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RC電路應用

時間:2020-11-16 00:26來源:海獵人

 RC電路應用

RC時間常數是電子學中應用最廣的概念之一。例如,RC電路可以用來延遲電路的動作。圖A-31中展示了一個RC電路作為7408TTL邏輯門的輸入。

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 A-31 簡單的 RC 延時電路

阻值為1k的電阻保持門電路的一個輸入為上拉狀態,這樣就防止了雜散柵極電壓或噪聲引起的錯誤觸發。當開關在Off位置時,R 和 C之間的節點接地,而開關在開始位置時,C 就通過 R 充電。由于 R 和 C 連接到7408TTL門電路上,所以此處的關鍵是要確定 R 和 C的值,使得RC電路在規定的時間內能達到門電路的閾值。我們假設時間為1 s

我們已知TTL類型的門電路會把約2 V的電壓檢測為高電平輸入,因此當 R 和 C 之間的節點電壓達到2 V時,邏輯門就會檢測到高輸入,從而輸出高電平。此處的問題是電源電壓為5 V,而我們所需的2 V電壓比第一個 τ 63.2%電壓小1.2 V,因為2 V實際上是5 V40%。圖A-32闡明了這一情況。

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 A-32 RC 時間延遲 τ 充電速率

我們將使用統一的時間常量方程計算相對于某個 τ 值,某一時刻 C 兩端的電壓。在圖A-32中,可以看出我們需要的電壓約在半個 τ 值的時候就能達到,因此首先選取 τ 2 s,這樣就可以使閾值電平在1 s左右達到。

對于在時刻 T 時 C 兩端的電壓,我們可以使用一個新方程計算,統一的時間常量方程的變化形式:

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該方程描述了電容通過電阻充電,某時刻電容兩端的電壓與時間成指數關系。要記住,RC 電路只決定 τ 時間間隔的大小,因此若要獲得兩個 τ 之間某個時間點的電壓,就需要利用充電曲線計算特定時間點的電壓。

V c 是 C 兩端的電壓,V s 是終電壓減去起始電壓 V i 。此例中,起始電壓為0,因此 V c 的數值是(5-0),即5 V電源電壓。時間 t 1 s,歐拉常數e約為2.7182818τ 的值在前文中定義過,為2 s。為了計算1 s后 V c 的值,將各值代入方程,變換形式:

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算出1 s后 V c 約為1.967 V,足夠接近2 V,而且要考慮到普通的元件額定容差都為5%~20%。實際應用中,如果電路需要更精確的定時,應該使用555定時器集成電路(參考第9章)或某種數字定時器。

已知 τ 2 s,讓我們選擇一下 R 和 C 的值各是多少。利用RC時間常數方程可以計算得到 C ,取R 200 k

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計算得到的 C 值為0.00001 F,即10 μF。它應該是一種電解質電容。取 R 200k,則電源電壓為5 V時流入 C 的電流為25 μAR 的值只是作為一個起始值,因為在 τ 確定的情況下,R 值越大,C 值就越小。我們也可以先設定一個 C 值,然后求解 R 

除了用作延時,RC電路的充電時間還可以改變交流信號的相位。相位是由RC電路的阻抗決定的,而阻抗又是電阻和電容結合的產物(A.6.3節討論了阻抗的概念)。這一特性可以應用在交流功率控制應用上。晶閘管開關裝置,例如硅控整流器(SCR)和交流三極管(參考第9章),都用于交流供電電路。它們由特定的電壓相位角觸發傳導,直到相位回到零(或接近零)時才結束傳導。這就是標準家用調光器的工作原理,如圖A-33所示。

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 A-33 直流臺燈調光器電路

調光器的工作方式是在交流波形特定的相位角下觸發TRIAC,使它只在特定的信號波形下工作。DIAC作為TRIAC的觸發器,由R 1 R 2C 1 RC時間常量控制,形成了相位延遲網絡。通過調節R 2 ,可以改變RC電路的1T 時間點,從而使TRIAC的觸發時間根據延遲而變化。TRIAC在信號波形回到零之前會一直保持開啟 (導通)狀態。最終結果是電路在TRIAC工作的時段內選擇一部分交流信號相位。圖A-34展示了結果。

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 A-34 交流調光器相位角變化

當相位延遲較長時,C 1 兩端的電壓需要較長時間才能達到DIAC的觸發電平,TRIAC通過的交流波形較少,燈就比較暗。隨著R 2 的減小,相位延遲減少,C 1 在信號周期內會更快地達到觸發電平,并且TRIAC導通的時間提前,這樣就會有更多的交流波形加在負載上。

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