في دائرة RC ، يتم استخدام مجموعة أو R (المقاوم) و C (مكثف) في تكوينات محددة من أجل تنظيم تدفق التيار ، لتنفيذ حالة مرغوبة.

واحدة من الاستخدامات الرئيسية للمكثف هو في شكل وحدة اقتران تسمح للتيار المتناوب بالمرور ولكن يمنع التيار المستمر. في أي دائرة عملية تقريبًا ، سترى بعض المقاومة مرتبطة على التوالي بالمكثف.

تقيد المقاومة تدفق التيار وتسبب بعض التأخير عبر جهد الإمداد المغذي للمكثف عن طريق التسبب في تراكم شحنة في المكثف ، بما يتناسب مع جهد التغذية.

RC وقت ثابت

معادلة تحديد وقت RC (T) واضحة جدًا:

T = RC حيث T = ثابت الوقت بالثواني R = المقاومة بالميغا أوم C = السعة في الميكروفاراد.

(يمكن ملاحظة أن القيمة العددية نفسها لـ T يتم توفيرها إذا كانت R بالأوم و C بالفاراد ، ولكن من الناحية العملية ، غالبًا ما تكون وحدات الميغوم والميكروفاراد أكثر سهولة.)

في دائرة RC ، يمكن تعريف ثابت وقت RC على أنه الوقت الذي يستغرقه الجهد المطبق عبر المكثف للوصول إلى 63٪ من الجهد المطبق.

(يفضل هذا الحجم بنسبة 63٪ لسهولة الحساب). في الحياة الواقعية ، قد يستمر الجهد عبر المكثف في التراكم عمليًا (ولكن ليس تمامًا) 100 ٪ من الجهد المطبق ، كما هو موضح في الشكل أدناه.

يشير عنصر ثابت الوقت إلى طول الوقت في شكل عامل الوقت ، على سبيل المثال عند عامل وقت واحد لشبكة RC ، يتم تجميع 63 ٪ من الجهد الإجمالي ، في فترة بعد 2X وقت ثابت ، يتم بناء 80 ٪ من الجهد الكلي في الداخل المكثف وما إلى ذلك.

بعد فترة زمنية ثابتة تبلغ 5 تقريبًا (ولكن ليس تمامًا) قد يتراكم جهد 100٪ عبر المكثف. تحدث عوامل التفريغ للمكثف بنفس الطريقة الأساسية ولكن في التسلسل العكسي.

بمعنى أنه بعد فترة زمنية تساوي ثابت الوقت 5 ، فإن الجهد المطبق على المكثف سيحقق انخفاضًا بنسبة 100-63 = 37٪ من الجهد الكامل وما إلى ذلك.

لا يتم شحن المكثفات أو تفريغها بالكامل

من الناحية النظرية ، على الأقل ، لا يمكن للمكثف بأي شكل من الأشكال شحن ما يصل إلى مستوى الجهد المطبق الكامل ولا يمكن تفريغه بالكامل.

“ما هي مصنوعة من المشتتات الحرارية ”

في الواقع ، يمكن اعتبار الشحن الكامل ، أو التفريغ الكلي ، على أنه قد تم إنجازه خلال فترة زمنية تقابل 5 ثوابت زمنية.

لذلك ، في الدائرة كما هو موضح أدناه ، سيؤدي مفتاح التشغيل 1 إلى شحن 'كامل' للمكثف في 5 × ثوانٍ ثابتة.

بعد ذلك ، عند فتح المفتاح 1 ، قد يكون المكثف في موقف حيث يتم تخزين جهد مساوٍ للجهد المطبق الفعلي. وستحتفظ بهذه الشحنة لفترة غير محددة من الوقت بشرط ألا يكون للمكثف أي تسرب داخلي.

ستكون عملية فقدان الشحنة بطيئة للغاية في الواقع ، لأنه في العالم الحقيقي لا يمكن أن يكون أي مكثف مثاليًا ، ولكن لفترة زمنية طويلة معينة ، قد تظل هذه الشحنة المخزنة مصدرًا فعالًا للجهد الأصلي 'الشحن الكامل'.

