El conjunt de components electrònics es poden dividir en dues grans categories, una és la de components actius i l’altra com a components passius. Els components passius inclouen la resistència (R), el condensador (C) i l’inductor (L). Aquests són els tres components més utilitzats al circuit electrònic i els trobareu a gairebé tots els circuits d'aplicacions. Aquests tres components junts en diferents combinacions formaran els circuits RC, RL i RLC i tenen moltes aplicacions, com ara circuits de filtratge, bobines de llum de tubs, multivibrators, etc. com utilitzar-los als nostres circuits.
Abans de saltar als temes principals, entenem què fa una R, L i C en un circuit.
Resistència: les resistències es denoten amb la lletra "R". Una resistència és un element que dissipa l'energia principalment en forma de calor. Tindrà una caiguda de voltatge que es mantindrà fixa per a un valor fix de corrent que hi circula.
Condensador: els condensadors es denoten amb la lletra "C". Un condensador és un element que emmagatzema energia (temporalment) en forma de camp elèctric. El condensador resisteix els canvis de tensió. Hi ha molts tipus de condensadors, dels quals s’utilitzen principalment el condensador ceràmic i el condensador electrolític. Es carreguen en un sentit i descarreguen en sentit contrari
Inductor: els inductors es denoten amb la lletra “L”. Un inductor també és similar al condensador, també emmagatzema energia però s’emmagatzema en forma de camp magnètic. Els inductors resisteixen els canvis de corrent. Els inductors solen ser un filferro bobinat i rarament s’utilitzen en comparació amb els dos components anteriors.
Quan es combinen aquestes resistències, condensadors i inductors, podem formar circuits com el circuit RC, RL i RLC que exhibeix respostes dependents del temps i de la freqüència que seran útils en moltes aplicacions de corrent altern, com ja s'ha esmentat. Es pot utilitzar un circuit RC / RL / RLC com a filtre, oscil·lador i molt més, no és possible cobrir tots els aspectes d’aquest tutorial, de manera que en aprendrem el comportament bàsic.
Principi bàsic dels circuits RC / RL i RLC:
Abans de començar amb cada tema, entenem com es comporten una resistència, un condensador i un inductor en un circuit electrònic. A l’efecte de la comprensió, considerem un circuit senzill format per un condensador i una resistència en sèrie amb una font d’alimentació (5V). En aquest cas, quan la font d'alimentació està connectada al parell RC, la tensió a través de la resistència (Vr) augmenta fins al seu valor màxim mentre la tensió a través del condensador (Vc) es manté a zero, llavors lentament el condensador comença a generar càrrega i, per tant, la tensió a través de la resistència disminuirà i la tensió a través del condensador augmentarà fins que la tensió de la resistència (Vr) hagi arribat a zero i la tensió del condensador (Vc) hagi assolit el seu valor màxim. El circuit i la forma d’ona es poden veure al GIF següent
Analitzem la forma d’ona de la imatge anterior per entendre què és el que passa realment al circuit. A la imatge següent es mostra una forma d’ona ben il·lustrada.
Quan l’interruptor està activat, la tensió de la resistència (ona vermella) arriba al màxim i la tensió del condensador (ona blava) es manté a zero. Aleshores, el condensador es carrega i Vr es torna zero i Vc es converteix en màxim. De la mateixa manera, quan l'interruptor està apagat, el condensador es descarrega i, per tant, apareix el voltatge negatiu a través de la resistència i, a mesura que el condensador es descarrega, tant el condensador com el voltatge de la resistència es tornen nuls, tal com es mostra més amunt.
El mateix es pot visualitzar també per als inductors. Substituïu el condensador per un inductor i la forma d'ona només es reflectirà, és a dir, el voltatge de la resistència (Vr) serà zero quan s'activi l'interruptor, ja que apareixerà tota la tensió a través de l'inductor (Vl). A mesura que l’inductor carrega el voltatge a través de (Vl), arribarà a zero i el voltatge a través de la resistència (Vr) assolirà el voltatge màxim.
Circuit RC:
El circuit RC (circuit de condensadors de resistència) estarà format per un condensador i una resistència connectats en sèrie o paral·lels a una font de tensió o corrent. Aquest tipus de circuits també s’anomenen filtres RC o xarxes RC, ja que s’utilitzen més habitualment en aplicacions de filtratge. Es pot utilitzar un circuit RC per fabricar alguns filtres en brut com ara passos baixos, passos alts i passos de banda. Un circuit RC de primer ordre estarà format només per una resistència i un condensador i analitzarem el mateix en aquest tutorial
Per entendre el circuit RC, creem un circuit bàsic a proteus i connectem la càrrega a l’abast per analitzar el seu comportament. A continuació es mostra el circuit juntament amb la forma d'ona
Hem connectat una càrrega (bombeta) de resistència coneguda d'1k Ohms en sèrie amb un condensador de 470uF per formar un circuit RC. El circuit s’alimenta amb una bateria de 12V i s’utilitza un interruptor per tancar i obrir el circuit. La forma d'ona es mesura a través de la bombeta de càrrega i es mostra en color groc a la imatge superior.
Inicialment, quan l’interruptor està obert, apareix la tensió màxima (12V) a la càrrega de la bombeta resistiva (Vr) i la tensió del condensador serà nul·la. Quan es tanca l'interruptor, la tensió de la resistència caurà a zero i, a mesura que es carregui el condensador, la tensió tornarà al màxim, tal com es mostra al gràfic.
El temps que es necessita per carregar el condensador ve donat per les fórmules T = 5Ƭ, on “Ƭ” representa tou (constant de temps).
Calculem el temps que ha trigat el nostre condensador a carregar-se al circuit.
Ƭ = RC = (1000 * (470 * 10 ^ -6)) = 0,47 segons T = 5Ƭ = (5 * 0,47) T = 2,35 segons.
Hem calculat que el temps de càrrega del condensador serà de 2,35 segons, el mateix també es pot comprovar a la gràfica anterior. El temps que ha trigat Vr a arribar de 0V a 12V és igual al temps que ha trigat el condensador a carregar-se de 0V a la tensió màxima. El gràfic s’il·lustra amb els cursors de la imatge següent.
De la mateixa manera, també podem calcular el voltatge a través del condensador en un moment donat i el corrent a través del condensador en un moment donat mitjançant les fórmules següents
V (t) = V B (1 - e -t / RC) I (t) = I o (1 - e -t / RC)
On, V B és la tensió de la bateria i I o és el corrent de sortida del circuit. El valor de t és el temps (en segons) en què s’ha de calcular el valor de tensió o corrent del condensador.
Circuit RL:
El circuit RL (Circuit inductor de resistència) estarà format per un inductor i una resistència connectats de nou en sèrie o en paral·lel. Un circuit RL de sèrie serà conduït per una font de tensió i un circuit RL paral·lel serà conduït per una font de corrent. Els circuits RL s’utilitzen habitualment com a filtres passius, a continuació es mostra un circuit RL de primer ordre amb un sol inductor i un condensador
De la mateixa manera, en un circuit RL hem de substituir el condensador per un inductor. Es suposa que la bombeta actua com una càrrega resistiva pura i la resistència de la bombeta s'estableix en un valor conegut de 100 ohms.
Quan el circuit està obert, la tensió a través de la càrrega resistiva serà màxima i, quan es tanca l’interruptor, la tensió de la bateria es comparteix entre l’inductor i la càrrega resistiva. L’inductor es carrega ràpidament i, per tant, es produirà una sobtada caiguda de tensió per la càrrega resistiva R.
El temps que triga l’inductor a carregar-se es pot calcular utilitzant la fórmula T = 5Ƭ, on “Ƭ” representa tou (constant de temps).
Calculem el temps que ha trigat el nostre inductor a carregar-se al circuit. Aquí hem utilitzat un inductor de valor 1mH i la resistència de valor 100 Ohms
Ƭ = L / R = (1 * 10 ^ -3) / (100) = 10 ^ -5 segons T = 5Ƭ = (5 * 10 ^ -5) = 50 * 10 ^ -6 T = 50 u segons.
De la mateixa manera, també podem calcular el voltatge a través de l’inductor en un moment donat i el corrent a través de l’inductor en un moment donat mitjançant les fórmules següents
V (t) = V B (1 - e -tR / L) I (t) = I o (1 - e -tR / L)
On, V B és la tensió de la bateria i I o és el corrent de sortida del circuit. El valor de t és el temps (en segons) en què s’ha de calcular el valor de tensió o corrent de l’inductor.
Circuit RLC:
Un circuit RLC com el seu nom indica consistirà en una resistència, condensador i inductor connectats en sèrie o paral·lel. El circuit forma un circuit oscil·lador que s’utilitza molt habitualment en els receptors de ràdio i els televisors. També s’utilitza molt com a circuits amortidors en aplicacions analògiques. A continuació es discuteix la propietat de ressonància d’un circuit RLC de primer ordre
El circuit RLC també s’anomena circuit de ressonància en sèrie, circuit oscil·lant o circuit sintonitzat. Aquests circuits tenen la capacitat de proporcionar un senyal de freqüència de ressonància com es mostra a la imatge següent
Aquí tenim un condensador C1 de 100u i un inductor L1 de 10mH connectat en sèrie de llauna mitjançant un commutador. Com que el cable que connecta el C i el L tindrà certa resistència interna, se suposa que hi ha una petita quantitat de resistència a causa del cable.
Inicialment, mantenim l’interruptor 2 obert i tanquem l’interruptor 1 per carregar el condensador des de la font de la bateria (9V). Aleshores, un cop carregat el condensador, s’obre l’interruptor 1 i es tanca l’interruptor 2.
Tan bon punt es tanqui l’interruptor, la càrrega emmagatzemada al condensador es desplaçarà cap a l’inductor i es carregarà cap amunt. Una vegada que el condensador estigui completament descarregat, l’inductor començarà a descarregar-se de nou al condensador d’aquesta manera, les càrregues fluiran entre l’inductor i el condensador. Però, com que hi haurà alguna pèrdua de càrregues durant aquest procés, la càrrega total disminuirà gradualment fins arribar a zero, tal com es mostra al gràfic anterior.
Aplicacions:
Els resistors, inductors i condensadors poden ser components simples i normals, però quan es combinen per formar circuits com el circuit RC / RL i RLC presenten un comportament complex que el fa adequat per a una àmplia gamma d'aplicacions. Poques d’elles es detallen a continuació
- Sistemes de comunicació
- Processament de senyals
- Ampliació de tensió / corrent
- Transmissors d'ona de ràdio
- Amplificadors de RF
- Circuit LC ressonant
- Circuits de melodies variables
- Circuits oscil·ladors
- Circuits de filtratge