Mạch RC, RL và RLC : Toàn bộ các linh kiện điện tử có thể được chia thành hai loại lớn, một là các linh kiện thụ động và các linh kiện Bị động. Các linh kiện thụ động bao gồm Điện trở (R), Tụ điện (C) và Cuộn cảm (L). Đây là ba thành phần được sử dụng nhiều nhất trong mạch điện tử và bạn sẽ tìm thấy chúng trong hầu hết các mạch ứng dụng. Ba thành phần này kết hợp với nhau trong sự kết hợp khác nhau sẽ tạo thành mạch RC, RL và RLC và chúng có nhiều ứng dụng như từ mạch lọc, cuộn cảm đèn ống, đa hài, v.v. Vì vậy, trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ tìm hiểu cơ bản về các mạch này, lý thuyết đằng sau chúng và cách sử dụng chúng trong mạch điện tử.
Tải File Điện tử cơ bản ở đâyTrước khi chuyển sang các chủ đề chính, chúng ta hãy hiểu R, L và C làm gì trong một mạch điện.
Điện trở: Điện trở được ký hiệu bằng chữ “R”. Điện trở là một phần tử tiêu hao năng lượng chủ yếu dưới dạng nhiệt. Nó sẽ có điện áp giảm trên nó mà vẫn cố định đối với một giá trị cố định của dòng điện chạy qua nó.
Tụ điện: Tụ điện được ký hiệu bằng chữ “C”. Tụ điện là một phần tử lưu trữ năng lượng (tạm thời) dưới dạng điện trường. Tụ điện chống lại sự thay đổi của điện áp. Có nhiều loại tụ điện, trong đó tụ điện gốm và tụ hóa điện là chủ yếu được sử dụng. Chúng tích điện theo một hướng và phóng điện theo hướng ngược lại
Cuộn cảm: Cuộn cảm được ký hiệu bằng chữ “L”. Một cuộn cảm cũng tương tự như tụ điện, nó cũng lưu trữ năng lượng nhưng được lưu trữ dưới dạng từ trường. Cuộn cảm biến đổi dòng điện. Cuộn cảm thường là một cuộn dây quấn và hiếm khi được sử dụng so với hai thành phần trước đây.
Khi các Điện trở, Tụ điện và Cuộn cảm này được đặt cùng nhau, chúng ta có thể tạo thành các mạch như mạch RC, RL và RLC thể hiện các phản ứng phụ thuộc vào thời gian và tần số sẽ rất hữu ích trong nhiều ứng dụng AC như đã đề cập ở trên. Một mạch RC / RL / RLC có thể được sử dụng như một bộ lọc , bộ tạo dao động và nhiều hơn nữa không thể đề cập đến mọi khía cạnh trong hướng dẫn này, vì vậy chúng ta sẽ tìm hiểu hành vi cơ bản của chúng trong hướng dẫn này.
Nguyên tắc cơ bản của mạch RC / RL và RLC:
Trước khi bắt đầu với mỗi chủ đề, chúng ta hãy hiểu cách hoạt động của Điện trở, Tụ điện và Cuộn cảm trong một mạch điện tử. Để hiểu rõ hơn, chúng ta hãy xem xét một đoạn mạch đơn giản gồm một tụ điện và điện trở mắc nối tiếp với nguồn điện (5V). Trong trường hợp này khi nguồn điện được kết nối với cặp RC, điện áp trên Điện trở (Vr) tăng đến giá trị lớn nhất của nó trong khi điện áp trên tụ điện (Vc) vẫn ở mức 0, sau đó từ từ tụ điện bắt đầu tích điện và do đó điện áp trên điện trở sẽ giảm và điện áp trên tụ điện sẽ tăng cho đến khi điện áp trên điện trở (Vr) đạt đến 0 và điện áp tụ điện (Vc) đạt giá trị lớn nhất. Mạch và dạng sóng có thể được nhìn thấy trong hình bên dưới
Chúng ta hãy phân tích dạng sóng trong hình trên để hiểu những gì đang xảy ra thực tế trong mạch. Một dạng sóng được minh họa rõ ràng được hiển thị trong hình ảnh bên dưới.
