ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทกว้าง ๆ ประเภทหนึ่งคือส่วนประกอบที่ใช้งานอยู่และอีกชิ้นหนึ่งเป็นส่วนประกอบแบบพาสซีฟ ส่วนประกอบแบบพาสซีฟ ได้แก่ ตัวต้านทาน (R) ตัวเก็บประจุ (C) และตัวเหนี่ยวนำ (L) นี่คือส่วนประกอบที่ใช้มากที่สุดสามอย่างในวงจรอิเล็กทรอนิกส์และคุณจะพบได้ในเกือบทุกวงจรแอปพลิเคชัน ส่วนประกอบทั้งสามนี้รวมกันเป็นชุดที่แตกต่างกันจะสร้างวงจร RC, RL และ RLCและมีการใช้งานมากมายเช่นจากวงจรกรอง, หลอดไฟหลอด, เครื่องมัลติไวเบรเตอร์เป็นต้นดังนั้นในบทช่วยสอนนี้เราจะเรียนรู้พื้นฐานของวงจรเหล่านี้ทฤษฎีเบื้องหลัง และวิธีการใช้งานในวงจรของเรา
ก่อนที่เราจะเข้าสู่หัวข้อหลักให้ทำความเข้าใจว่า R, L และ C ทำอะไรในวงจร
ตัวต้านทาน: ตัวต้านทานแสดงด้วยตัวอักษร“ R” ตัวต้านทานเป็นองค์ประกอบที่กระจายพลังงานส่วนใหญ่ในรูปของความร้อน มันจะมีแรงดันตกคร่อมซึ่งคงที่สำหรับค่าคงที่ของกระแสที่ไหลผ่าน
Capacitor:ตัวเก็บประจุจะแสดงด้วยตัวอักษร“ C” ตัวเก็บประจุเป็นองค์ประกอบที่เก็บพลังงาน (ชั่วคราว) ในรูปของสนามไฟฟ้า ตัวเก็บประจุต้านทานการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้า ตัวเก็บประจุมีหลายประเภทซึ่งส่วนใหญ่จะใช้ตัวเก็บประจุแบบเซรามิกและตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า พวกเขาชาร์จในทิศทางเดียวและปล่อยในทิศทางตรงกันข้าม
ตัวเหนี่ยวนำ: ตัวเหนี่ยวนำแสดงด้วยตัวอักษร "L" ตัวเหนี่ยวนำก็คล้ายกับตัวเก็บประจุมันยังเก็บพลังงาน แต่ถูกเก็บไว้ในรูปของสนามแม่เหล็ก ตัวเหนี่ยวนำต้านทานการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบัน โดยปกติตัวเหนี่ยวนำเป็นลวดพันแผลและไม่ค่อยได้ใช้เมื่อเทียบกับส่วนประกอบทั้งสองในอดีต
เมื่อตัวต้านทานตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำเหล่านี้รวมเข้าด้วยกันเราสามารถสร้างวงจรเช่นวงจร RC, RL และ RLC ซึ่งแสดงการตอบสนองที่ขึ้นอยู่กับเวลาและความถี่ซึ่งจะมีประโยชน์ในแอปพลิเคชัน AC หลายตัว RC / RL / RLC วงจรสามารถนำมาใช้เป็นตัวกรอง, ออสซิลและอื่น ๆ อีกมากมายมันเป็นไปไม่ได้ที่จะครอบคลุมทุกแง่มุมในการกวดวิชานี้เพื่อให้เราจะได้เรียนรู้พฤติกรรมพื้นฐานของพวกเขาในการกวดวิชานี้
หลักการพื้นฐานของวงจร RC / RL และ RLC:
ก่อนที่เราจะเริ่มในแต่ละหัวข้อให้เราทำความเข้าใจว่า Resistor, Capacitor และ Inductor ทำงานอย่างไรในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ เพื่อจุดประสงค์ในการทำความเข้าใจให้เราพิจารณาวงจรง่ายๆที่ประกอบด้วยตัวเก็บประจุและตัวต้านทานแบบอนุกรมพร้อมแหล่งจ่ายไฟ (5V) ในกรณีนี้เมื่อเชื่อมต่อแหล่งจ่ายไฟกับคู่ RC แรงดันไฟฟ้าข้ามตัวต้านทาน (Vr) จะเพิ่มขึ้นเป็นค่าสูงสุดในขณะที่แรงดันไฟฟ้าข้ามตัวเก็บประจุ (Vc) ยังคงอยู่ที่ศูนย์จากนั้นตัวเก็บประจุจะเริ่มสร้างประจุอย่างช้าๆ แรงดันไฟฟ้าทั่วตัวต้านทานจะลดลงและแรงดันไฟฟ้าทั่วตัวเก็บประจุจะเพิ่มขึ้นจนกว่าแรงดันไฟฟ้าของตัวต้านทาน (Vr) จะถึงศูนย์และแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ (Vc) ถึงค่าสูงสุด วงจรและรูปคลื่นสามารถดูได้จาก GIF ด้านล่าง
ให้เราวิเคราะห์รูปคลื่นในภาพด้านบนเพื่อทำความเข้าใจสิ่งที่เกิดขึ้นจริงในวงจร รูปคลื่นที่มีภาพประกอบอย่างดีแสดงอยู่ในภาพด้านล่าง
เมื่อสวิตช์เปิดแรงดันไฟฟ้าข้ามตัวต้านทาน (คลื่นสีแดง) ถึงค่าสูงสุดและแรงดันไฟฟ้าข้ามตัวเก็บประจุ (คลื่นสีน้ำเงิน) ยังคงเป็นศูนย์ จากนั้นตัวเก็บประจุจะชาร์จขึ้นและ Vr จะกลายเป็นศูนย์และ Vc จะเป็นค่าสูงสุด ในทำนองเดียวกันเมื่อสวิตช์ถูกปิดการปล่อยประจุของตัวเก็บประจุและด้วยเหตุนี้แรงดันลบจะปรากฏขึ้นที่ตัวต้านทานและเมื่อตัวเก็บประจุปล่อยทั้งตัวเก็บประจุและแรงดันไฟฟ้าของตัวต้านทานจะกลายเป็นศูนย์ดังที่แสดงด้านบน
สิ่งเดียวกันนี้สามารถมองเห็นได้สำหรับตัวเหนี่ยวนำเช่นกัน แทนที่ตัวเก็บประจุด้วยตัวเหนี่ยวนำและรูปคลื่นจะถูกทำมิเรอร์นั่นคือแรงดันไฟฟ้าข้ามตัวต้านทาน (Vr) จะเป็นศูนย์เมื่อสวิตช์เปิดอยู่เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าทั้งหมดจะปรากฏในตัวเหนี่ยวนำ (Vl) เมื่อตัวเหนี่ยวนำชาร์จแรงดันไฟฟ้าคร่อม (Vl) มันจะถึงศูนย์และแรงดันไฟฟ้าข้ามตัวต้านทาน (Vr) จะถึงแรงดันไฟฟ้าสูงสุด
วงจร RC:
วงจร RC (ตัวต้านทานตัวเก็บประจุวงจร) จะประกอบด้วยตัวเก็บประจุและตัวต้านทานการเชื่อมต่อทั้งในชุดหรือขนานไปกับแรงดันไฟฟ้าหรือแหล่งที่มาในปัจจุบัน วงจรประเภทนี้เรียกอีกอย่างว่าตัวกรองRCหรือเครือข่าย RCเนื่องจากมักใช้ในการกรองแอปพลิเคชัน วงจร RC สามารถใช้เพื่อสร้างตัวกรองหยาบเช่นตัวกรองความถี่ต่ำ, ความถี่สูงและแบนด์พาส วงจรสั่งซื้อครั้งแรก RCจะประกอบด้วยเพียงหนึ่งตัวต้านทานและตัวเก็บประจุและเราจะวิเคราะห์เหมือนกันในการกวดวิชานี้
เพื่อทำความเข้าใจวงจร RC ให้เราสร้างวงจรพื้นฐานบนโปรตีอุสและเชื่อมต่อโหลดข้ามขอบเขตเพื่อวิเคราะห์ว่ามันทำงานอย่างไร วงจรพร้อมกับรูปคลื่นได้รับด้านล่าง
เราได้เชื่อมต่อโหลด (หลอดไฟ) ที่ทราบความต้านทาน 1k โอห์มแบบอนุกรมกับตัวเก็บประจุ 470uF เพื่อสร้างวงจร RC วงจรใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ 12V และใช้สวิตช์เพื่อปิดและเปิดวงจร รูปคลื่นวัดทั่วทั้งหลอดโหลดและแสดงเป็นสีเหลืองในภาพด้านบน