عندما يتم تطبيق المكثف بجهد عالٍ ، يمكن أن يكون سريعًا في وضع يسمح له بتوصيل صدمة كهربائية في حالة لمسه حتى بعد إيقاف تشغيل الدائرة.

لتنفيذ دورة الشحن / التفريغ كما هو موضح في الرسم البياني الثاني أعلاه ، عند إغلاق المفتاح 2 ، يبدأ المكثف في التفريغ عبر المقاومة المتصلة ، ويستغرق بعض الوقت لإنجاز عملية التفريغ.

مجموعة RC في مذبذب الاسترخاء

الشكل أعلاه عبارة عن دائرة مذبذب استرخاء أساسية للغاية تعمل باستخدام نظرية تفريغ الشحنة الأساسية للمكثف.

وهو يشتمل على المقاوم (R) والمكثف (C) الموصلين على التوالي بمصدر جهد التيار المستمر. من أجل التمكن من رؤية عمل الدائرة ماديًا ، أ مصباح نيون يستخدم بالتوازي مع المكثف.

يتصرف المصباح تقريبًا مثل دائرة مفتوحة حتى يصل الجهد إلى حده الأقصى للجهد ، عندما يتم تشغيله على الفور وينقل التيار تمامًا مثل الموصل ويبدأ في التوهج. يجب أن يكون مصدر جهد الإمداد لهذا التيار أعلى من مصدر جهد إطلاق النيون.

كيف تعمل

عندما يتم تشغيل الدائرة الكهربائية ، يبدأ المكثف في الشحن ببطء كما هو محدد بواسطة ثابت وقت RC. يبدأ المصباح في تلقي جهد متزايد يتم تطويره عبر المكثف.

في اللحظة التي تصل فيها هذه الشحنة عبر المكثف إلى قيمة قد تكون مساوية لجهد إطلاق النيون ، يقوم مصباح النيون بالتوصيل ويبدأ في الإضاءة.

عندما يحدث هذا ، يقوم النيون بإنشاء مسار تفريغ للمكثف ، والآن يبدأ المكثف في التفريغ. يؤدي هذا بدوره إلى انخفاض الجهد عبر النيون وعندما ينخفض هذا المستوى عن جهد إطلاق النيون ، ينطفئ المصباح ويغلق.

تستمر العملية الآن مما يؤدي إلى وميض النيون OFF. يعتمد معدل الوميض أو التردد على القيمة الثابتة لوقت RC ، والتي يمكن تعديلها إما لتمكين الوميض البطيء أو معدل الوميض السريع.

إذا أخذنا في الاعتبار قيم المكونات كما هو موضح في الرسم التخطيطي ، فإن ثابت الوقت للدائرة T = 5 (ميغا أوم) × 0.1 (ميكروفاراد) = 0.5 ثانية.

هذا يعني أنه من خلال تغيير قيم RC ، يمكن تغيير معدل وميض النيون وفقًا للتفضيل الفردي.

تكوين RC في دوائر التيار المتردد

عند استخدام التيار المتردد في تكوين RC ، نظرًا للطبيعة المتناوبة للتيار ، فإن دورة نصف التيار المتردد تقوم بشحن المكثف بشكل فعال ، وبالمثل يتم تفريغه مع نصف الدورة السلبية التالية. يتسبب هذا في قيام المكثف بالشحن والتفريغ بالتناوب استجابة للقطبية المتغيرة لشكل موجة دورة التيار المتردد.

لهذا السبب ، في الواقع ، لا يتم تخزين جهد التيار المتردد في المكثف بل يُسمح له بالمرور عبر المكثف. ومع ذلك ، فإن هذا الممر للتيار مقيد بوقت ثابت RC موجود في مسار الدائرة.

تحدد مكونات RC مقدار النسبة المئوية للجهد المطبق الذي يتم شحنه وتفريغه من المكثف. في نفس الوقت ، يمكن أن يوفر المكثف أيضًا مقاومة طفيفة لتمرير التيار المتردد عن طريق التفاعل ، على الرغم من أن هذا التفاعل لا يستهلك أي طاقة بشكل أساسي. تأثيره الأساسي هو على استجابة التردد المشاركة في دائرة RC.

