Comment fonctionnent les circuits RC

Dans un circuit RC, une combinaison ou R (résistance) et C (condensateur) est utilisée dans des configurations spécifiques afin de réguler le flux de courant, pour mettre en œuvre une condition souhaitée.

L'un des principales utilisations d'un condensateur se présente sous la forme d'une unité de couplage qui laisse passer le courant alternatif mais bloque le courant continu. Dans presque tous les circuits pratiques, vous verrez quelques résistances jointes en série avec le condensateur.

La résistance restreint le flux de courant et provoque un certain retard à travers la tension d'alimentation fournie au condensateur en provoquant l'accumulation d'une charge dans le condensateur, proportionnelle à la tension fournie.

Constante de temps RC

La formule pour déterminer le temps RC (T) est très simple:

T = RC où T = constante de temps en secondes R = résistance en mégohms C = capacité en microfarads.

(On peut observer que la même valeur numérique pour T est fournie si R est en ohms et C en farads, mais en pratique les mégohms et les microfarads sont souvent des unités beaucoup plus faciles.)

Dans un circuit RC, la constante de temps RC peut être définie comme le temps mis par la tension appliquée aux bornes du condensateur pour atteindre 63% de la tension appliquée.

(cette magnitude de 63% est en fait préférée pour faciliter le calcul). Dans la vie réelle, la tension aux bornes du condensateur peut continuer à s'accumuler jusqu'à pratiquement (mais jamais tout à fait) 100% de la tension appliquée, comme indiqué dans la figure ci-dessous.

L'élément de constante de temps signifie la durée sous forme de facteur de temps, par exemple à 1 facteur de temps du réseau RC, 63% de la tension totale est accumulée, dans une période après la constante de temps 2X, 80% de la tension totale est accumulée à l'intérieur le condensateur et ainsi de suite.

Après une constante de temps de 5, une tension de presque (mais pas tout à fait) 100% peut s'accumuler à travers le condensateur. Les facteurs de décharge d'un condensateur se produisent de la même manière fondamentale mais dans l'ordre inverse.

Cela signifie qu'après un intervalle de temps égal à la constante de temps 5, la tension appliquée au condensateur atteindra une chute de 100 - 63 = 37% de la tension totale et ainsi de suite.

Les condensateurs ne sont jamais complètement chargés ou déchargés

Théoriquement, à tout le moins, un condensateur ne peut en aucun cas se charger jusqu'à la pleine tension appliquée ni être complètement déchargé.

En réalité, une charge complète, ou décharge totale, peut être considérée comme accomplie dans un laps de temps correspondant à 5 constantes de temps.

Par conséquent, dans le circuit illustré ci-dessous, la mise sous tension du commutateur 1 provoquera une charge «complète» du condensateur en 5 x secondes de constante de temps.

Ensuite, lorsque l'interrupteur 1 est ouvert, le condensateur peut alors se trouver dans une situation où il stockera une tension égale à la tension réelle appliquée. Et il maintiendra cette charge pendant une période de temps indéfinie à condition que le condensateur n'ait aucune fuite interne.

Ce processus de perte de charge sera en fait extrêmement lent, car dans le monde réel, aucun condensateur ne peut être parfait, mais pendant une certaine période de temps significative, cette charge stockée peut continuer à être une source efficace de la tension de «pleine charge» d'origine.

Lorsque le condensateur est appliqué avec une haute tension, il peut rapidement être en mesure de délivrer un choc électrique en cas de contact même après la mise hors tension du circuit.

Pour exécuter le cycle de charge / décharge comme indiqué dans le deuxième diagramme graphique ci-dessus, lorsque le commutateur 2 est fermé, le condensateur commence à se décharger via la résistance connectée et prend un certain temps pour accomplir son processus de décharge.

Combinaison RC dans l'oscillateur de relaxation

La figure ci-dessus est un circuit oscillateur à relaxation très basique fonctionnant en utilisant la théorie de décharge de charge de base d'un condensateur.

Il comprend une résistance (R) et un condensateur (C) câblés en série à une source de tension continue. Afin de pouvoir voir physiquement le fonctionnement du circuit, un lampe au néon est utilisé en parallèle avec le condensateur.

La lampe se comporte pratiquement comme un circuit ouvert jusqu'à ce que la tension atteigne sa limite de tension de seuil, lorsqu'elle s'allume instantanément et conduit le courant tout comme un conducteur et commence à briller. La source de tension d'alimentation pour ce courant doit donc être supérieure à celle de la tension de déclenchement au néon.

Comment ça fonctionne

Lorsque le circuit est mis sous tension, le condensateur commence lentement à se charger comme déterminé par la constante de temps RC. La lampe commence à recevoir une tension croissante qui se développe à travers le condensateur.

