整个电子组件可以分为两大类,一类是有源组件,另一类是无源组件。无源元件包括电阻器(R),电容器(C)和电感器(L)。这是电子电路中最常用的三个组件,几乎在每个应用电路中都可以找到它们。这三个组件以不同的组合在一起将形成RC,RL和RLC电路,它们具有许多应用,例如滤波电路,电子管扼流圈,多谐振荡器等。因此,在本教程中,我们将学习这些电路的基础以及背后的理论它们以及如何在我们的电路中使用它们。
在我们进入主要主题之前,让我们先了解一下R,L和C在电路中的作用。
电阻:电阻用字母“ R”表示。电阻是一种主要以热量形式耗散能量的元件。它将在其两端具有压降,对于流经它的固定电流值,压降将保持固定。
电容器:电容器用字母“ C”表示。电容器是一种以电场形式暂时存储能量的元件。电容器可抵抗电压变化。电容器有很多类型,其中最常使用陶瓷电容器和电解电容器。它们沿一个方向充电而沿相反方向放电
电感器: 电感器由字母“ L”表示。电感器也类似于电容器,它也存储能量,但以磁场形式存储。电感器抵抗变化的电流。电感器通常是线圈绕线,与前两个组件相比很少使用。
将这些电阻器,电容器和电感器放在一起时,我们可以形成诸如RC,RL和RLC电路之类的电路,这些电路表现出与时间和频率相关的响应,这将在许多交流应用中如前所述。一个RC / RL / RLC电路可以作为一个过滤器,振荡器等等,不可能涵盖所有方面,在本教程中,所以我们将学习在本教程他们的基本行为。
RC / RL和RLC电路的基本原理:
在开始每个主题之前,让我们了解电阻器,电容器和电感器在电子电路中的行为。为了便于理解,让我们考虑一个简单的电路,该电路由一个电容器和一个电阻与一个电源(5V)串联而成。在这种情况下,当电源连接到RC对时,电阻(Vr)两端的电压增加到最大值,而电容器(Vc)两端的电压保持为零,然后电容器开始缓慢建立电荷,因此电阻两端的电压将减小,电容器两端的电压将增大,直到电阻器电压(Vr)达到零且电容器电压(Vc)达到最大值。电路和波形可以在下面的GIF中看到
让我们分析上图中的波形,以了解电路中实际发生的情况。下图显示了波形图。
当开关打开时,电阻两端的电压(红波)达到最大值,而电容器两端的电压(蓝波)保持为零。然后电容器充电,Vr变为零,Vc变为最大值。类似地,当开关断开时,电容器放电,因此在电阻两端会出现负电压,并且当电容器放电时,电容器和电阻器电压都将变为零,如上所述。
对于电感器也可以看到相同的结果。用电感器替换电容器,波形将被镜像,即,当开关接通时,电阻器(Vr)两端的电压将为零,因为整个电压将出现在电感器(V1)两端。随着电感器对(Vl)两端的电压充电,它将达到零,而电阻器(Vr)两端的电压将达到最大电压。
RC电路:
的RC电路(电阻电容电路)将包括一个电容器和一个电阻器连接的串联或者并联到的电压或电流源。这些类型的电路也被称为RC滤波器或RC网络,因为它们最常用于滤波应用中。RC电路可用于制造一些粗略的滤波器,例如低通,高通和带通滤波器。一阶RC电路将仅由一个电阻和一个电容器组成,我们将在本教程中对其进行分析
要了解RC电路,让我们在蛋白质体上创建一个Basic电路,并将负载连接到整个示波器以分析其行为。电路及其波形如下
我们已经将一个已知电阻为1k Ohms的负载(灯泡)与一个470uF电容器串联在一起,以形成一个RC电路。该电路由12V电池供电,并且使用开关来闭合和断开电路。跨负载灯泡测量了该波形,并在上图中以黄色显示。
最初,当开关断开时,电阻灯泡负载(Vr)两端出现最大电压(12V),电容器两端的电压将为零。当开关闭合时,电阻两端的电压将降至零,然后随着电容器充电,电压将恢复至最大值,如图所示。