اقتران RC في دوائر التيار المتردد

يعتبر اقتران مرحلة معينة من الدائرة الصوتية بمرحلة أخرى من خلال مكثف تنفيذًا شائعًا وواسع الانتشار. بينما يبدو أن السعة تستخدم بشكل مستقل ، إلا أنها قد تكون متضمنة في الواقع مع مقاومة سلسلة متكاملة يرمز لها بمصطلح 'الحمل' كما هو موضح أدناه.

هذه المقاومة ، بمساعدة المكثف ، تؤدي إلى توليفة RC التي قد تكون مسؤولة عن توليد ثابت زمني معين.

من الأهمية بمكان أن يكون ثابت الوقت هذا مكملاً لمواصفات تردد إشارة الدخل AC التي يتم نقلها من مرحلة إلى أخرى.

إذا افترضنا مثال دائرة مضخم الصوت ، يمكن أن يكون النطاق الأعلى لتردد الإدخال حوالي 10 كيلو هرتز. ستكون دورة الفترة الزمنية لهذا النوع من التردد 1 / 10،000 = 0.1 مللي ثانية.

ومع ذلك ، للسماح بهذا التردد ، تنفذ كل دورة خاصيتين للشحن / التفريغ فيما يتعلق بوظيفة مكثف الاقتران ، واحدة موجبة والأخرى سلبية.

لذلك ، فإن الفترة الزمنية لوظيفة الشحن / التفريغ الانفرادي ستكون 0.05 مللي ثانية.

يجب أن يفي ثابت وقت RC المطلوب لتمكين هذا الأداء بقيمة 0.05 مللي ثانية من أجل الوصول إلى 63 ٪ من مستوى جهد التيار المتردد المغذي ، وأقل إلى حد ما للسماح بمرور أعلى من 63 في المائة من الجهد المطبق.

تحسين ثابت وقت RC

توفر لنا الإحصائيات المذكورة أعلاه فكرة عن أفضل قيمة ممكنة لمكثف اقتران لاستخدامه.

لتوضيح ذلك ، لنفترض أن مقاومة الإدخال العادية لترانزستور منخفض الطاقة يمكن أن تكون تقريبًا 1 ك. قد يكون ثابت الوقت لاقتران RC الأكثر فاعلية 0.05 مللي ثانية (انظر أعلاه) ، والذي يمكن تحقيقه من خلال الحسابات التالية:

0.05 × 10 = 1،000 × C أو C = 0.05 × 10^-9farads = 0.50 pF (أو ربما أقل قليلاً ، لأن ذلك سيسمح بمرور جهد أعلى من 63٪ عبر المكثف).

من الناحية العملية ، يمكن تنفيذ قيمة سعة أكبر بكثير بشكل عام والتي يمكن أن تصل إلى 1 درجة فهرنهايت أو أكثر. قد يؤدي هذا عادةً إلى نتائج محسنة ، ولكن على العكس من ذلك قد يتسبب في تقليل كفاءة توصيل اقتران التيار المتردد.

تشير الحسابات أيضًا إلى أن الاقتران السعوي يصبح أكثر فاعلية مع زيادة تردد التيار المتردد ، عندما يتم تنفيذ المكثفات الحقيقية في دوائر الاقتران.

استخدام شبكة RC في دوائر التصفية

يتم تنفيذ ترتيب RC القياسي باعتباره a دائرة التصفية هو موضح في الشكل أدناه.

إذا نظرنا إلى جانب الإدخال ، فسنجد مقاومًا متصلًا في سلسلة بمفاعلة سعوية ، مما يتسبب في حدوث انخفاض في الجهد عبر العنصرين.

في حالة حدوث تفاعل مكثف (Xc) أعلى من R ، فإن كل جهد الدخل تقريبًا يتراكم عبر المكثف ، وبالتالي يصل جهد الخرج إلى المستوى الذي يساوي جهد الدخل.

