Comprensioni del circuito RC

Sto cercando di comprendere i principi di un circuito di carica / scarica RC, ma sono in perdita per quanto riguarda alcuni aspetti del suo funzionamento.

Ho un generatore di onde quadrate che fornisce livelli da 0v a 5V ad una certa frequenza, diciamo 1Khz con duty cycle del 50%. La mia R = 3.3K e C = 100nf.

Il mio pensiero è che se il condensatore si carica durante lo stato alto del generatore e si scarica ugualmente durante lo stato basso del generatore. Quindi non dovrebbe essere rimasto alcun addebito e dovrebbe rimanere a quel livello (non caricato). Tuttavia, quando lo provo praticamente, scopro che alla fine il condensatore si carica a un livello medio, cioè 2 V che la mia mente non riesce a comprendere.

Il condensatore si carica e scarica e diverse velocità in un circuito RC cosa sta succedendo esattamente, quindi non posso davvero spiegarlo, vero?

La chiave è la costante di tempo RC. Questo è il prodotto della resistenza e della capacità in serie. Per il tuo esempio, sarebbero 3.300 ohm * 0.0000001 farad, che risulta in 0.00033 secondi. Affinché il condensatore si carichi o si scarichi completamente, è necessario attendere 5 costanti di tempo. Nel tuo esempio, il condensatore raggiungerà solo il 75% circa della carica / scarica completa durante il mezzo periodo dell'onda quadra 1 kHz. Valuta di ridurre la frequenza o di utilizzare un condensatore o una resistenza più piccoli.

Altre possibili questioni possono includere:

• Collegamento errato del circuito. Il condensatore, la resistenza e il generatore di funzioni dovrebbero essere tutti in serie.
• Usando lo strumento sbagliato per misurare la tensione. Per i risultati previsti, è necessario un oscilloscopio. Un multimetro non ti darà gli stessi risultati a meno che la tua costante di tempo non sia vicina a un secondo in grandezza.
• Il generatore di pattern ha un'impedenza di uscita elevata. Ciò è improbabile, ma se l'impedenza è vicina al valore del resistore, ciò eliminerà i calcoli.

1. Quando si carica la differenza di tensione sul resistore è 5 V (tappo = 0 V, uscita = 5 V). Quando si commuta l'uscita su 0 V, il cappuccio presenta una tensione X inferiore a 5 V.

   Durante la scarica la tensione attraverso il resistore è inferiore a 5 V, anche la corrente è più piccola e quindi meno carica viene rimossa dal condensatore.

   Quindi i tassi di carica e scarica non sono gli stessi.

2. Quando saranno gli stessi? Quando le tensioni attraverso la resistenza sono le stesse. Ciò accade quando la tensione media sul condensatore è Vcc / 2, che è ciò che hai misurato.

3. La regola generale è che la tensione sul condensatore è uguale alla tensione di ingresso media. Se si utilizza un condensatore e / o un resistore più grandi, il tempo necessario per la stabilizzazione della media (il circuito avrà più "inerzia" o "memoria").

Se la frequenza dell'onda quadra è abbastanza bassa, il segnale filtrato RC seguirà da vicino l'onda quadra, sebbene con bordi meno ripidi.
Ma ciò richiede 5 T (costanti di tempo RC) per raggiungere più o meno 5 V o 0 V; dopo 5T si raggiunge circa il 99% del valore finale.

Nel nostro caso

$1T = RC = 3300\Omega \times 100nF = 330\mu s$

e un periodo è $1000\mu s$, quindi un periodo di mezzo è solo 1,5 T. Ciò significa che il segnale non ha il tempo di raggiungere 5 V quando sale, o 0 V quando scende:

mentre per una costante di tempo più breve il segnale sarebbe più simile a questo:

Si noti che nel secondo caso (questo è per una costante di tempo $T = 33\mu s$) il segnale raggiunge sia 5 V che 0 V, mentre non lo è per il nostro caso; il tempo è semplicemente troppo breve.