电容器充电所需的时间由公式T =5Ƭ给出,其中“Ƭ”代表tou(时间常数)。
让我们计算电容器在电路中充电所需的时间。
Ƭ= RC =(1000 *(470 * 10 ^ -6)) = 0.47秒 T =5Ƭ =(5 * 0.47) T = 2.35秒
我们已经计算出电容器充电所需的时间为2.35秒,也可以从上图验证。Vr从0V达到12V所需的时间等于电容器从0V充电至最大电压所需的时间。下图使用光标说明了该图。
同样,我们还可以使用以下公式计算在任何给定时间的电容器两端的电压和在任何给定时间通过电容器的电流
V(t)= V B(1 – e -t / RC) I(t)= I o(1 – e -t / RC)
其中,V B是电池电压,I o是电路的输出电流。t的值是必须计算电容器的电压或电流值的时间(以秒为单位)。
RL电路:
的RL电路(电阻电感电路)将包括一个电感器和一个电阻器串联或并联连接的再次任一。串联RL电路将由电压源驱动,而并联RL电路将由电流源驱动。RL电路通常用作无源滤波器,仅显示一个电感和一个电容器的一阶RL电路 如下所示
同样,在RL电路中,我们必须用电感器代替电容器。假定灯泡充当纯电阻性负载,并且灯泡的电阻设置为100欧姆的已知值。
当电路断开时,电阻负载两端的电压将最大,而当开关闭合时,来自电池的电压将在电感器和电阻负载之间共享。电感器快速充电,因此电阻性负载R会经历突然的电压降。
电感充电所需的时间可以使用公式T =5Ƭ计算,其中“Ƭ”代表tou(时间常数)。
让我们计算电感器在电路中充电所需的时间。在这里,我们使用了一个值为1mH的电感器和一个值为100 Ohms的电阻器
Ƭ= L / R =(1 * 10 ^ -3)/(100) = 10 ^ -5秒 T =5Ƭ =(5 * 10 ^ -5) = 50 * 10 ^ -6 T = 50 u秒。
同样,我们还可以使用以下公式计算在任何给定时间的电感两端的电压和在任何给定时间通过电感的电流
V(t)= V B(1 – e -tR / L) I(t)= I o(1 – e -tR / L)
其中,V B是电池电压,I o是电路的输出电流。t的值是必须计算电感器的电压或电流值的时间(以秒为单位)。
RLC电路:
甲RLC电路顾名思义将包括一个电阻器,电容器和电感器连接在串联或并联。该电路形成一个振荡器电路,在无线电接收机和电视中非常常用。它也非常普遍地用作模拟应用中的阻尼电路。一阶RLC电路的谐振特性将在下面讨论
在RLC电路也被称为串联谐振电路,振荡电路或调谐电路。这些电路具有提供谐振频率信号的能力,如下图所示
在这里,我们有一个100u的电容器C1和一个10mH的电感器L1(通过开关与锡串联连接)。由于连接C和L的导线将具有一定的内部电阻,因此可以认为由于导线而导致的电阻很小。
最初,我们将开关2保持为打开状态,然后闭合开关1以从电池电源(9V)为电容器充电。然后,一旦电容器被充电,则开关1断开,然后开关2闭合。
一旦开关闭合,存储在电容器中的电荷将移向电感器并对其充电。电容器完全放电后,电感器将开始放电回到电容器中,这样电荷将在电感器和电容器之间来回流动。但是由于在此过程中会产生一些电荷损失,所以总电荷将逐渐减少,直到达到零,如上图所示。
应用范围:
电阻器,电感器和电容器可能是普通的简单组件,但是当将它们组合起来以形成诸如RC / RL和RLC电路之类的电路时,它们表现出复杂的性能,从而使其适用于广泛的应用。下面列出了其中几个
- 通讯系统
- 信号处理
- 电压/电流倍率
- 无线电波发射器
- 射频放大器
- 谐振LC电路
- 可变音调电路
- 振荡电路
- 滤波电路