نحن نعلم أن مفاعلة المكثف تتناسب عكسياً مع التردد ، وهذا يعني أنه إذا زاد تردد التيار المتردد سيؤدي إلى انخفاض التفاعل ، مما يؤدي إلى زيادة الجهد الناتج عن التناسب (ولكن سيتم إسقاط جزء كبير من جهد الدخل بواسطة المقاوم ).

ما هو التردد الحرج

من أجل ضمان الاقتران الفعال لإشارة التيار المتردد ، يتعين علينا النظر في العامل المسمى التردد الحرج.

عند هذا التردد ، يميل عنصر قيمة التفاعل إلى التأثر بشدة لدرجة أنه في مثل هذه الحالة يبدأ مكثف الاقتران في حجب الإشارة بدلاً من التوصيل بكفاءة.

في مثل هذه الحالة ، تبدأ نسبة الفولت (الخارج) / الفولت (in) في الانخفاض بسرعة. هذا موضح أدناه في شكل تخطيطي أساسي.

يتم تقييم النقطة الحرجة ، التي تسمى نقطة الانطلاق أو تردد القطع (f) على النحو التالي:

fc = 1/2 RC

حيث R بالأوم ، C بالفاراد ، و بي = 3.1416

“كيفية صنع شاحن كمبيوتر محمول محلي الصنع ”

لكن من المناقشة السابقة نعلم أن RC = ثابت الوقت T ، وبالتالي تصبح المعادلة:

fc = 1/2 T

حيث T هو الوقت الثابت بالثواني.

تتميز كفاءة العمل لهذا النوع من المرشحات بتردد القطع والمعدل الذي تبدأ من خلاله نسبة الفولت (in) / volts (out) في الانخفاض فوق عتبة تردد القطع.

يتم تمثيل الأخير بشكل عام على أنه (بعض) ديسيبل لكل أوكتاف (لكل تردد مضاعف) ، كما هو موضح في الشكل التالي الذي يوضح العلاقة بين نسبة dB و volts (in) / volts (out) ، كما يوفر استجابة تردد دقيقة منحنى.

فلاتر RC ذات التمرير المنخفض

حسب الاسم المقترح، مرشحات تمرير منخفض مصممة لتمرير إشارات التيار المتردد أسفل تردد القطع مع الحد الأدنى من فقدان أو توهين قوة الإشارة. بالنسبة للإشارات التي تكون أعلى من تردد القطع ، يولد مرشح التمرير المنخفض توهينًا متزايدًا.

من الممكن حساب قيم المكونات الدقيقة لهذه المرشحات. على سبيل المثال ، يمكن إنشاء مرشح خدش قياسي يستخدم عادة في مكبرات الصوت لتخفيف الترددات التي تزيد ، على سبيل المثال ، عن 10 كيلو هرتز. تشير هذه القيمة المحددة إلى تردد القطع المقصود للمرشح.

فلاتر RC عالية التمرير

تم تصميم مرشحات التمرير العالي للعمل في الاتجاه المعاكس. إنها تخفف الترددات التي تظهر أسفل تردد القطع ، ولكنها تسمح لجميع الترددات عند أو أعلى من تردد القطع المحدد بدون توهين.

لإنجاز تنفيذ مرشح التمرير العالي هذا ، يتم ببساطة تبديل مكونات RC في الدائرة مع بعضها البعض كما هو موضح أدناه.

مرشح التمرير العالي مشابه لمرشح التمرير المنخفض. تستخدم هذه بشكل عام في مكبرات الصوت وأجهزة الصوت ، للتخلص من الضوضاء أو 'الدمدمة' الناتجة عن الترددات المنخفضة المتأصلة وغير المرغوب فيها.

يجب أن يكون تردد القطع المحدد الذي سيتم حذفه منخفضًا بدرجة كافية بحيث لا يتعارض مع استجابة الجهير 'الجيدة'. لذلك ، يكون المقدار المحدد عادةً في حدود 15 إلى 20 هرتز.