Au moment où cette charge aux bornes du condensateur atteint une valeur qui peut être égale à la tension d'allumage du néon, la lampe au néon conduit et commence à s'éclairer.

Lorsque cela se produit, le néon crée un chemin de décharge pour le condensateur et maintenant le condensateur commence à se décharger. Cela provoque à son tour une chute de la tension aux bornes du néon et lorsque ce niveau passe en dessous de la tension de déclenchement du néon, la lampe s'éteint et s'éteint.

Le processus se poursuit maintenant et le néon clignote sur ON OFF. Le taux ou la fréquence de clignotement dépend de la valeur de la constante de temps RC, qui peut être ajustée pour permettre un clignotement lent ou rapide.

Si nous considérons les valeurs des composants comme indiqué dans le diagramme, la constante de temps pour le circuit T = 5 (mégohms) x 0,1 (microfarads) = 0,5 seconde.

Cela implique qu'en modifiant les valeurs RC, la vitesse de clignotement du néon peut être modifiée en conséquence, selon les préférences individuelles.

Configuration RC dans les circuits CA

Lorsqu'un courant alternatif est utilisé dans une configuration RC, en raison de la nature alternative du courant, le demi-cycle du courant alternatif charge efficacement le condensateur, et de même il est déchargé avec le demi-cycle négatif suivant. Cela amène le condensateur à se charger et se décharger alternativement en réponse à la polarité variable de la forme d'onde du cycle CA.

Pour cette raison, en effet, les tensions alternatives ne sont pas stockées dans le condensateur mais sont autorisées à passer à travers le condensateur. Cependant, ce passage de courant est contraint par une constante de temps RC existante sur le trajet du circuit.

Les composants RC déterminent le pourcentage de la tension appliquée au condensateur qui est chargé et déchargé. Simultanément, le condensateur peut également fournir une légère résistance au passage du courant alternatif par la voie de la réactance, même si cette réactance ne consomme fondamentalement aucune énergie. Son impact principal est sur la réponse en fréquence impliquée dans le circuit RC.

ACCOUPLEMENT RC dans les CIRCUITS AC

Le couplage d'un étage particulier d'un circuit audio à un autre étage via un condensateur est une mise en œuvre courante et répandue. Bien que la capacité semble être utilisée indépendamment, elle peut en fait être impliquée avec une résistance série intégrale symbolisée par le terme «charge» comme indiqué ci-dessous.

Cette résistance, aidée par le condensateur, donne lieu à une combinaison RC qui peut être responsable de générer une certaine constante de temps.

Il est crucial que cette constante de temps complète la spécification de la fréquence du signal CA d'entrée qui est transférée d'un étage à un autre.

Si nous prenons l'exemple d'un circuit amplificateur audio, la plage la plus élevée de la fréquence d'entrée pourrait être d'environ 10 kHz. Le cycle de période de ce type de fréquence sera de 1/10 000 = 0,1 milliseconde.

Cela dit, pour permettre cette fréquence, chaque cycle met en œuvre deux caractéristiques de charge / décharge en ce qui concerne la fonction de condensateur de couplage, qui sont une positive et une négative.

Par conséquent, la période de temps pour une fonctionnalité de charge / décharge solitaire sera de 0,05 millisecondes.

La constante de temps RC requise pour permettre ce fonctionnement doit satisfaire la valeur de 0,05 millisecondes afin d'atteindre les 63% du niveau de tension alternative alimentée, et essentiellement un peu moins pour permettre le passage de plus de 63% de la tension appliquée.

Optimisation de la constante de temps RC

Les statistiques ci-dessus nous donnent une idée de la meilleure valeur possible du condensateur de couplage à utiliser.

Pour illustrer cela, disons que la résistance d'entrée normale d'un transistor de faible puissance peut être d'environ 1 k. La constante de temps d'un couplage RC le plus efficace peut être de 0,05 milliseconde (voir ci-dessus), ce qui peut être obtenu avec les calculs suivants:

0,05 x 10 = 1 000 x C ou C = 0,05 x 10^-9farads = 0,50 pF (ou peut-être légèrement inférieur, car cela permettrait à une tension supérieure à 63% de passer à travers le condensateur).

En pratique, une valeur de capacité beaucoup plus grande pourrait généralement être mise en œuvre qui peut être aussi grande que 1 µF ou même plus. Cela peut généralement fournir des résultats améliorés, mais au contraire peut entraîner une réduction de l'efficacité de la conduction de couplage AC.

En outre, les calculs suggèrent que le couplage capacitif devient de plus en plus inefficace à mesure que la fréquence alternative augmente, lorsque des condensateurs réels sont mis en œuvre dans des circuits de couplage.

