آموزش الکترونیکآموزش ها

آموزش مدار های RC ، RL و RLC توضیحات کامل و تمرین

تمام قطعات‌ الکترونیکی را میتوان به دو دسته ی قطعات فعال و قطعات غیرفعال تقسیم کرد. قطعات غیرفعال شامل مقاومت، خازن و القاگر هستند. این سه از پرکاربردترین قطعات الکترونیکی هستند که تقریبا در هر مداری یافت می‌شوند. ترکیبات این سه قطعه در شکل های مختلف مدارهای RL, RC و RLC را میسازد که کاربردهای بسیاری از جمله استفاده در ساخت مدار تصفیه، چُک تیوب نوری، مدار نوسان ساز و غیره را دارند. در این مقاله مفاهیم پایه، نظریات و طریقه ی استفاده از این مدارها را یاد میگیریم.

قبل از اینکه سراغ موضوعات اصلی برویم باید نقش هر کدام از مقاومت، خازن و القاگر در مدار را متوجه شویم.

مقاومت : مقاومت ها را با حرف R نمایش می‌دهند. مقاومت عنصری است که انرژی را به شکل گرما تبدیل می‌کند. در آن یک افت ولتاژ اتفاق می‌افتد که برای ثابت ماندن یک جریان ثابت از آن عبور می‌کند.

خازن : خازن ها را با حرف C نمایش می‌دهند. خازن عنصری است که انرژی را موقتاً در خود به شکل میدان الکتریکی ذخیره می‌کند. خازن در برابر تغییر ولتاژ مقاومت می‌کند. انواع مختلفی از خازن ها وجود دارد که پرکاربردترین آن‌ها خازن سرامیکی و خازن الکترولیتی هستند. خازن ها از یک جهت شارژ و از جهت مخالف آن تخلیه می‌شوند.

القاگر : القاگر ها را با حرف L نمایش می‌دهند. القاگر مشابه خازن انرژی را ذخیره می‌کند اما به صورت میدان مغناطیسی. القاگر ها در برابر تغییرات جریان مقاومت می‌کنند. القاگر ها معمولاً به شکل یک سیم پیچ هستند و به نسبت دو قطعه ی دیگر کمتر استفاده می‌شوند.

هنگامی که مقاومت، خازن و القاگر را در کنار یکدیگر قرار دهیم می‌توانیم مدارهای RL, RC و RLC را بسازیم که پاسخ های وابسته به زمان و فرکانس را نمایش می‌دهند که همانطور که به آن اشاره کرده‌ایم در مدارهای جریان متناوب کاربردی هستند. از این مدارها می‌توان در ساخت فیلتر، نوسان ساز و بسیاری کاربرد دیگر استفاده کرد. نمی‌توان تمام جنبه‌های این مدارها را در این مقاله پوشش داد، درنتیجه تنها رفتار اساسی آن‌ها را آموزش می‌دهیم.

اصول پایه مدار های RC، RL و RLC

قبل از هر چیزی بهتر است درباره ی رفتار مقاومت، خازن و القاگر در مدار صحبت کنیم. یک مدار ساده را که در آن خازن و مقاومت به صورت سری با منبع ولتاژ قرار دارند را در نظر می‌گیریم. وقتی مدار وصل می‌شود ولتاژ مقاومت به مقدار حداکثر خود افزایش می‌یابد، درحالی‌که ولتاژ خازن صفر باقی مانده است. سپس به آرامی خازن شارژ می‌شود بدین‌ترتیب ولتاژ مقاومت کاهش و ولتاژ خازن افزایش می‌یابد تا زمانی که ولتاژ مقاومت صفر شود و ولتاژ خازن به حداکثر مقدار خود برسد. مدار و نمودار موجی آن در تصویر زیر قابل مشاهده است.

اصول پایه مدار های RC، RL و RLC

برای آن ‌که متوجه بشویم که دقیقا چه اتفاقی در مدار می‌افتد، خوب است به تحلیل نمودار موجی آن بپردازیم. یک نمودار موجی خوب در تصویر زیر قابل مشاهده است.

آموزش کامل مدار RLC

اگر میخواهید آردوینو را به صورت اصولی و پروژه محور (برنامه نویسی حرفه ای، ارتباط آردوینو با اندروید، ساخت ربات با آردوینو) یاد بگیرید، روی دوره آموزش آردوینو کلیک کنید.

هنگامی که مدار وصل می‌شود، ولتاژ مقاومت به مقدار حداکثر خود می‌رسد (موج قرمز) و ولتاژ خازن صفر باقی می‌ماند (موج آبی). سپس خازن شارژ می‌شود و Vr برابر صفر شده و Vc به حداکثر مقدار خود می‌رسد. به همین شکل هنگامی که مدار قطع می‌شود خازن تخلیه می‌شود از این رو ولتاژ مقاومت منفی می‌شود و همانطور که در نمودار بالا قابل مشاهده است در همین حین ولتاژ هر دو صفر می‌شود.

می‌توان همین رفتار را برای القاگر هم مشاهده کرد. کافی است در نمودار موجی بالا به جای خازن القاگر در نظر بگیریم. هنگامی که مدار وصل است ولتاژ مقاومت (Vr) صفر می‌شود و تمام ولتاژ در القاگر ظاهر می‌شود (VI). هنگامی که القاگر شارژ می‌شود VI صفر و Vr مقدار حداکثر خود می‌شود.

مدار RC چیست؟

مدار RC ( مدار مقاومت-خازن) متشکل از یک خازن و یک مقاومت است که به صورت سری یا موازی به منبع ولتاژ یا جریان متصل شده‌اند. به خاطر اینکه از این مدارها بیشتر برای فیلتر کردن استفاده می‌شود، به این مدارها فیلتر RC یا شبکه ی RC هم می‌گویند. از این مدارها می‌توان برای ساخت فیلترهای خام مثل فیلتر پایین‌گذر، فیلتر میان‌گذر و فیلتر بالاگذر استفاده کرد. مدار RC مرتبه ی اول از تنها یک مقاومت و تنها یک خازن تشکیل شده است که در این مقاله به بررسی آن می‌پردازیم.

مدار RC چیست؟

برای اینکه درک بهتری از مدار RC داشته باشیم، یک مدار ساده در پروتئوس می‌سازیم و به مصرف کننده متصل می‌کنیم تا رفتار آن را بهتر بررسی کنیم. مدار و نمودار موجی آن در تصویر زیر قابل مشاهده‌ اند.

همچنین اگر در مورد این مطلب سوالی داشتید در انتهای صفحه در قسمت نظرات بپرسید

مدار RC در پروتئوس

یک لامپ با مقدار مقاومت مشخص یک کیلو اهم را به صورت سری با یک خازن 470 میکرو فارادی در مدار قرار داده ایم. مدار دارای یک باتری 12 ولتی و یک کلید برای قطع و وصل کردن آن است. نمودار موجی این مدار با رنگ زرد در تصویر بالا قابل مشاهده است. 12 در ابتدا هنگامی که کلید باز است، حداکثر مقدار ولتاژ یعنی 12 ولت در لامپ ظاهر می‌شود و مقدار ولتاژ خازن برابر صفر است. همانطور که در تصویر قابل مشاهده است، هنگامی که کلید بسته می‌شود ولتاژ مقاومت (لامپ) افت می‌کند و خازن شارژ شده و ولتاژ آن به 12 ولت می‌رسد.

مطلب پیشنهادی :
برد PCB چیست ؟ بهترین نرم افزار طراحی فیبر مدار چاپی

زمان لازم برای شارژ شدن خازن از فرمول T = 5Ƭ محاسبه می‌شود که در آن Ƭ ثابت زمانی است.

زمان لازم برای شارژ شدن خازن در مدار ما به شکل زیر محاسبه می‌شود:

Ƭ = RC
   = (1000 * (470*10^-6))
   = 0.47 seconds

T = 5Ƭ
   = (5 * 0.47)
T = 2.35 seconds.

همانطور که محاسبه کردیم زمان لازم برای شارژ شدن خازن 2.35 ثانیه است. میتوان این مقدار را از نمودار بالا هم دریافت. زمانی که طول می‌کشد تا Vr از صفر ولت به 12 ولت برسد برابر است با زمانی که طول می‌کشد تا خازن از صفر ولت به حداکثر مقدار ولتاژ برسد. نمودار آن در زیر قابل مشاهده است.

آموزش کامل محاسبه مدار RC

به همین صورت می‌توان ولتاژ و جریان خازن را در هر نقطه از زمان محاسبه کرد:

V(t) = VB (1 – e-t/RC)
I(t) =Io (1 – e-t/RC)

در فرمول بالا VB ولتاژ باتری و Io جریان خروجی مدار است. t زمانی است که در آن ولتاژ یا جریان را می‌خواهیم محاسبه کنیم.

مدار RL چیست؟

مدار RL (مدار مقاومت-القاگر) از یک القاگر و یک مقاومت تشکیل شده که به صورت سری یا موازی به یکدیگر متصل شده اند. مدار RL سری توسط یک منبع ولتاژ و مدار RL موازی توسط یک منبع جریان کار می‌کنند. از مدارهای RL بیشتر به عنوان فیلتر غیرفعال استفاده می‌کنند. یک مدار RL مرتبه ی اول تنها از یک القاگر و یک مقاومت تشکیل شده است که در تصویر زیر قابل مشاهده است.

مدار RL چیست؟

به صورت مشابه در مدار RL میتوان به جای خازن القاگر قرار داد. فرض می‌شود که لامپ به عنوان یک مقاومت خالص عمل می‌کند و مقاومت لامپ  100 اهم است.