เริ่มแรกเมื่อสวิตช์เปิดแรงดันไฟฟ้าสูงสุด (12V) ปรากฏขึ้นทั่วโหลดหลอดไฟตัวต้านทาน (Vr) และแรงดันไฟฟ้าทั่วตัวเก็บประจุจะเป็นศูนย์ เมื่อสวิตช์ปิดแรงดันไฟฟ้าทั่วตัวต้านทานจะลดลงเหลือศูนย์จากนั้นเมื่อตัวเก็บประจุชาร์จแรงดันไฟฟ้าจะกลับไปสูงสุดดังที่แสดงในกราฟ
เวลาที่ตัวเก็บประจุใช้ในการชาร์จจะถูกกำหนดโดยสูตรT = 5Ƭโดยที่“ Ƭ” แสดงถึง tou (ค่าคงที่ของเวลา)
ให้เราคำนวณเวลาที่ตัวเก็บประจุของเราจะชาร์จในวงจร
Ƭ = RC = (1000 * (470 * 10 ^ -6)) = 0.47 วินาที T = 5Ƭ = (5 * 0.47) T = 2.35 วินาที
เราคำนวณแล้วว่าเวลาที่ใช้ในการชาร์จตัวเก็บประจุจะเท่ากับ 2.35 วินาทีซึ่งสามารถตรวจสอบได้เช่นเดียวกันจากกราฟด้านบน เวลาที่ใช้ในการเข้าถึง Vr ตั้งแต่ 0V ถึง 12V เท่ากับเวลาที่ใช้สำหรับตัวเก็บประจุเพื่อชาร์จจาก 0V ถึงแรงดันไฟฟ้าสูงสุด กราฟแสดงโดยใช้เคอร์เซอร์ในภาพด้านล่าง
ในทำนองเดียวกันเรายังสามารถคำนวณแรงดันไฟฟ้าข้ามตัวเก็บประจุในเวลาใดก็ได้และกระแสไฟฟ้าผ่านตัวเก็บประจุในเวลาใดก็ได้โดยใช้สูตรด้านล่าง
V (เสื้อ) = V B (1 - e -t / RC) I (t) = I o (1 - e -t / RC)
โดยที่ V Bคือแรงดันแบตเตอรี่และ I oคือกระแสไฟฟ้าขาออกของวงจร ค่าของ t คือเวลา (เป็นวินาที) ที่ต้องคำนวณแรงดันไฟฟ้าหรือค่ากระแสของตัวเก็บประจุ
วงจร RL:
วงจร RL (ตัวต้านทานตัวเหนี่ยวนำวงจร) จะประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำและตัวต้านทานการเชื่อมต่ออีกครั้งอย่างใดอย่างหนึ่งในซีรีส์หรือแบบคู่ขนาน วงจร RL แบบอนุกรมจะขับเคลื่อนด้วยแหล่งจ่ายแรงดันและวงจร RL แบบขนานจะขับเคลื่อนด้วยแหล่งกระแส วงจร RL มักใช้เป็นตัวกรองแบบพาสซีฟวงจร RL ลำดับแรกที่ มีตัวเหนี่ยวนำเพียงตัวเดียวและตัวเก็บประจุหนึ่งตัวแสดงอยู่ด้านล่าง
ในทำนองเดียวกันในวงจร RLเราต้องแทนที่ Capacitor ด้วย Inductor หลอดไฟถือว่าทำหน้าที่เป็นโหลดตัวต้านทานที่บริสุทธิ์และความต้านทานของหลอดถูกตั้งค่าไว้ที่ 100 โอห์ม
เมื่อเปิดวงจรแรงดันไฟฟ้าในโหลดตัวต้านทานจะสูงสุดและเมื่อสวิตช์ปิดแรงดันไฟฟ้าจากแบตเตอรี่จะถูกแบ่งใช้ระหว่างตัวเหนี่ยวนำและโหลดตัวต้านทาน ตัวเหนี่ยวนำจะชาร์จขึ้นอย่างรวดเร็วและด้วยเหตุนี้แรงดันไฟฟ้าที่ลดลงอย่างกะทันหันจะเกิดขึ้นจากโหลดตัวต้านทาน R
เวลาที่ใช้สำหรับตัวเหนี่ยวนำในการชาร์จสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรT = 5Ƭโดยที่“ represents” แสดงถึง tou (ค่าคงที่ของเวลา)
ให้เราคำนวณเวลาที่ใช้ในการเหนี่ยวนำของเราในการชาร์จไฟในวงจร ที่นี่เราได้ใช้ตัวเหนี่ยวนำค่า 1mH และตัวต้านทานค่า 100 โอห์ม