Khi bật công tắc, điện áp trên điện trở (sóng màu đỏ) đạt cực đại và điện áp trên tụ điện (sóng màu xanh) vẫn bằng không. Sau đó tụ điện tích điện và Vr trở thành 0 và Vc trở nên cực đại. Tương tự như vậy khi tắt công tắc, tụ điện phóng điện và do đó điện áp âm xuất hiện trên Điện trở và khi tụ điện phóng điện cả tụ điện và điện trở trở thành 0 như hình trên.
Điều này cũng có thể được hình dung đối với cuộn cảm. Thay tụ điện bằng một cuộn cảm và dạng sóng sẽ chỉ được nhân đôi, tức là điện áp trên điện trở (Vr) sẽ bằng không khi bật công tắc vì toàn bộ điện áp sẽ xuất hiện trên cuộn cảm (Vl). Khi cuộn cảm tăng điện áp trên (Vl) nó sẽ đạt đến 0 và điện áp trên điện trở (Vr) sẽ đạt điện áp cực đại.
Mạch RC – Mạch RC, RL và RLC
Các mạch RC ( Điện trở Tụ Circuit ) sẽ bao gồm một Tụ và một điện trở nối tiếp hoặc song song với một điện áp hoặc nguồn dòng. Các loại mạch này còn được gọi là bộ lọc RC hoặc mạng RC vì chúng được sử dụng phổ biến nhất trong các ứng dụng lọc. Một mạch RC có thể được sử dụng để tạo một số bộ lọc thô như bộ lọc thông thấp, thông cao và băng thông. Một mạch RC thứ nhất sẽ chỉ bao gồm một Điện trở và một Tụ điện và chúng tôi sẽ phân tích tương tự trong hướng dẫn này
Để hiểu mạch RC, chúng ta hãy tạo một mạch Cơ bản trên proteus và kết nối tải trên phạm vi để phân tích cách nó hoạt động. Mạch cùng với dạng sóng được cho dưới đây
Chúng ta đã mắc nối tiếp một tải (bóng đèn) có điện trở 1k Ohms đã biết với tụ điện 470uF để tạo thành mạch RC. Mạch được cấp nguồn bằng bình acquy 12V và một công tắc dùng để đóng mở mạch. Dạng sóng được đo trên bóng đèn tải và được hiển thị bằng màu vàng trên hình trên.
Ban đầu khi công tắc mở điện áp cực đại (12V) xuất hiện trên tải của bóng đèn có điện trở (Vr) và điện áp trên tụ sẽ bằng không. Khi đóng công tắc, điện áp trên điện trở sẽ giảm về 0 và sau đó khi tụ điện tích điện, điện áp sẽ đạt trở lại cực đại như trong đồ thị.
Thời gian để tụ điện sạc được tính theo công thức T = 5Ƭ, trong đó “Ƭ” đại diện cho tou (Hằng số thời gian).
Hãy tính thời gian cần thiết để tụ điện tích điện trong mạch.
Ƭ = RC = (1000 * (470 * 10 ^ -6)) = 0,47 giây T = 5Ƭ = (5 * 0,47) T = 2,35 giây.
Chúng tôi đã tính toán rằng thời gian cần thiết để tụ điện sạc đầy sẽ là 2,35 giây, điều này cũng có thể được xác minh từ biểu đồ trên. Thời gian để Vr đạt từ 0V đến 12V bằng thời gian để tụ điện tích điện từ 0V đến hiệu điện thế cực đại. Biểu đồ được minh họa bằng cách sử dụng các con trỏ trong hình ảnh dưới đây.
Tương tự, chúng ta cũng có thể tính điện áp trên tụ điện tại bất kỳ thời điểm nào và cường độ dòng điện qua tụ điện tại bất kỳ thời điểm nào bằng cách sử dụng các công thức dưới đây
V (t) = V B (1 - e -t / RC ) I (t) = I o (1 - e -t / RC )
Trong đó, V B là điện áp của pin và I o là dòng điện đầu ra của mạch. Giá trị của t là thời gian (tính bằng giây) tại đó điện áp hoặc giá trị dòng điện của tụ điện được tính.
Mạch RL:
Các RL Circuit ( Điện trở Cuộn cảm Circuit ) sẽ bao gồm một Cuộn cảm và một điện trở lại kết nối hoặc trong loạt hoặc song song. Một mạch RL nối tiếp sẽ được điều khiển bởi nguồn điện áp và một mạch RL song song sẽ được điều khiển bởi một nguồn dòng điện. Mạch RL thường được sử dụng làm bộ lọc thụ động, mạch RL bậc nhất chỉ có một cuộn cảm và một tụ điện được hiển thị bên dưới
Tương tự trong mạch RL, chúng ta phải thay tụ điện bằng cuộn cảm. Bóng đèn được coi là hoạt động như một tải thuần trở và điện trở của bóng đèn được đặt ở giá trị đã biết là 100 ôm.
