Bagaimana Sirkuit RC Bekerja

Dalam rangkaian RC, kombinasi atau R (resistor) dan C (kapasitor) digunakan dalam konfigurasi tertentu untuk mengatur aliran arus, untuk menerapkan kondisi yang diinginkan.

Salah satu penggunaan utama kapasitor dalam bentuk unit kopling yang memungkinkan AC lewat tetapi memblokir DC. Di hampir semua rangkaian praktis, Anda akan melihat beberapa resistansi yang digabungkan secara seri dengan kapasitor.

Resistansi membatasi aliran arus dan menyebabkan beberapa penundaan pada tegangan suplai yang diumpankan ke kapasitor dengan menyebabkan muatan menumpuk di kapasitor, sebanding dengan tegangan umpan.

Konstanta Waktu RC

Rumus untuk menentukan waktu RC (T) sangat mudah:

T = RC dimana T = konstanta waktu dalam detik R = resistansi dalam megohms C = kapasitansi dalam mikrofarad.

(Dapat diamati bahwa nilai numerik yang sama untuk T diberikan jika R dalam ohm dan C dalam farad, tetapi dalam praktiknya megohm dan mikrofarad seringkali merupakan satuan yang jauh lebih mudah.)

Dalam rangkaian RC, konstanta waktu RC dapat didefinisikan sebagai waktu yang dibutuhkan oleh tegangan yang diberikan melintasi kapasitor untuk mencapai 63% dari tegangan yang diberikan.

(besaran 63% ini sebenarnya lebih disukai untuk kemudahan penghitungan). Dalam kehidupan nyata, tegangan di kapasitor dapat terus terakumulasi hingga hampir 100% dari tegangan yang diberikan, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Unsur konstanta waktu menandakan lamanya waktu dalam bentuk faktor waktu, misalnya pada 1 faktor waktu jaringan RC, 63% tegangan total terakumulasi, dalam periode setelah 2X konstanta waktu, 80% total tegangan yang terbangun di dalam kapasitor dan lain sebagainya.

Setelah konstanta waktu 5 hampir (tetapi tidak cukup) tegangan 100% dapat terbentuk di kapasitor. Faktor pelepasan kapasitor terjadi dengan cara dasar yang sama tetapi dalam urutan terbalik.

Artinya, setelah selang waktu yang sama dengan konstanta waktu 5, tegangan yang diterapkan pada kapasitor akan mencapai penurunan 100 - 63 = 37% dari tegangan penuh dan lain sebagainya.

Kapasitor Tidak Pernah Terisi Penuh atau Dikosongkan

Secara teoritis, paling tidak, kapasitor sama sekali tidak dapat mengisi daya hingga level tegangan yang diterapkan penuh dan juga tidak dapat sepenuhnya dilepaskan.

Pada kenyataannya, muatan penuh, atau pelepasan total, dapat dianggap selesai dalam periode waktu yang sesuai dengan 5 konstanta waktu.

Oleh karena itu, pada rangkaian seperti yang ditunjukkan di bawah ini, menyalakan sakelar 1 akan menyebabkan muatan 'penuh' pada kapasitor dalam 5 x waktu konstan detik.

Selanjutnya, ketika sakelar 1 dibuka, kapasitor mungkin berada dalam situasi di mana ia akan menyimpan tegangan yang sama dengan tegangan yang diterapkan sebenarnya. Dan itu akan menahan muatan ini untuk jangka waktu yang tidak terbatas asalkan kapasitor tidak memiliki kebocoran internal.

Proses kehilangan muatan ini sebenarnya akan sangat lambat, karena di dunia nyata tidak ada kapasitor yang bisa sempurna, namun untuk periode waktu tertentu muatan yang disimpan ini dapat terus menjadi sumber yang efektif dari tegangan 'muatan penuh' asli.

