RC/RL/LC Devreleri

Direnç 'R', indüktör 'L' ve kapasitör 'C', her biri tüm modern elektrikli cihazların temeli olan farklı özelliklere sahip temel devre elemanlarıdır.

Direnç, enerjiyi genellikle ısı şeklinde dağıtan elektrikli bir bileşendir. Buna karşılık, bir kapasitör enerjiyi bir elektrik alanında depolar ve bir indüktör enerjiyi bir manyetik alanda depolar.

Dirençler, kapasitörler ve indüktörler birbirine bağlandığında, devreler AC sinyal işleme, radyolar, elektrik filtreleri ve diğer birçok uygulama için yararlı olan zamana ve frekansa bağlı yanıtları görüntüler.

Bu video, bir direnç-kondansatör ve bir direnç-indüktör devresinin davranışlarını gösterecek ve çok az dirençli enerji kaybı olan bir indüktör-kondansatör devresindeki salınımı gösterecektir.

Dirençler, indüktörler ve kapasitörler içeren devrelerde akım ve voltajın nasıl davrandığını öğrenelim.

İlk olarak, RC devresi adı verilen bir kondansatöre sahip bir direncin seri devresinden bahsedelim. Anahtar kapatıldığında, voltaj kaynağının çıkışı her iki bileşene de uygulanır ve akım akmaya başlar. Kondansatör başlangıçta yüksüz olduğundan, terminalleri boyunca sıfır voltaja sahiptir. Bu nedenle, voltaj kaynağının tüm çıkışı direnç boyunca görünür ve akım maksimum değerindedir.

Zamana karşı voltaj ve akım grafiğine bakarsak, başlangıçta VR kaynak voltajına eşittir, 'VC' kondansatörü üzerindeki voltaj sıfırdır ve akım maksimumdadır. Akım kondansatörü şarj ettikçe 'VC' artar. Buna karşılık, VR azalır ve bu nedenle Ohm Yasasına göre akım da düşer. Sonunda direnç voltajı sıfırdır ve akım akışı durur.

Benzer bir analiz, bir indüktör ile seri olarak bir dirençten oluşan bir RL devresi için de mümkündür. Anahtar kapandığı anda, ani şarj akışı indüktörde bir manyetik alan oluşturur ve voltajı 'VL' kaynağın voltajına eşittir. Sonuç olarak, ilk VR sıfırdır ve bu nedenle başlangıç akımı da sıfırdır.

Şimdi, değişiklikleri izlemek için, daha önce olduğu gibi voltaj ve akım grafiklerine bakalım. Zamanla, indüktör voltajı azaldıkça, direnç üzerindeki voltaj artar ve bu nedenle akım da artar. Sonuç olarak, indüktör voltajı sıfırdır, tüm voltaj kaynağı çıkışı direnç üzerindedir ve akım maksimum değerindedir.

RC ve RL devrelerindeki akım ve gerilim geçişlerinin bozulması, dirençteki enerji dağılımından kaynaklanır. Buna karşılık, bir indüktöre bağlı bir kondansatöre sahip bir LC devresi, ideal olarak direnç veya enerji kaybına sahip değildir ve çok farklı davranış sergiler.

Bu devredeki kondansatör V voltajına yüklenir ve daha sonra indüktöre bağlanırsa, kondansatörde depolanan elektrik enerjisi indüktöre aktarılır ve manyetik enerjiye dönüştürülür. İndüktör daha sonra enerjisini kondansatöre geri aktarır, ardından ters yönde akan akımla işlem tersine döner, bu işlem süresiz olarak tekrarlanır ve her bir bileşendeki voltaj zamanla sinüzoidal olarak salınır.

Bunun gibi bir RLC devresi, LC devresine bir direnç ekler. Bu konfigürasyondaki salınımlar sönümlenir çünkü direnç her döngü sırasında enerjiyi dağıtır. Sonunda, voltaj ve akım sıfıra düştüğünde salınımlar durur.

RC, RL ve LC devrelerinin temellerini açıkladığımıza göre, şimdi laboratuvardaki davranışlarına bir göz atalım.

Bir osiloskop, birkaç ohm dirençli küçük bir ampul, bir anahtar ve bir DC voltaj kaynağı veya 1,5 voltluk bir pil edinin. Bu devreyi monte edin ve anahtarı açık bırakın.

Osiloskopun dikey ölçeğini bölme başına 1 volt ve zaman ölçeğini bölme başına 1 saniye olarak seçin. Daha sonra, çeşitli testler sırasında sinyallerin en iyi şekilde görüntülenmesi için bu ayarların yapılması gerekebilir.

