Cómo funcionan los circuitos RC

En un circuito RC, se utiliza una combinación de R (resistencia) y C (condensador) en configuraciones específicas para regular el flujo de corriente, para implementar una condición deseada.

Uno de los usos principales de un condensador tiene la forma de una unidad de acoplamiento que permite el paso de CA pero bloquea la CC. En casi cualquier circuito práctico, verá algunas resistencias unidas en serie con el condensador.

La resistencia restringe el flujo de corriente y provoca cierto retraso en la tensión de alimentación alimentada al condensador al provocar que se acumule una carga en el condensador, proporcional a la tensión alimentada.

Constante de tiempo RC

La fórmula para determinar el tiempo RC (T) es muy sencilla:

T = RC donde T = constante de tiempo en segundos R = resistencia en megaohmios C = capacitancia en microfaradios.

(Se puede observar que se proporciona el mismo valor numérico para T si R está en ohmios y C en faradios, pero en la práctica los megaohmios y microfaradios suelen ser unidades mucho más fáciles).

En un circuito RC, la constante de tiempo RC se puede definir como el tiempo que tarda la tensión aplicada en el condensador para alcanzar el 63% de la tensión aplicada.

(Esta magnitud del 63% se prefiere en realidad para facilitar el cálculo). En la vida real, el voltaje a través del capacitor puede seguir acumulándose hasta prácticamente (pero nunca del todo) el 100% del voltaje aplicado, como se indica en la figura siguiente.

El elemento de la constante de tiempo significa la cantidad de tiempo en forma de factor de tiempo, por ejemplo, en 1 factor de tiempo de la red RC, se acumula el 63% de voltaje total, en un período después de 2X la constante de tiempo, el 80% de voltaje total se acumula en el interior el condensador y así sucesivamente.

Después de una constante de tiempo de 5, casi (pero no del todo) el voltaje del 100% puede acumularse a través del capacitor. Los factores de descarga de un capacitor ocurren de la misma manera fundamental pero en secuencia inversa.

Es decir, después de un intervalo de tiempo igual a la constante de tiempo 5, el voltaje aplicado al capacitor alcanzará una caída de 100 - 63 = 37% del voltaje total y así sucesivamente.

Los condensadores nunca se cargan o descargan completamente

Teóricamente, como mínimo, un condensador no puede cargarse hasta el nivel de voltaje aplicado total ni tampoco puede descargarse por completo.

En realidad, se puede considerar que la carga completa o la descarga total se realiza dentro de un período de tiempo correspondiente a 5 constantes de tiempo.

Por lo tanto, en el circuito que se muestra a continuación, encender el interruptor 1 causará una carga 'completa' en el capacitor en 5 x segundos constantes de tiempo.

A continuación, cuando se abre el interruptor 1, el condensador puede estar en una situación en la que almacenará un voltaje igual al voltaje aplicado real. Y mantendrá esta carga durante un período de tiempo indefinido siempre que el condensador tenga cero fugas internas.

Este proceso de pérdida de carga será en realidad extremadamente lento, ya que en el mundo real ningún capacitor puede ser perfecto; sin embargo, durante un período significativo de tiempo, esta carga almacenada puede continuar siendo una fuente efectiva del voltaje de 'carga completa' original.

Cuando el condensador se aplica con un voltaje alto, puede estar rápidamente en posición de entregar una descarga eléctrica en caso de que se toque incluso después de que el circuito se apague.

Para ejecutar el ciclo de carga / descarga como se muestra en el segundo diagrama gráfico anterior, cuando el interruptor 2 está cerrado, el condensador comienza a descargarse a través de la resistencia conectada y tarda algún tiempo en realizar su proceso de descarga.

Combinación RC en oscilador de relajación

La figura de arriba es un circuito oscilador de relajación muy básico que opera usando la teoría básica de descarga de carga de un capacitor.

Incluye una resistencia (R) y un condensador (C) conectados en serie a una fuente de voltaje de CC. Para poder ver el funcionamiento del circuito físicamente, un lámpara de neón se utiliza en paralelo con el condensador.

La lámpara se comporta virtualmente como un circuito abierto hasta que el voltaje alcanza su límite de voltaje umbral, cuando instantáneamente se enciende y conduce la corriente como un conductor y comienza a brillar. La fuente de voltaje de suministro para esta corriente, por lo tanto, debe ser mayor que la del voltaje de activación del neón.

Cómo funciona

Cuando el circuito se enciende, el capacitor comienza a cargarse lentamente según lo determinado por la constante de tiempo RC. La lámpara comienza a recibir un voltaje creciente que se desarrolla a través del capacitor.

En el momento en que esta carga a través del capacitor alcanza un valor que puede ser igual al voltaje de encendido del neón, la lámpara de neón conduce y comienza a iluminarse.

Cuando esto sucede, el neón crea una ruta de descarga para el capacitor y ahora el capacitor comienza a descargarse. Esto, a su vez, provoca una caída en el voltaje a través del neón y cuando este nivel cae por debajo del voltaje de encendido del neón, la lámpara se apaga y se apaga.

El proceso ahora continúa haciendo que el neón se encienda y apague. La frecuencia o frecuencia de parpadeo depende del valor de la constante de tiempo RC, que puede ajustarse para habilitar una frecuencia de parpadeo lento o rápido.

Si consideramos los valores de los componentes como se muestra en el diagrama, la constante de tiempo para el circuito T = 5 (megaohmios) x 0.1 (microfaradios) = 0.5 segundos.

Esto implica que al cambiar los valores de RC, la velocidad de parpadeo del neón se puede cambiar en consecuencia, según la preferencia individual.

Configuración RC en circuitos CA

Cuando se usa una CA en una configuración RC, debido a la naturaleza alterna de la corriente, el medio ciclo de la CA carga el capacitor de manera efectiva y, de la misma manera, se descarga con el siguiente semiciclo negativo. Esto hace que el capacitor se cargue y descargue alternativamente en respuesta a la polaridad variable de la forma de onda del ciclo de CA.

Debido a esto, en efecto, los voltajes de CA no se almacenan en el capacitor, sino que se les permite pasar a través del capacitor. Sin embargo, este paso de corriente está limitado por una constante de tiempo RC existente en la trayectoria del circuito.

Los componentes RC deciden cuánto porcentaje del voltaje aplicado se carga y descarga el capacitor. Simultáneamente, el condensador también puede proporcionar una ligera resistencia al paso de la CA por la vía de la reactancia, aunque esta reactancia básicamente no consume energía. Su impacto principal está en la respuesta de frecuencia involucrada en el circuito RC.

ACOPLAMIENTO RC en CIRCUITOS AC

El acoplamiento de una etapa particular de un circuito de audio a otra etapa a través de un condensador es una implementación común y extendida. Si bien la capacitancia parece usarse de forma independiente, en realidad puede estar involucrada con una resistencia en serie integral simbolizada por el término 'carga' como se muestra a continuación.

Esta resistencia, ayudada por el condensador, da lugar a una combinación RC que puede ser responsable de generar una determinada constante de tiempo.

Es crucial que esta constante de tiempo complemente la especificación de la frecuencia de la señal de CA de entrada que se transfiere de una etapa a otra.

Si asumimos el ejemplo de un circuito amplificador de audio, el rango más alto de la frecuencia de entrada podría ser de aproximadamente 10 kHz. El ciclo del período de tiempo de este tipo de frecuencia será 1 / 10,000 = 0.1 milisegundos.

Dicho esto, para permitir esta frecuencia, cada ciclo implementa dos características de carga / descarga con respecto a la función del condensador de acoplamiento, que son una positiva y otra negativa.

Por lo tanto, el período de tiempo para una función de carga / descarga en solitario será de 0,05 milisegundos.

La constante de tiempo RC requerida para habilitar este funcionamiento debe satisfacer el valor de 0.05 milisegundos para alcanzar el 63% del nivel de voltaje de CA alimentado, y esencialmente algo menor para permitir el paso de más del 63 por ciento del voltaje aplicado.

Optimización de la constante de tiempo RC

Las estadísticas anteriores nos dan una idea sobre el mejor valor posible del condensador de acoplamiento que se utilizará.

Para ilustrar esto, digamos que la resistencia de entrada normal de un transistor de baja potencia puede ser de aproximadamente 1 k. La constante de tiempo de un acoplamiento RC más eficaz podría ser de 0,05 milisegundos (ver arriba), lo que se puede lograr con los siguientes cálculos:

0,05 x 10 = 1000 x C o C = 0,05 x 10^-9faradios = 0.50 pF (o posiblemente un poco más bajo, ya que eso permitiría que un voltaje superior al 63% pase a través del capacitor).

Hablando en términos prácticos, generalmente se podría implementar un valor de capacitancia mucho mayor que puede ser tan grande como 1 µF o incluso más. Normalmente, esto puede proporcionar resultados mejorados, pero por el contrario puede causar una reducción en la eficiencia de la conducción del acoplamiento de CA.

Además, los cálculos sugieren que el acoplamiento capacitivo se vuelve cada vez más ineficiente a medida que aumenta la frecuencia de CA, cuando se implementan capacitores reales en los circuitos de acoplamiento.

Usando la red RC en CIRCUITOS DE FILTRO

Un arreglo RC estándar implementado como circuito de filtro se demuestra en la siguiente figura.

Si miramos el lado de entrada, encontramos una resistencia conectada en serie con una reactancia capacitiva, lo que provoca que se desarrolle una caída de voltaje en los dos elementos.

En caso de que la reactancia del capacitor (Xc) sea mayor que R, casi todo el voltaje de entrada se acumula a través del capacitor y, por lo tanto, el voltaje de salida alcanza el nivel igual al voltaje de entrada.

Sabemos que la reactancia del capacitor es inversamente proporcional a la frecuencia.Esto implica que, si la frecuencia de CA aumenta, la reactancia disminuirá, lo que hará que el voltaje de salida aumente la proporcionalidad (pero una parte significativa del voltaje de entrada caerá por la resistencia ).

¿Qué es la frecuencia crítica?

Para asegurar un acoplamiento eficiente de la señal de CA, debemos considerar el factor llamado frecuencia crítica.

A esta frecuencia, el elemento de valor de reactancia tiende a verse tan afectado que en tal condición el condensador de acoplamiento comienza a bloquear la señal en lugar de conducir de manera eficiente.

En tal situación, la relación de voltios (salida) / voltios (entrada) comienza a disminuir rápidamente. Esto se demuestra a continuación en forma de diagrama básico.

El punto crítico, llamado punto de caída o frecuencia de corte (f) se evalúa como:

fc = 1 / 2πRC

donde R está en ohmios, C está en faradios y Pi = 3.1416

Pero de la discusión anterior sabemos que RC = constante de tiempo T, por lo tanto, la ecuación se convierte en:

fc = 1 / 2πT

donde T es la constante de tiempo en segundos.

La eficiencia de trabajo de este tipo de filtro se caracteriza por su frecuencia de corte y por la velocidad a la que la relación voltios (entrada) / voltios (salida) comienza a caer por encima del umbral de frecuencia de corte.

Este último generalmente se representa como (algunos) dB por octava (para cada frecuencia duplicada), como se indica en la siguiente figura que muestra la relación entre dB y la relación de voltios (entrada) / voltios (salida), y también proporciona una respuesta de frecuencia precisa. curva.

FILTROS DE PASO BAJO RC

Como el nombre sugiere, filtros de paso bajo están diseñados para pasar señales de CA por debajo de la frecuencia de corte con una pérdida o atenuación mínima de la intensidad de la señal. Para las señales que están por encima de la frecuencia de corte, el filtro de paso bajo genera una mayor atenuación.

Es posible calcular los valores exactos de los componentes de estos filtros. Como ejemplo, se podría construir un filtro de scratch estándar que se usa normalmente en amplificadores para atenuar frecuencias por encima de, digamos, 10 kHz. Este valor específico significa la frecuencia de corte prevista del filtro.

FILTROS DE PASO ALTO RC

Los filtros de paso alto están diseñados para funcionar al revés. Atenúan las frecuencias que aparecen por debajo de la frecuencia de corte, pero permiten todas las frecuencias en o por encima de la frecuencia de corte establecida sin atenuación.

Para lograr esta implementación de filtro de paso alto, los componentes RC en el circuito simplemente se intercambian entre sí como se indica a continuación.

Un filtro de paso alto es similar a su contraparte de paso bajo. Estos se emplean generalmente en amplificadores y dispositivos de audio, para eliminar el ruido o el 'retumbar' generado por las bajas frecuencias inherentes no deseadas.

La frecuencia de corte seleccionada que se va a eliminar debe ser lo suficientemente baja para que no entre en conflicto con la respuesta de graves 'buena'. Por lo tanto, la magnitud decidida está normalmente en el rango de 15 a 20 Hz.

Cálculo de la frecuencia de corte RC

Precisamente, se requiere la misma fórmula para calcular esta frecuencia de corte, así, con 20 Hz como umbral de corte tenemos:

20 = 1/2 x 3,14 x RC

RC = 125.

Esto indica que siempre que se seleccione la red RC de manera que su producto sea 125, se habilitará el corte de paso alto previsto por debajo de las señales de 20 Hz.

En circuitos prácticos, tales filtros se introducen típicamente en el etapa de preamplificador , o en el amplificador inmediatamente antes de un circuito de control de tono existente.

Xa Dispositivos de alta fidelidad , estos circuitos de filtro de corte suelen ser mucho más sofisticados que los explicados aquí, para permitir los puntos de corte con mayor eficiencia y precisión.

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