Ketika kapasitor diterapkan dengan tegangan tinggi, ia dapat dengan cepat berada dalam posisi memberikan kejutan listrik jika tersentuh bahkan setelah rangkaian dimatikan.

Untuk menjalankan siklus pengisian / pengosongan seperti yang ditunjukkan pada diagram grafis kedua di atas, ketika sakelar 2 ditutup, kapasitor mulai melepaskan melalui resistansi yang terhubung, dan membutuhkan beberapa periode waktu untuk menyelesaikan proses pelepasannya.

Kombinasi RC dalam Osilator Relaksasi

Gambar di atas adalah rangkaian osilator relaksasi yang sangat dasar yang beroperasi menggunakan teori pelepasan muatan dasar dari sebuah kapasitor.

Ini termasuk resistor (R) dan kapasitor (C) yang dihubungkan secara seri ke sumber tegangan dc. Untuk dapat melihat cara kerja rangkaian secara fisik, a lampu neon digunakan secara paralel dengan kapasitor.

Lampu berperilaku hampir seperti rangkaian terbuka sampai tegangan mencapai batas tegangan ambang batas, ketika langsung menyala dan mengalirkan arus seperti konduktor dan mulai bersinar. Sumber tegangan suplai untuk arus ini karenanya harus lebih tinggi dari pada tegangan pemicu neon.

Bagaimana itu bekerja

Ketika rangkaian dihidupkan, kapasitor perlahan mulai mengisi daya sebagaimana ditentukan oleh konstanta waktu RC. Lampu mulai menerima tegangan naik yang dikembangkan melintasi kapasitor.

Saat muatan ini melintasi kapasitor mencapai nilai yang mungkin sama dengan tegangan penyalaan neon, lampu neon akan menyala dan mulai menyala.

Ketika ini terjadi, neon membuat jalur pelepasan untuk kapasitor dan sekarang kapasitor mulai melepaskan. Hal ini pada gilirannya menyebabkan penurunan tegangan pada neon dan ketika level ini turun di bawah tegangan penyalaan neon, lampu akan mati dan mati.

Proses sekarang terus berlanjut menyebabkan neon berkedip ON OFF. Laju atau frekuensi kedipan tergantung pada nilai konstanta waktu RC, yang dapat disesuaikan untuk mengaktifkan laju kedipan lambat atau laju kedipan cepat.

Jika kita mempertimbangkan nilai komponen seperti yang ditunjukkan pada diagram, konstanta waktu untuk rangkaian T = 5 (megohms) x 0,1 (mikrofarad) = 0,5 detik.

Ini menyiratkan bahwa dengan mengubah nilai RC, kecepatan berkedip neon dapat diubah, sesuai preferensi individu.

Konfigurasi RC di Sirkuit AC

Ketika AC digunakan dalam konfigurasi RC, karena sifat arus bolak-balik, satu setengah siklus AC mengisi kapasitor secara efektif, dan demikian juga dilepaskan dengan setengah siklus negatif berikutnya. Hal ini menyebabkan kapasitor mengisi dan melepaskan secara bergantian sebagai respons terhadap polaritas yang bervariasi dari bentuk gelombang siklus AC.

Karena itu, pada dasarnya, tegangan AC tidak disimpan di kapasitor melainkan dibiarkan melewati kapasitor. Namun, bagian arus ini dibatasi oleh konstanta waktu RC yang ada di jalur rangkaian.

Komponen RC menentukan berapa persentase tegangan yang diterapkan kapasitor diisi dan dikosongkan. Bersamaan dengan itu, kapasitor juga dapat memberikan sedikit resistansi terhadap lewatnya AC melalui reaktansi, meskipun reaktansi ini pada dasarnya tidak mengkonsumsi daya apa pun. Dampak utamanya adalah pada respons frekuensi yang terlibat dalam rangkaian RC.