Ƭ = L / R = (1 * 10 ^ -3) / (100) = 10 ^ -5 วินาที T = 5Ƭ = (5 * 10 ^ -5) = 50 * 10 ^ -6 T = 50 u วินาที
ในทำนองเดียวกันเรายังสามารถคำนวณแรงดันไฟฟ้าของตัวเหนี่ยวนำในเวลาใดก็ได้และกระแสไฟฟ้าผ่านตัวเหนี่ยวนำในเวลาใดก็ได้โดยใช้สูตรด้านล่าง
V (เสื้อ) = V B (1 - e -tR / L) I (t) = I o (1 - e -tR / L)
โดยที่ V Bคือแรงดันแบตเตอรี่และ I oคือกระแสไฟฟ้าขาออกของวงจร ค่าของ t คือเวลา (เป็นวินาที) ที่ต้องคำนวณแรงดันไฟฟ้าหรือค่ากระแสของตัวเหนี่ยวนำ
วงจร RLC:
วงจร RLCเป็นชื่อที่แสดงจะประกอบด้วยตัวต้านทานตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำการเชื่อมต่อในชุดหรือขนานวงจรนี้เป็นวงจรออสซิลเลเตอร์ซึ่งนิยมใช้ในเครื่องรับวิทยุและโทรทัศน์ นอกจากนี้ยังนิยมใช้เป็นวงจรแดมเปอร์ในแอปพลิเคชันอนาล็อก คุณสมบัติการสั่นพ้องของวงจร RLC ลำดับแรกจะกล่าวถึงด้านล่าง
วงจร RLCจะเรียกว่าเป็นชุดวงจรเสียงสะท้อนวงจรสั่นหรือปรับวงจร วงจรเหล่านี้มีความสามารถในการให้สัญญาณความถี่เรโซแนนซ์ดังที่แสดงในภาพด้านล่าง
ที่นี่เรามีตัวเก็บประจุ C1 ที่ 100u และตัวเหนี่ยวนำ L1 ของชุดดีบุกที่เชื่อมต่อ 10mH ผ่านสวิตช์ เนื่องจากลวดที่เชื่อมต่อ C และ L จะมีความต้านทานภายในอยู่จึงสันนิษฐานได้ว่ามีความต้านทานเล็กน้อยเนื่องจากสายไฟ
ในขั้นต้นเราเปิดสวิตช์ 2 ไว้และปิดสวิตช์ 1 เพื่อชาร์จตัวเก็บประจุจากแหล่งแบตเตอรี่ (9V) จากนั้นเมื่อชาร์จตัวเก็บประจุแล้วสวิตช์ 1 จะเปิดขึ้นจากนั้นสวิตช์ 2 จะปิด
ทันทีที่สวิตช์ปิดประจุที่เก็บอยู่ในตัวเก็บประจุจะเคลื่อนไปยังตัวเหนี่ยวนำและชาร์จขึ้น เมื่อตัวเก็บประจุถูกคายประจุจนเต็มแล้วตัวเหนี่ยวนำจะเริ่มปล่อยกลับเข้าไปในตัวเก็บประจุวิธีนี้ประจุจะไหลไปมาระหว่างตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ แต่เนื่องจากจะมีการสูญเสียประจุในระหว่างกระบวนการนี้ประจุทั้งหมดจะค่อยๆลดลงจนกระทั่งถึงศูนย์ดังแสดงในกราฟด้านบน
การใช้งาน:
ตัวต้านทานตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุอาจเป็นส่วนประกอบธรรมดาและเรียบง่าย แต่เมื่อนำมารวมกันเพื่อรวมตัวกันเป็นวงจรเช่นวงจร RC / RL และ RLC จะแสดงพฤติกรรมที่ซับซ้อนซึ่งทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย มีเพียงไม่กี่รายการที่ระบุไว้ด้านล่าง
- ระบบการสื่อสาร
- การประมวลผลสัญญาณ
- การขยายแรงดัน / กระแส
- เครื่องส่งคลื่นวิทยุ
- เครื่องขยายสัญญาณ RF
- วงจร LC แบบเรโซแนนซ์
- วงจรปรับแต่งเสียง
- วงจรออสซิลเลเตอร์
- วงจรกรอง