Ora circa il 2V che stai misurando. Se lo misurate con un DMM, è facile da spiegare: il DMM fa la media del valore misurato. Se lo vedi effettivamente su un ambito probabilmente sembra un po 'così:

Questo mostra lo stesso effetto che abbiamo visto in precedenza: la costante di tempo è troppo lunga e il condensatore non ha quasi il tempo di iniziare a caricare e scaricare. Qui$T = 3.3ms$.
Se questo è ciò che vedi, potrebbe esserci qualcosa che non va nei tuoi componenti; controlla se sono davvero$3300\Omega$ e $100nF$. Se i valori sono corretti, potresti avere un'impedenza aggiuntiva in serie con il resistore.

Come stai misurando questo 2V? Dal contesto sembra che tu stia usando un multimetro piuttosto che un oscilloscopio. Per vedere davvero cosa sta succedendo in un circuito come questo, l'oscilloscopio è lo strumento preferito. Saresti in grado di vedere dalla simmetria delle curve di carica e scarica che i tassi sono effettivamente gli stessi.

Ma sembra che tu stia usando un contatore e con un dispositivo che ti dà solo un numero, capire cosa sta succedendo richiede una certa interpretazione.

Sembra ragionevole interpretare il segnale di ingresso che hai descritto come un'onda quadra da 5 V picco-picco che monta su un offset CC da 2,5 V. Quindi, se si utilizza un dispositivo di misurazione CC, ci si potrebbe aspettare di misurare questo livello di 2,5 V CC attraverso il condensatore.

Se il tuo dispositivo di misurazione sembra essere un DVM, puoi ragionevolmente ignorare gli effetti del misuratore sul circuito. Anche i contatori digitali a basso costo hanno megaohm di impedenza e non caricheranno il circuito in scala k-ohm sotto test. Tuttavia, questi tipi di misuratori variano ampiamente nella loro capacità di dare un senso agli input variabili nel tempo. Alcuni sono buoni solo per il controllo delle batterie. Alcuni ti daranno una buona lettura DC in presenza di AC sinusoidale, ma non con AC più complessa. Alcuni ti daranno un vero RMS indipendentemente dalla forma della forma d'onda.

E se stai misurando usando un vecchio misuratore del tipo a movimento meccanico, devi tenere presente che, in quanto voltmetri, questi contatori equivalgono a pochi k-ohm, forse al massimo 10 di k-ohm. Collegare questo tipo di metro nel circuito che descrivi caricherà sicuramente il circuito e cambierà significativamente il suo comportamento. Avrai delle letture per sicurezza, ma devi interpretarle sapendo come è influenzato il circuito. Nel caso della configurazione RC che descrivi, questo tipo di misuratore leggerebbe più in basso di un DVM, sulla base del fatto che la sua resistenza aiuterebbe a scaricare il tappo senza contribuire a caricarlo.

Suppongo che il tuo circuito abbia il resistore in serie con il cappuccio e il cappuccio sia legato a terra, cioè hai costruito un filtro passa basso unipolare.

Con R = 3.3k e C = 100nF il punto -3db sarà ~ 482Hz. A 1kHz la risposta sarà ~ -6dB.

Con quella costante di tempo mi aspetterei che la tensione attraverso il cappuccio sia una sinusoide approssimativa con un picco basso a livello di picco (0,5-1,0 V forse?) E un offset CC di 2-2,5 V, a seconda della qualità e del tipo di condensatore .

Quanto al perché questo accade ....

Quando l'ingresso è alto, il limite si sta caricando ma non raggiunge mai i 5 V a causa della costante di tempo che hai scelto. Quando l'ingresso si abbassa, il tappo inizia a scaricarsi ma non si scarica mai completamente.

Sposta il punto -3db fino a forse 9kHz e probabilmente vedrai più di quello che ti aspetti, che è un'onda quadrata che guarda con code di carica e scarica invece di spigoli vivi.

Puoi pensarci nel dominio della frequenza se vuoi renderlo più facile da pensare. Un'onda quadra è composta dalla sua frequenza fondamentale + solo armoniche dispari. Per mantenere la forma del segnale, vorrai che siano intatte le sue fondamentali (1kHz nel tuo caso) e almeno le sue prime poche armoniche (3k, 5k, 7k, 9k, ecc.). Le armoniche di ordine superiore conferiscono al segnale spigoli vivi, quindi se li filtrate otterrai le code di carica / scarica che ti aspettavi.