RC COUPLING dalam SIRKUIT AC

Menggabungkan tahap tertentu dari rangkaian audio ke tahap lain melalui kapasitor adalah implementasi yang umum dan tersebar luas. Sementara kapasitansi tampaknya digunakan secara independen, sebenarnya mungkin terlibat dengan resistansi seri integral yang dilambangkan dengan istilah 'beban' seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Resistansi ini, dibantu oleh kapasitor, menimbulkan kombinasi RC yang mungkin bertanggung jawab untuk menghasilkan konstanta waktu tertentu.

Sangat penting bahwa konstanta waktu ini melengkapi spesifikasi frekuensi sinyal AC masukan yang ditransfer dari satu tahap ke tahap lainnya.

Jika kita mengasumsikan contoh rangkaian penguat audio, kisaran tertinggi frekuensi input bisa kira-kira sekitar 10 kHz. Siklus periode waktu frekuensi semacam ini adalah 1 / 10.000 = 0,1 milidetik.

Dengan demikian, untuk memungkinkan frekuensi ini, setiap siklus menerapkan dua karakteristik pengisian / pengosongan sehubungan dengan fungsi kapasitor kopling, yaitu satu positif dan satu negatif.

Oleh karena itu, periode waktu untuk fungsionalitas pengisian / pengosongan tunggal adalah 0,05 milidetik.

Konstanta waktu RC yang diperlukan untuk mengaktifkan fungsi ini harus memenuhi nilai 0,05 milidetik untuk mencapai 63% dari level tegangan ac yang diumpankan, dan pada dasarnya agak kurang untuk memungkinkan lewatnya lebih tinggi dari 63 persen dari tegangan yang diterapkan.

Mengoptimalkan RC Time Constant

Statistik di atas memberi kita gambaran tentang nilai terbaik dari kapasitor kopling yang akan digunakan.

Untuk mengilustrasikan hal ini, misalkan resistansi input normal dari transistor daya rendah dapat mencapai sekitar 1 k. Konstanta waktu dari kopling RC yang paling efektif mungkin 0,05 milidetik (lihat di atas), yang dapat dicapai dengan perhitungan berikut:

0,05 x 10 = 1.000 x C atau C = 0,05 x 10^-9farad = 0,50 pF (atau mungkin sedikit lebih rendah, karena itu akan memungkinkan tegangan yang lebih tinggi dari 63% untuk melewati kapasitor).

Secara praktis, nilai kapasitansi yang jauh lebih besar secara umum dapat diterapkan yang dapat mencapai 1µF atau bahkan lebih. Ini biasanya dapat memberikan hasil yang lebih baik, tetapi sebaliknya dapat menyebabkan penurunan efisiensi konduksi kopling AC.

Juga, perhitungan menunjukkan bahwa kopling kapasitif menjadi semakin tidak efisien dengan meningkatnya frekuensi AC, ketika kapasitor nyata diimplementasikan dalam rangkaian kopling.

Menggunakan jaringan RC di FILTER CIRCUITS

Pengaturan RC standar diimplementasikan sebagai a sirkuit filter ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Jika kita melihat sisi input, kita menemukan resistor yang dipasang seri dengan reaktansi kapasitif, menyebabkan penurunan tegangan berkembang di kedua elemen.

Jika reaktansi kapasitor (Xc) kebetulan lebih tinggi dari R, hampir semua tegangan input terbentuk melintasi kapasitor dan oleh karena itu tegangan output mencapai level yang sama dengan tegangan input.

Kita ketahui bahwa reaktansi kapasitor berbanding terbalik dengan frekuensi, Artinya, jika frekuensi AC dinaikkan akan menyebabkan reaktansi menurun, mengakibatkan tegangan keluaran meningkat proporsionalitasnya (tetapi sebagian besar tegangan masukan akan dijatuhkan oleh resistor. ).

Apa itu Frekuensi Kritis

Untuk memastikan kopling sinyal AC yang efisien, kita harus mempertimbangkan faktor yang disebut frekuensi kritis.

