RC電路是電阻器電容器電路(RC電路)或者RC過濾器,RC網絡是電路a和電容器駕駛的組成由電阻器電壓或當前來源.一次RC電路由一個電阻器和一臺電容器組成,是RC電路的簡單例子。RC電路在模擬電路、脈沖數字電路中得到廣泛的應用。
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RC電路的分類
(1)RC串聯電路
電路的特點:由于有電容存在不能流過直流電流,電阻和電容都對電流存在阻礙作用,其總阻抗由電阻和容抗確定,總阻抗隨頻率變化而變化。RC串聯有一個轉折頻率:f0=1/2πR1C1
當輸入信號頻率大于f0時,整個RC串聯電路總的阻抗基本不變了,其大小等于R1。
(2)RC并聯電路
RC并聯電路既可通過直流又可通過交流信號。它和RC串聯電路有著同樣的轉折頻率:f0=1/2πR1C1。當輸入信號頻率小于f0時,信號相對電路為直流,電路的總阻抗等于R1;當輸入信號頻率大于f0時C1的容抗相對很小,總阻抗為電阻阻值并上電容容抗。當頻率高到一定程度后總阻抗為0。
(3)RC串并聯電路
RC串并聯電路存在兩個轉折頻率f01和f02:
f01=1/2πR2C1,f02=1/2πC1*[R1*R2/(R1+R2)]
當信號頻率低于f01時,C1相當于開路,該電路總阻抗為R1+R2。
當信號頻率高于f02時,C1相當于短路,此時電路總阻抗為R1。
當信號頻率高于f01低于f02時,該電路總阻抗在R1+R2到R1之間變化。
積分電路的作用是:消減變化量,突出不變量。RC電路的積分條件:RC≥Tk,Tk是脈沖周期,積分電路可將矩形脈沖波轉換為鋸齒波或三角波,還可將鋸齒波轉換為拋物波。電路原理很簡單,都是基于電容的沖放電原理,這里就不詳細說了,這里要提的是電路的時間常數R*C,構成積分電路的條件是電路的時間常數必須要大于或等于10倍于輸入波形的寬度。
微分電路的作用是:消減不變量,突出變化量。微分電路可把矩形波轉換為尖脈沖波,電路的輸出波形只反映輸入波形的突變部微分電路分,即只有輸入波形發生突變的瞬間才有輸出。而對恒定部分則沒有輸出。輸出的尖脈沖波形的寬度與RC有關(即電路的時間常數),RC越小,尖脈沖波形越尖,反之則寬。此電路的RC必須遠遠少于輸入波形的寬度,否則就失去了波形變換的作用,變為一般的RC耦合電路了,一般RC少于或等于輸入波形寬度的微分電路1/10就可以了。
在模擬及脈沖數字電路中,常常用到由電阻R和電容C組成的RC電路,在些電路中,電阻R和電容C的取值不同、輸入和輸出關系以及處理的波形之間的關系,產生了RC電路的不同應用,下面分別談談微分電路、積分電路、耦合電路、脈沖分壓器以及濾波電路。
1.RC微分電路
如圖1所示,電阻R和電容C串聯后接入輸入信號VI,由電阻R輸出信號VO,當RC數值與輸入方波寬度tW之間滿足:RC<
在t=t1時,VI由0→Vm,因電容上電壓不能突變(來不及充電,相當于短路,VC=0),輸入電壓VI全降在電阻R上,即VO=VR=VI=Vm。隨后(t > t1),電容C的電壓按指數規律快速充電上升,輸出電壓隨之按指數規律下降(因VO=VI-VC=Vm-VC),經過大約3τ(τ=R×C)時,VCVm,VO0,τ(RC)的值愈小,此過程愈快,輸出正脈沖愈窄。
t=t2時,VI由Vm→0,相當于輸入端被短路,電容原先充有左正右負的電壓Vm開始按指數規律經電阻R放電,剛開始,電容C來不及放電,他的左端(正電)接地,所以VO=-Vm,之后VO隨電容的放電也按指數規律減小,同樣經過大約3τ后,放電完畢,輸出一個負脈沖。
只要脈沖寬度tW>(5 ~ 10)τ,在tW時間內,電容C已完成充電或放電(約需3τ),輸出端就能輸出正負尖脈沖,才能成為微分電路,因而電路的充放電時間常數τ必須滿足:τ<(1/5~1/10)tW,這是微分電路的必要條件。
由于輸出波形VO與輸入波形VI之間恰好符合微分運算的結果[VO=RC(dVI/dt)],即輸出波形是取輸入波形的變化部分。如果將VI按傅里葉級展開,進行微分運算的結果,也將是VO的表達式。他主要用于對復雜波形的分離和分頻器,如從電視信號的復合同步脈沖分離出行同步脈沖和時鐘的倍頻應用。
2.RC耦合電路
圖1中,如果電路時間常數τ(RC)>>tW,他將變成一個RC耦合電路。輸出波形與輸入波形一樣。如圖3所示。
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(1)在t=t1時,第一個方波到來,VI由0→Vm,因電容電壓不能突變(VC=0),VO=VR=VI=Vm。
(2)t1>tW,電容C緩慢充電,VC緩慢上升為左正右負,VO=VR=VI-VC,VO緩慢下降。
(3)t=t2時,VO由Vm→0,相當于輸入端被短路,此時,VC已充有左正右負電壓Δ[Δ=(VI/τ)×tW],經電阻R非常緩慢地放電。
(4)t=t3時,因電容還來不及放完電,積累了一定電荷,第二個方波到來,電阻上的電壓就不是Vm,而是VR=Vm-VC(VC≠0),這樣第二個輸出方波比第一個輸出方波略微往下平移,第三個輸出方波比第二個輸出方波又略微往下平移,…,最后,當輸出波形的正半周“面積”與負半周“面積”相等時,就達到了穩定狀態。也就是電容在一個周期內充得的電荷與放掉的電荷相等時,輸出波形就穩定不再平移,電容上的平均電壓等于輸入信號中電壓的直流分量(利用C的隔直作用),把輸入信號往下平移這個直流分量,便得到輸出波形,起到傳送輸入信號的交流成分,因此是一個耦合電路。
以上的微分電路與耦合電路,在電路形式上是一樣的,關鍵是tW與τ的關系,下面比較一下τ與方波周期T(T > tW)不同時的結果,如圖4所示。在這三種情形中,由于電容C的隔直作用,輸出波形都是一個周期內正、負“面積”相等,即其平均值為0,不再含有直流成份。
①當τ>>T時,電容C的充放電非常緩慢,其輸出波形近似理想方波,是理想耦合電路。
②當τ=T時,電容C有一定的充放電,其輸出波形的平頂部分有一定的下降或上升,不是理想方波。
③當τ < T時,電容C在極短時間內(tW)已充放電完畢,因而輸出波形為上下尖脈沖,是微分電路。
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3.RC積分電路
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如圖5所示,電阻R和電容C串聯接入輸入信號VI,由電容C輸出信號V0,當RC(τ)數值與輸入方波寬度tW之間滿足:τ》》tW,這種電路稱為積分電路。在電容C兩端(輸出端)得到鋸齒波電壓,如圖6所示。
(3)t=t2時,VI由Vm→0,相當于輸入端被短路,電容原先充有左正右負電壓VI(VI < Vm)經R緩慢放電,VO(VC)按指數規律下降。
這樣,輸出信號就是鋸齒波,近似為三角形波,τ > tW是本電路必要條件,因為他是在方波到來期間,電容只是緩慢充電,VC還未上升到Vm時,方波就消失,電容開始放電,以免電容電壓出現一個穩定電壓值,而且τ越大,鋸齒波越接近三角波。輸出波形是對輸入波形積分運算的結果
,他是突出輸入信號的直流及緩變分量,降低輸入信號的變化量。
4.RC濾波電路(無源)
在模擬電路,由RC組成的無源濾波電路中,根據電容的接法及大小主要可分為低通濾波電路(如圖7)和高通濾波電路(如圖8)。
(1)在圖7的低通濾波電路中,他跟積分電路有些相似(電容C都是并在輸出端),但他們是應用在不同的電路功能上,積分電路主要是利用電容C充電時的積分作用,在輸入方波情形下,來產生周期性的鋸齒波(三角波),因此電容C及電阻R是根據方波的tW來選取,而低通濾波電路,是將較高頻率的信號旁路掉(因XC=1/(2πfC),f較大時,XC較小,相當于短路),因而電容C的值是參照低頻點的數值來確定,對于電源的濾波電路,理論上C值愈大愈好。
(2)圖8的高通濾波電路與微分電路或耦合電路形式相同。在脈沖數字電路中,因RC與脈寬tW的關系不同而區分為微分電路和耦合電路;在模擬電路,選擇恰當的電容C值,就可以有選擇性地讓較高頻的信號通過,而阻斷直流及低頻信號,如高音喇叭串接的電容,就是阻止中低音進入高音喇叭,以免燒壞。另一方面,在多級交流放大電路中,他也是一種耦合電路。
5.RC脈沖分壓器
當需要將脈沖信號經電阻分壓傳到下一級時,由于電路中存在各種形式的電容,如寄生電容,他相當于在負載側接有一負載電容(如圖9),當輸入一脈沖信號時,因電容CL的充電,電壓不能突變,使輸出波形前沿變壞,失真。為此,可在R1兩端并接一加速電容C1,這樣組成一個RC脈沖分壓器(如圖10)。
(1)t=0+時,電容視為短路,電流只流經C1,CL,VO由C1和CL分壓得到:
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但是,任何信號源都有一定的內阻,以及一些電路的需要,通常采取過補償的辦法,如電視信號中,為突出傳送圖像的輪廓,采用勾邊電路,就是通過加大C1的取值。
求RC電路的放電時間為1分鍾,電壓從9V降到5v.放電電流為300mA左右,選擇最佳的的R值和C值。
RC電路的放電方程是:UC=US*e-t/RC,其中,US=9,UC=5,t=60,代入公式可求出時間常數RC的值,現在關鍵的就是要確定R和C的值了,它只能通過你所要求的放電電路來選擇了,由放電電流公式:I=C*dU/dt,再將此公式代入上面的公式中可得:I=-US*C/RCe-t/RC,將C看成一個未知參數,然后作出I-t曲線,計算出該曲線與直線I=300所圍成的面積,這個積分上下限為t=0-60,去使面積最小的C值就可.
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