Ampule güç uygulamak için anahtarı kapatın.

Ampul bir direnç gibi davrandığından, içinden geçen akım voltajla orantılıdır. Osiloskop izlerinin gösterdiği gibi, anahtar kapandığında ampul anında yanar ve anahtar açıldığında anında kararır.

Ampul ile seri olarak 1 Farad kondansatör ile devreyi gösterildiği gibi monte edin. Osiloskopun direnç üzerindeki voltajı ölçtüğüne dikkat edin. Testin başlangıcına kadar anahtarı açık bırakın.

Anahtarı kapatın ve ampulü ve osiloskop izini gözlemleyin. Ampul kararmadan önce kısa bir süre yanar, çünkü anahtar kapandığında voltaj aniden değiştiğinde kondansatör akımı geçer. Zaman ilerledikçe, ampul direnci ve kapasitans nedeniyle devreden geçen akım azalır.

Anahtarı açın ve birinciye paralel olarak ikinci bir ampul bağlayarak devreyi değiştirin.

Anahtarı tekrar kapatın. Hem ampulleri hem de osiloskop izini izleyin. İki paralel ampul, tek ampulden daha hızlı açılır ve kapanır. Bunun nedeni, iki ampulün paralel direncinin, tek bir ampulün direncinden daha küçük olmasıdır. Ortaya çıkan devre, akımda daha kısa bir düşüşe ve daha hızlı bir tepkiye sahiptir.

Bu devreyi ampul ile seri olarak 1 mili Henry indüktörü ile birleştirin. Testin başlangıcına kadar anahtarı açık bırakın.

Anahtarı kapatın ve ampulü ve osiloskop izini gözlemleyin. Ampulün açılması az zaman alır, çünkü anahtar kapandığında olduğu gibi voltaj aniden değiştiğinde indüktör çok az akım iletir.

Zaman ilerledikçe, indüktörün akımı - ve ampulden geçen - sabit bir durum seviyesine yaklaşır. Anahtarı açın ve birinciye paralel olarak ikinci bir ampul bağlayın.

Anahtarı tekrar kapatın. Hem ampulleri hem de osiloskop izini izleyin. İki paralel ampul, tek ampulden daha yavaş açılır ve kapanır. Bunun nedeni, iki ampulün paralel direncinin, tek bir ampulün direncinden daha küçük olmasıdır.

Bu devreyi 10 mikro Farad kondansatör ve 8 mili Henry indüktörü ve kondansatör boyunca bağlı osiloskop ile birleştirin. Kondansatörü şarj etmek için anahtar 1'i kapatın ve testin başlangıcına kadar anahtar 2'yi açık bırakın.

Voltaj kaynağını devreden ayırmak için anahtar 1'i açın. Anahtar 2'yi kapatın ve osiloskopu gözlemleyin. İndüktör voltajı salınır ve devredeki tellerin küçük direncinden kaynaklanan bir miktar sönümleme gösterebilir. Salınım periyodu, kapasitans ve direnç değerlerine bağlı olarak beklenen süre ile tutarlı olan mili saniye mertebesindedir.

Dirençler, kapasitörler ve indüktörler basit bileşenlerdir, ancak bunları kullanan RC, RL ve LC devreleri, elektronik sinyal işleme, zamanlama devreleri ve filtrelerde birçok uygulamayı mümkün kılan karmaşık davranışlara sahiptir.

Bu örnekte, araştırmacılar farelerde serbestçe hareket ederken kan basıncını incelemek için deri altı radyo vericileri yerleştirdiler. Radyo alıcıları, yakalanan radyo frekansı veya RF enerjisinin geniş bandından belirli bir frekansı seçmek için yaygın olarak indüktör-kapasitör devrelerini kullanır. Doğru frekans, alıcıdaki ek elektronikler tarafından amplifikasyon ve daha fazla işlem için istenen bilgileri taşır.

Elektroensefalograflar beyindeki elektriksel aktiviteyi ölçer. Kafa derisi üzerine yerleştirilen elektrotlar, geniş bir frekans aralığında milivolt seviyesindeki sinyalleri alır. RC, RL ve LC devreleri, elektriksel parazitleri ve artefaktları azaltan filtrelerin bir parçasıdır ve böylece anlamlı verilerin elde edilmesine yardımcı olur.

JoVE'nin dirençler, kapasitörler ve indüktörler kullanan devrelerin zamana bağlı davranışına girişini az önce izlediniz. Artık RC, RL ve LC devrelerinin temellerini ve bu devrelerin birbirinden nasıl farklı olduğunu anlamalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler!