Compréhension des circuits RC

J'essaie de comprendre les principes d'un circuit de charge / décharge RC mais je suis à court de perte concernant certains aspects de son fonctionnement.

J'ai un générateur d'onde carrée donnant des niveaux de 0v à 5V à une certaine fréquence, disons 1Khz à un rapport cyclique de 50%. Mon R = 3,3 K et C = 100 nf.

Ma pensée est que si le condensateur se charge pendant l'état haut du générateur et se décharge également pendant l'état bas du générateur. Ensuite, il ne devrait plus y avoir de charge et devrait rester à ce niveau (non chargé). Cependant, quand je l'essaye pratiquement, je trouve que finalement le condensateur se charge à un niveau moyen, c'est 2V que mon esprit ne peut pas vraiment comprendre.

Est-ce que le condensateur se charge et se décharge et à différents taux dans un circuit RC ce qui se passe exactement alors je ne peux pas vraiment l'expliquer, pouvez-vous?

La clé est la constante de temps RC. C'est le produit de la résistance et de la capacité en série. Pour votre exemple, ce serait 3300 ohms * 0,000000001 farads, ce qui donne 0,00033 secondes. Pour que le condensateur se charge ou se décharge complètement, vous devez attendre 5 constantes de temps. Dans votre exemple, le condensateur n'atteindra qu'environ 75% de la pleine charge / décharge pendant la demi-période de l'onde carrée de 1 kHz. Pensez à diminuer votre fréquence ou à utiliser un condensateur ou une résistance plus petite.

D'autres problèmes possibles peuvent inclure:

• Connexion incorrecte du circuit. Le condensateur, la résistance et le générateur de fonctions doivent tous être en série.
• Utiliser le mauvais outil pour mesurer la tension. Pour les résultats que vous attendez, vous avez besoin d'un oscilloscope. Un multimètre ne vous donnera pas les mêmes résultats à moins que votre constante de temps soit proche d'une seconde de magnitude.
• Le générateur de motifs a une impédance de sortie élevée. C'est peu probable, mais si l'impédance est proche de la valeur de votre résistance, cela gênera vos calculs.

1. Lorsque vous chargez, la différence de tension sur la résistance est de 5 V (cap = 0 V, sortie = 5 V). Lorsque vous passez la sortie à 0 V, le capuchon avait une tension X qui était inférieure à 5 V.

   Pendant la décharge, la tension aux bornes de la résistance est inférieure à 5 V, le courant est également plus petit et donc moins de charge est supprimée du condensateur.

   Les taux de charge et de décharge ne sont donc pas les mêmes.

2. Quand seront-ils les mêmes? Lorsque les tensions aux bornes de la résistance sont identiques. Cela se produit lorsque la tension moyenne aux bornes du condensateur est Vcc / 2, ce que vous avez mesuré.

3. La règle générale est que la tension sur le condensateur est égale à la tension d'entrée moyenne. Si vous utilisez un condensateur et / ou une résistance plus gros, plus il faudra du temps pour que la moyenne se stabilise (le circuit aura plus d '«inertie» ou de «mémoire»).

Si votre fréquence d'onde carrée est suffisamment basse, le signal filtré RC suivra de près l'onde carrée, bien qu'avec des bords moins raides.
Mais cela nécessite 5T (constantes de temps RC) pour vous atteindre plus ou moins 5V ou 0V; après 5T, environ 99% de la valeur finale est atteinte.

Dans notre cas

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

et une période est $1000\mu s$, donc une demi-période n'est que de 1,5T. Cela signifie que le signal n'a pas le temps d'atteindre 5V en montant ou 0V en descendant:

alors que pour une constante de temps plus courte, le signal ressemblerait davantage à ceci:

Notez que dans le second cas (c'est pour une constante de temps $T = 33\mu s$) le signal atteint à la fois 5V et 0V, alors que ce n'est pas le cas dans notre cas; le temps est tout simplement trop court.

Maintenant sur le 2V que vous mesurez. Si vous mesurez cela avec un multimètre numérique, c'est facile à expliquer: le multimètre numérique fait la moyenne de la valeur mesurée. Si vous le voyez réellement sur une portée, cela ressemble probablement à ceci:

Cela montre le même effet que nous avons vu plus tôt: la constante de temps est beaucoup trop longue et le condensateur n'a guère le temps de commencer à se charger et se décharger. Ici$T = 3.3ms$.
Si c'est ce que vous voyez, il peut y avoir un problème avec vos composants; vérifier s'ils sont vraiment$3300\Omega$ et $100nF$. Si les valeurs sont correctes, vous pouvez avoir une impédance supplémentaire en série avec la résistance.

Comment mesurez-vous ce 2V? Du contexte, il semble que vous utilisiez un multimètre plutôt qu'un oscilloscope. Pour vraiment voir ce qui se passe dans un circuit comme celui-ci, l'oscilloscope est l'instrument de choix. Vous seriez en mesure de voir à partir de la symétrie des courbes de charge et de décharge que les taux sont en effet les mêmes.

Mais il semble que vous utilisiez un compteur, et avec un appareil qui vous donne juste un nombre, comprendre ce qui se passe nécessite une certaine interprétation.

Il semble raisonnable d'interpréter le signal d'entrée que vous avez décrit comme une onde carrée de 5 V crête à crête chevauchant un décalage de 2,5 V CC. Donc, si vous utilisez un appareil de mesure CC, vous pouvez vous attendre à mesurer ce niveau de 2,5 V CC à travers le condensateur.

Si votre appareil de mesure se trouve être un DVM, vous pouvez raisonnablement ignorer les effets du multimètre sur le circuit. Même les compteurs numériques bon marché ont des mégohms d'impédance et ne chargeront pas le circuit d'échelle k-ohm sous test. Cependant, ces types de compteurs varient considérablement dans leur capacité à donner un sens aux entrées variant dans le temps. Certains sont bons juste pour vérifier les batteries. Certains vous donneront une lecture CC juste en présence de CA sinusoïdal, mais pas avec un CA plus complexe. Certains vous donneront un vrai RMS quelle que soit la forme de la forme d'onde.

Et si vous mesurez à l'aide d'un ancien compteur à mouvement mécanique, vous devez garder à l'esprit que, en voltmètres, ces compteurs équivalent à quelques k-ohms, peut-être 10's de k-ohms au mieux. Accrocher ce type de compteur dans le circuit que vous décrivez chargera très certainement le circuit et changera considérablement son comportement. Vous obtiendrez des lectures pour être sûr, mais vous devez les interpréter en sachant comment le circuit est affecté. Dans le cas de la configuration RC que vous décrivez, ce type de compteur lirait plus bas qu'un DVM, car sa résistance aiderait à décharger le bouchon tout en ne contribuant pas à le charger.

Je suppose que votre circuit a la résistance en série avec le capuchon et que le capuchon est lié à la terre, c'est-à-dire que vous avez construit un filtre passe-bas unipolaire.

Avec R = 3,3 k et C = 100 nF, le point -3 dB sera ~ 482 Hz. À 1 kHz, la réponse sera ~ -6 dB.

Avec cette constante de temps, je m'attendrais à ce que la tension à travers le capuchon soit une sinusoïde grossière avec un faible niveau crête à crête (0,5-1,0 V peut-être?) Et un décalage CC de 2-2,5 V, selon la qualité et le type de condensateur .

Quant à savoir pourquoi cela se produit ...

Lorsque l'entrée est élevée, le plafond se charge mais n'atteint jamais 5 V en raison de la constante de temps que vous avez choisie. Lorsque l'entrée diminue, le capuchon commence à se décharger, mais encore une fois, il ne se décharge jamais complètement.

Déplacez le point -3db jusqu'à peut-être 9 kHz et vous verrez probablement plus de ce que vous attendez, qui est une chose carrée avec des vagues de charge et de décharge au lieu de bords tranchants.

Vous pouvez penser à cela dans le domaine des fréquences si vous voulez faciliter la réflexion. Une onde carrée est constituée de sa fréquence fondamentale + uniquement des harmoniques impaires. Pour conserver la forme du signal, vous souhaiterez que ses fondamentaux (1 kHz dans votre cas) et au moins ses premières harmoniques (3k, 5k, 7k, 9k, etc.) soient intacts. Les harmoniques d'ordre supérieur donnent au signal ses bords carrés nets, donc si vous les filtrez, vous obtiendrez les queues de charge / décharge que vous attendiez.