Khi mạch hở, điện áp trên tải trở sẽ cực đại và khi đóng công tắc, điện áp từ acquy được chia sẻ giữa cuộn cảm và tải trở. Cuộn cảm nạp điện nhanh chóng và do đó sẽ xảy ra sụt áp đột ngột do tải điện trở R.
Thời gian cần thiết để cuộn cảm sạc đầy có thể được tính bằng công thức T = 5Ƭ, trong đó “Ƭ” đại diện cho tou (Hằng số thời gian).
Hãy để chúng tôi tính thời gian cần thiết để cuộn cảm của chúng tôi tích điện trong mạch. Ở đây chúng tôi đã sử dụng một cuộn cảm có giá trị 1mH và điện trở có giá trị 100 Ohms
Ƭ = L / R = (1 * 10 ^ -3) / (100) = 10 ^ -5 giây T = 5Ƭ = (5 * 10 ^ -5) = 50 * 10 ^ -6 T = 50 u giây.
Tương tự, chúng ta cũng có thể tính toán điện áp trên cuộn cảm tại bất kỳ thời điểm nào và dòng điện qua cuộn cảm tại bất kỳ thời điểm nào bằng cách sử dụng các công thức dưới đây
V(t) = VB (1 – e-tR/L) I(t) =Io (1 – e-tR/L)
Trong đó, V B là điện áp của pin và I o là dòng điện đầu ra của mạch. Giá trị của t là thời gian (tính bằng giây) tại đó giá trị điện áp hoặc dòng điện của cuộn cảm phải được tính.
Mạch RLC:
Một mạch RLC như tên gọi của nó sẽ bao gồm Điện trở, Tụ điện và Cuộn cảm mắc nối tiếp hoặc song song . Mạch tạo thành mạch Dao động được sử dụng rất phổ biến trong máy thu thanh và tivi. Nó cũng rất thường được sử dụng làm mạch điều tiết trong các ứng dụng tương tự. Tính chất cộng hưởng của mạch RLC bậc nhất được thảo luận dưới đây
Các mạch RLC cũng được gọi là mạch loạt cộng hưởng, mạch dao động hoặc một mạch điều chỉnh. Mạch này có khả năng cung cấp tín hiệu tần số cộng hưởng như trong hình dưới đây
Ở đây chúng ta có một tụ điện C1 100u và một cuộn cảm L1 10mH nối tiếp bằng thiếc thông qua một công tắc. Vì dây dẫn nối C và L sẽ có điện trở trong nên người ta cho rằng dây dẫn xuất hiện một lượng điện trở nhỏ.
Ban đầu, chúng tôi giữ công tắc 2 mở và đóng công tắc 1 để sạc tụ điện từ nguồn pin (9V). Sau đó khi tụ điện được tích điện, công tắc 1 được mở và sau đó công tắc 2 được đóng lại.
Ngay sau khi đóng công tắc, điện tích tích trữ trong tụ điện sẽ di chuyển về phía cuộn cảm và sạc nó lên. Khi tụ điện được xả đầy, cuộn cảm sẽ bắt đầu phóng điện trở lại tụ điện theo cách này, các điện tích sẽ chạy qua lại giữa cuộn cảm và tụ điện. Nhưng vì sẽ có một số tổn thất về phí trong quá trình này, nên tổng phí sẽ giảm dần cho đến khi nó đạt đến 0 như trong biểu đồ trên.
Các ứng dụng:
Điện trở, cuộn cảm và tụ điện có thể là các thành phần bình thường và đơn giản nhưng khi chúng được kết hợp để tập hợp lại để tạo thành các mạch như mạch RC / RL và RLC, chúng thể hiện hành vi phức tạp nên phù hợp với nhiều ứng dụng. Một vài trong số chúng được liệt kê dưới đây
- Những hệ thống liên lạc
- Xử lý tín hiệu
- Phóng đại điện áp / dòng điện
- Máy phát sóng vô tuyến
- Bộ khuếch đại RF
- Mạch LC cộng hưởng
- Các mạch giai điệu biến đổi
- Mạch dao động
- Lọc mạch
