermer l’interrupteur) et observer les ampoules et l’oscilloscope.

Figure 6

Figure 6 : Schéma montrant un circuit RC, avec une ampoule (a) ou deux ampoules parallèles à (b) agissant comme la résistance (R). Un oscilloscope est connecté en parallèle avec les ampoules pour mesurer la tension à travers les ampoules, proportionnelle au total actuel.

3. LC Circuit

  1. Connecter un inducteur de mH 8 en série avec un autre ouvert commutateur (#2) et, ensemble, en parallèle à un condensateur 10 µF, comme illustré à la Figure 7. Fermer l’interrupteur #1 pour avoir le condensateur chargé. Aucun ampoules ne sont utilisés dans cette partie de l’expérience.
  2. Connectez l’oscilloscope en parallèle avec le condensateur, comme illustré à la Figure 7.
  3. Maintenant ouvert #1, puis tout de suite proches interrupteur #2. Observer l’oscilloscope.

Figure 7

Figure 7 : Schéma montrant une inductance (L) avec un interrupteur connecté en parallèle à un condensateur (C), qui fait partie d’un circuit RC série a étudié à la Figure 6. L’oscilloscope est maintenant connectée en parallèle à l’inducteur pour mesurer sa tension.

Résistance « R » inducteur « L » et condensateur « C » sont des éléments de circuits fondamentaux, chacune avec des propriétés différentes qui sont la base de tous les appareils électriques modernes.

Une résistance est un composant électrique qui dissipe l’énergie, généralement sous forme de chaleur. En revanche, un condensateur stocke l’énergie dans un champ électrique, et un inducteur emmagasine l’énergie dans un champ magnétique.

Lorsque les résistances, les condensateurs et les inducteurs sont reliés entre eux, les circuits d’affichent l’heure et réponses en fréquence charge utiles pour AC traitement du signal, radios, filtres électriques et beaucoup d’autres applications.

Cette vidéo va illustrer les comportements d’un résistance-condensateur et un circuit de résistance-inducteur et montrer l’oscillation dans un circuit inductance-condensateur avec peu de perte énergétique résistif.

Nous allons apprendre comment se comportent de courant et tension dans les circuits impliquant des résistances, des inductances et des condensateurs.

Tout d’abord, nous allons parler d’un circuit d’une résistance en série avec un condensateur, appelé un circuit RC. Lorsque l’interrupteur est fermé, la sortie de la source de tension est appliquée sur les deux composants et actuel commence à couler. Comme, le condensateur est initialement déchargé, il a zéro tension entre ses bornes. Par conséquent, toute sortie de la source de tension apparaît aux bornes de la résistance et le courant est à sa valeur maximale.

Si nous regardons l’intrigue de tension et de courant contre la montre, initialement VR équivaut à source de tension, la tension aux bornes du condensateur « VC » est égale à zéro et le courant est à son maximum. Comme le courant de charge du condensateur, augmente la « VC ». En réponse, VR diminue et donc le courant va également vers le bas, conformément à la Loi d’Ohm. Finalement, la tension de la résistance est zéro et le courant s’arrête de couler.

Une analyse similaire est possible pour un circuit RL, composé d’une résistance en série avec une inductance. Au moment de la que fermeture de l’interrupteur, l’écoulement soudain de charge crée un champ magnétique dans l’inducteur, et sa tension « VL » est égale à la tension de la source. En conséquence, le VR initial est nulle et donc le courant initial est également nulle.

Maintenant, pour surveiller les changements, penchons-nous sur la tension et le courants graphiques comme avant. Au fil du temps comme les baisses de tension de bobine, la tension aux bornes de la résistance augmente et, par conséquent, le courant augmente aussi. En fin de compte, la tension de l’inducteur est nulle, la tension de sortie de source est conforme aux bornes de la résistance et le courant est à sa valeur maximale.

La désintégration des transitoires de courant et de tension dans les circuits RC et RL est due à la dissipation de l’énergie dans la résistance. En revanche, un circuit LC, qui a un condensateur connecté à une inductance, idéalement n’a pas la résistance ou la perte d’énergie et présente un comportement très différent.

Si le condensateur dans le circuit est chargé de la tension V et ensuite connecté à l’inducteur, énergie électrique stockée dans le condensateur est transféré à l’inducteur et convertie en énergie magnétique. L’inducteur transfère alors son énergie vers le condensateur puis le processus inverse avec le courant qui circule dans la direction opposée, ce processus se répète indéfiniment, et la tension aux bornes de chaque composant oscille sinusoïdalement dans le temps.

Un circuit RLC comme celui-ci ajoute une résistance au circuit LC. Parce que la résistance dissipe l’énergie au cours de chaque cycle amortissent les oscillations dans cette configuration. Finalement les oscillations arrete lorsque la tension et la décomposition actuelle à zéro.

Maintenant que nous avons expliqué les bases des circuits RC, RL et LC, nous allons jeter un oeil à leurs comportements dans le laboratoire.

Obtenir un oscilloscope, une petite ampoule avec une résistance de quelques ohms, un interrupteur et une batterie d’alimentation ou de 1,5 volts de tension DC. Assembler ce circuit et laissez l’interrupteur ouvert.

Choisissez l’échelle verticale de l’oscilloscope à 1 volt par division et l’échelle de temps de 1 seconde par division. Plus tard il peut être nécessaire d’ajuster ces paramètres pour une lecture optimale des signaux lors des différents essais.

Fermer l’interrupteur pour mettre sous tension l’ampoule.

Parce que l’ampoule se comporte comme une résistance, le courant à travers elle est proportionnel à la tension. Comme le montrent les traces de l’oscilloscope, l’ampoule éclaire instantanément lorsque l’interrupteur se ferme et s’assombrit instantanément quand l’interrupteur s’ouvre.

Assembler le circuit avec un condensateur de 1 Farad en série avec l’ampoule. Notez que l’oscilloscope mesure la tension aux bornes de la résistance. Laissez l’interrupteur ouvert jusqu’au début du test.

Fermer l’interrupteur et observer l’ampoule et la trace de l’oscilloscope. L’ampoule s’allume brièvement avant l’assombrissement car le condensateur passe actuel lorsque la tension change brusquement, la fermeture de l’interrupteur. Avec le temps, le courant qui traverse les désintégrations de circuit en raison de la résistance de l’ampoule et la capacité.

Ouvrir l’interrupteur et modifier le circuit en reliant une deuxième ampoule en parallèle avec le premier.

Encore une fois, fermer l’interrupteur. Regarder les ampoules et la trace de l’oscilloscope. Les deux ampoules parallèles allumer et éteindre plus rapidement que l’ampoule unique. C’est parce que la résistance parallèle de deux ampoules est plus petite que la résistance d’une seule ampoule. Le circuit qui en résulte a une goutte plus courte dans le courant et une réponse plus rapide.

Assembler ce circuit avec un 1 milli inducteur d’Henry en série avec l’ampoule. Laissez l’interrupteur ouvert jusqu’au début du test.

Fermer l’interrupteur et observer l’ampoule et la trace de l’oscilloscope. L’ampoule prend un peu de temps pour mettre en marche car l’inductance effectue peu de courant quand la tension change soudainement, comme lorsque l’interrupteur se ferme.

Avec le temps, courant de l’inducteur- et qu’à travers l’ampoule-approches un niveau de l’état stationnaire. Ouvrir l’interrupteur et brancher une deuxième ampoule en parallèle avec le premier.

Encore une fois, fermer l’interrupteur. Regarder les ampoules et la trace de l’oscilloscope. Les deux ampoules parallèles allumer et éteindre plus lentement que l’ampoule unique. C’est parce que la résistance parallèle de deux ampoules est plus petite que la résistance d’une seule ampoule.

Assemblez ce circuit avec un 10 micro condensateur Farad et un 8 milli inducteur de Henry, ainsi que de l’oscilloscope connecté à travers le condensateur. Fermez le commutateur 1 pour charger le condensateur et laisser l’interrupteur 2 ouverte jusqu’au début de l’essai.

Ouvrir l’interrupteur 1 à déconnecter de la source de tension du circuit. Fermer l’interrupteur 2 et observer l’oscilloscope. La tension de l’inducteur oscille et peut-être présenter certains amortissement causé par la faible résistance des fils dans le circuit. La période d’oscillation est de l’ordre de milli-secondes, qui est conforme à l’heure prévue, selon les valeurs de capacité et de la résistance.

Résistances, condensateurs et inductances sont des composants simples mais la RC, RL et circuits LC qui les utilisent ont des comportements complexes, qui permettent de nombreuses applications dans le traitement des signaux électroniques, circuits de synchronisation et des filtres.

Dans cet exemple, les chercheurs implantés émetteurs sous-cutanée chez les souris pour étudier la tension artérielle en se déplaçant librement. Récepteurs radio utilisent généralement des circuits d’inductance-condensateur pour sélectionner une fréquence spécifique de la large bande de radiofréquences interceptées ou RF, l’énergie. La bonne fréquence transporte les informations souhaitées pour l’amplification et le traitement ultérieur par l’électronique supplémentaire dans le récepteur.

Électroencéphalographes mesurent l’activité électrique du cerveau. Électrodes placées sur le cuir chevelu ramasser les signaux de niveau de millivolt sur une large bande passante. Circuits RC, RL et LC font partie des filtres qui réduisent les interférences électriques et objets d’art, contribuant ainsi à l’acquisition de données significatives.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE le comportement dépendant du temps de circuits utilisant des résistances, des condensateurs et des inductances. Vous devez maintenant comprendre les rudiments de circuits RC, RL et LC, et comment ces circuits diffèrent les uns des autres. Merci de regarder !

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