Utilisation du réseau RC dans les CIRCUITS DE FILTRE

Un arrangement RC standard mis en œuvre comme un circuit de filtre est démontré dans la figure ci-dessous.

Si nous regardons le côté entrée, nous trouvons une résistance attachée en série avec une réactance capacitive, provoquant le développement d'une chute de tension entre les deux éléments.

Dans le cas où la réactance du condensateur (Xc) est supérieure à R, presque toute la tension d'entrée s'accumule aux bornes du condensateur et donc la tension de sortie atteint le niveau égal à la tension d'entrée.

Nous savons que la réactance du condensateur est inversement proportionnelle à la fréquence, cela implique que si la fréquence alternative est augmentée, la réactance diminuera, ce qui entraînera une augmentation de la tension de sortie de la proportionnalité (mais une partie importante de la tension d'entrée sera chutée par la résistance ).

Quelle est la fréquence critique

Afin d'assurer un couplage efficace du signal AC, nous devons considérer le facteur appelé fréquence critique.

A cette fréquence, l'élément de valeur de réactance a tendance à être si gravement affecté que dans de telles conditions, le condensateur de couplage commence à bloquer le signal au lieu de conduire efficacement.

Dans une telle situation, le rapport volts (sortie) / volts (entrée) commence à décroître rapidement. Ceci est démontré ci-dessous sous forme schématique de base.

Le point critique, appelé point de décroissance ou fréquence de coupure (f), est évalué comme suit:

fc = 1 / 2πRC

où R est en ohms, C en farads, et Pi = 3,1416

Mais d'après la discussion précédente, nous savons que RC = constante de temps T, donc l'équation devient:

fc = 1 / 2πT

où T est la constante de temps en secondes.

L'efficacité de fonctionnement de ce type de filtre est caractérisée par leur fréquence de coupure et par la vitesse à laquelle le rapport volts (in) / volts (out) commence à chuter au-dessus du seuil de fréquence de coupure.

Ce dernier est généralement représenté par (quelques) dB par octave (pour chaque fréquence doublée), comme indiqué dans la figure suivante qui montre la relation entre le rapport dB et volts (in) / volts (out), et fournit également une réponse en fréquence précise courbe.

FILTRES RC PASSE-BAS

Comme le nom le suggère, filtres passe-bas sont conçus pour faire passer les signaux CA sous la fréquence de coupure avec une perte ou une atténuation minimale de la force du signal. Pour les signaux supérieurs à la fréquence de coupure, le filtre passe-bas génère une atténuation accrue.

Il est possible de calculer les valeurs exactes des composants pour ces filtres. A titre d'exemple, un filtre scratch standard normalement utilisé dans les amplificateurs pourrait être construit pour atténuer les fréquences sur, disons, 10 kHz. Cette valeur spécifique signifie la fréquence de coupure prévue du filtre.

FILTRES RC PASSE-HAUT

Les filtres passe-haut sont conçus pour fonctionner dans l'autre sens. Ils atténuent les fréquences qui apparaissent en dessous de la fréquence de coupure, mais autorisent toutes les fréquences à ou au-dessus de la fréquence de coupure réglée sans atténuation.

Pour réaliser cette mise en œuvre de filtre passe-haut, les composants RC dans le circuit sont simplement échangés les uns avec les autres comme indiqué ci-dessous.

Un filtre passe-haut est similaire à son homologue passe-bas. Ceux-ci sont généralement utilisés dans les amplificateurs et les appareils audio, pour se débarrasser du bruit ou du «grondement» généré par les basses fréquences inhérentes et indésirables.

La fréquence de coupure sélectionnée à supprimer doit être suffisamment basse pour ne pas entrer en conflit avec la «bonne» réponse des graves. Par conséquent, la magnitude décidée est normalement dans la plage de 15 à 20 Hz.

Calcul de la fréquence de coupure RC

Précisément, la même formule est nécessaire pour calculer cette fréquence de coupure, donc, avec 20 Hz comme seuil de coupure, nous avons:

20 = 1/2 x 3,14 x RC

RC = 125.

Cela indique que tant que le réseau RC est sélectionné de telle sorte que son produit est de 125, il activera la coupure passe-haut prévue sous les signaux de 20 Hz.

Dans les circuits pratiques, ces filtres sont généralement introduits au étage préamplificateur , ou dans l'amplificateur juste avant un circuit de commande de tonalité existant.

Pour Appareils Hi-Fi , ces circuits de filtre de coupure sont généralement beaucoup plus sophistiqués que ceux expliqués ici, pour permettre les points de coupure avec une efficacité et une précision de pointe plus élevées.

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