Pada frekuensi ini, elemen nilai reaktansi cenderung sangat terpengaruh sehingga dalam kondisi seperti itu kapasitor kopling mulai memblokir sinyal alih-alih berjalan secara efisien.

Dalam situasi seperti itu, rasio volt (keluar) / volt (masuk) mulai menurun dengan cepat. Ini ditunjukkan di bawah dalam bentuk diagram dasar.

Titik kritis, yang disebut titik roll-off atau frekuensi cut-off (f) dievaluasi sebagai:

fc = 1 / 2πRC

dengan R dalam ohm, C dalam farad, dan Pi = 3,1416

Namun dari pembahasan sebelumnya diketahui bahwa RC = konstanta waktu T, oleh karena itu persamaannya menjadi:

fc = 1 / 2πT

dimana T adalah konstanta waktu dalam detik.

Efisiensi kerja jenis filter ini dicirikan oleh frekuensi cut-off-nya dan oleh laju rasio volt (masuk) / volt (keluar) mulai turun di atas ambang batas frekuensi.

Yang terakhir ini umumnya direpresentasikan sebagai (beberapa) dB per oktaf (untuk setiap frekuensi dua kali lipat), seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut yang menunjukkan hubungan antara dB dan rasio volt (dalam) / volt (keluar), dan juga memberikan respons frekuensi yang akurat melengkung.

RC LOW-PASS FILTER

Seperti namanya, filter low-pass dirancang untuk melewatkan sinyal ac di bawah frekuensi cut-off dengan kerugian minimum atau pelemahan kekuatan sinyal. Untuk sinyal yang berada di atas frekuensi cut-off, low pass filter menghasilkan peningkatan atenuasi.

Anda dapat menghitung nilai komponen yang tepat untuk filter ini. Sebagai contoh, filter awal standar yang biasanya digunakan dalam amplifier dapat dibuat untuk mengurangi frekuensi, katakanlah, 10 kHz. Nilai spesifik ini menandakan frekuensi cut-off filter yang diinginkan.

FILTER RC TINGGI

Filter high-pass dirancang untuk beroperasi sebaliknya. Mereka melemahkan frekuensi yang muncul di bawah frekuensi cut-off, tetapi memungkinkan semua frekuensi pada atau di atas frekuensi cut-off yang ditetapkan tanpa atenuasi.

Untuk mencapai implementasi high pass filter ini, komponen RC di sirkuit hanya ditukar satu sama lain seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Filter lolos tinggi mirip dengan filter akses rendahnya. Ini umumnya digunakan dalam amplifier dan perangkat audio, untuk menghilangkan kebisingan atau 'gemuruh' yang dihasilkan oleh frekuensi rendah yang melekat dan tidak diinginkan.

Frekuensi cut-off yang dipilih yang akan dihilangkan harus cukup rendah agar tidak bertentangan dengan respon bass yang 'baik'. Oleh karena itu, besaran yang ditentukan biasanya dalam kisaran 15 hingga 20 Hz.

Menghitung Frekuensi Pemotongan RC

Tepatnya, rumus yang sama diperlukan untuk menghitung frekuensi cut-off ini, dengan demikian, dengan 20 Hz sebagai ambang batas yang kita miliki:

20 = 1/2 x 3,14 x RC

RC = 125.

Ini menunjukkan bahwa selama jaringan RC dipilih sedemikian rupa sehingga produk mereka adalah 125 akan memungkinkan pemutusan akses tinggi yang dimaksudkan di bawah sinyal 20 Hz.

Dalam sirkuit praktis, filter semacam itu biasanya diperkenalkan di tahap preamplifier , atau di amplifier tepat sebelum sirkuit kontrol nada yang ada.

Untuk Perangkat Hi-Fi , rangkaian filter cut off ini biasanya jauh lebih canggih daripada yang dijelaskan di sini, untuk mengaktifkan titik potong dengan efisiensi yang lebih tinggi dan akurasi titik pin.

.