مدار RL در پروتئوس

هنگامی که مدار قطع است، ولتاژ مقاومت حداکثر مقدار خود و هنگامی که مدار وصل است، ولتاژ باتری بین مقاومت و القاگر تقسیم می‌شود. القاگر به سرعت شارژ می‌شود، از این رو در مقاومت یک افت ولتاژ ناگهانی اتفاق می‌افتد.

زمان لازم برای شارژ شدن القاگر از فرمول T = 5Ƭ محاسبه می‌شود که در آن Ƭ ثابت زمانی است.

زمان لازم برای شارژ شدن القاگر در مدار ما به شکل زیر محاسبه می‌شود که در آن القاگر یک میلی هانری و مقاومت 100 اهم است:

Ƭ = L/R
   = (1 * 10^-3) / (100)
   = 10^-5 seconds

T = 5Ƭ
   = (5 * 10^-5)
   = 50 * 10 ^-6
T = 50 u seconds.

به طور مشابه می‌توانیم ولتاژ و جریان عبوری از القاگر را در هر زمان دلخواه با استفاده از فرمول های زیر محاسبه کنیم:

V(t) = VB (1 – e-tR/L)
I(t) =Io (1 – e-tR/L)

در فرمول بالا VB ولتاژ باتری و Io جریان خروجی مدار است. t زمانی است که در آن ولتاژ یا جریان را می‌خواهیم محاسبه کنیم.

مدار RLC چیست؟

همانطور که از نام آن پیداست، مدار RLC از یک مقاومت، یک القاگر و یک خازن تشکیل شده است که به صورت سری یا موازی با یکدیگر قرار گرفته‌اند. این مدار یک مدار نوسان گر می‌سازد که در دریافت کننده های رادیو و تلویزیون بسیار استفاده می‌شود. همچنین در کاربردهای آنالوگ از این مدار به عنوان مدار تعدیل کننده هم بسیار استفاده می‌شود. در ادامه خاصیت تشدید در مدارهای RLC مرتبه ی اول توضیح داده‌ شده‌ است.

مدار RLC چیست؟

به مدار RLC مدار تشدید سری، مدار نوسان گر و مدار تنظیم شده هم می‌گویند. همانطور که در تصویر قابل مشاهده است، این مدارها می‌توانند یک سیگنال فرکانس تشدید شده را فراهم کنند.

مدار RLC در پروتئوس

در این جا خازن 100 میکرو فارادی C1  و القاگر 10 میلی هانری L1  را داریم که به صورت سری و با یک کلید به یکدیگر متصل شده‌اند. از آن‌جایی که سیمی که خازن و القاگر را به یکدیگر متصل می‌کند دارای مقاومت داخلی است، فرض می‌شود که در سیم مقاومت کمی وجود دارد.

در ابتدا کلید 2 را باز می‌کنیم و کلید 1 را می‌بندیم تا خازن  توسط باتری 9 ولتی شارژ شود. بعد از آنکه خازن شارژ شد، کلید 1 را باز می‌کنیم و کلید 2 را می‌بندیم.

لحظه ای که کلید بسته می‌شود، انرژی ذخیره شده در خازن از القاگر عبور کرده و آن را شارژ می‌کند. هنگامی که خازن به صورت کامل تخلیه شود، القاگر شروع به تخلیه شدن می‌کند و خازن را شارژ می‌کند و این بین القاگر و خازن مداوم اتفاق می افتد. همانطور که در تصویر قابل مشاهده است، از آن‌جایی که هربار مقداری از انرژی هدر می‌رود، به مرور زمان کل انرژی هدر رفته و صفر می‌شود.

کاربردها

مقاومت‌ها، القاگر ها، و خازن ها اجزاء معمولی‌ و ساده‌ای هستند که هنگامی که با یکدیگر ترکیب می‌شوند رفتارهای پیچیده ای از خود نشان می دهند. این ویژگی باعث می‌شود که در کاربرد های بسیاری بتوان از آن ها استفاده کرد. تعدادی از آن ها در لیست زیر آورده شده‌اند :

  • سیستم های ارتباطی
  • پردازش سیگنال
  • افزایش میزان ولتاژ یا جریان
  • فرستنده های امواج رادیویی
  • تقویت کننده های RF
  • تشدید مدار LC
  • مدارهای تنظیم متغیر
  • مدارهای نوسان گر
  • مدارهای فیلتر کننده

نظرتان را در مورد این مطلب با ستاره دادن اعلام کنید
امیدوارم این مطلب برای شما مفید بوده باشد. نظرات ، مشکلات و پیشنهادات خود را در پایین صفحه اعلام کنید
محمد رحیمی

محمد رحیمی

محمد رحیمی هستم. سعی میکنم در آیرنکس مطالب مفید را قرار دهم. مالکیتی بر مطالب ارائه شده ندارم. اکثر فعالیت بنده در زمینه ترجمه است. (در خصوص سوال در مورد این مطلب از قسمت نظرات همین مطلب اقدام کنید)

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *