Entendimientos del circuito RC

Estoy tratando de entender los principios de un circuito de carga / descarga RC, sin embargo, estoy perdido con respecto a ciertos aspectos de su funcionamiento.

Tengo un generador de onda cuadrada que proporciona niveles de 0v a 5V a cierta frecuencia, digamos 1Khz al 50% del ciclo de trabajo. Mi R = 3.3K y C = 100nf.

Mi pensamiento es que si el condensador se carga durante el estado alto del generador y se descarga por igual durante el estado bajo del generador. Entonces no debería quedar ninguna carga y debería permanecer en ese nivel (sin carga). Sin embargo, cuando lo intento prácticamente encuentro que eventualmente el condensador se carga a un nivel medio, eso es 2V que mi mente realmente no puede comprender.

¿El condensador carga y descarga y diferentes velocidades en un circuito RC? ¿Qué está sucediendo exactamente? Entonces realmente no puedo explicar, ¿puedes?

La clave es la constante de tiempo RC. Este es el producto de la resistencia y la capacitancia en serie. Para su ejemplo, eso sería 3,300 ohmios * 0.0000001 faradios, lo que resulta en 0.00033 segundos. Para que el condensador se cargue o descargue por completo, debe esperar 5 constantes de tiempo. En su ejemplo, el condensador alcanzará solo aproximadamente el 75% de la carga / descarga completa durante el medio período de la onda cuadrada de 1 kHz. Considere disminuir su frecuencia o usar un condensador o resistencia más pequeños.

Otros posibles problemas pueden incluir:

• Conexión incorrecta del circuito. El condensador, la resistencia y el generador de funciones deben estar en serie.
• Usando la herramienta incorrecta para medir el voltaje. Para obtener los resultados que espera, necesita un osciloscopio. Un multímetro no le dará los mismos resultados a menos que su constante de tiempo sea cercana a un segundo de magnitud.
• El generador de patrones tiene una alta impedancia de salida. Esto es poco probable, pero si la impedancia está cerca del valor de su resistencia, eso anulará sus cálculos.

1. Cuando está cargando, la diferencia de voltaje en la resistencia es de 5V (cap = 0V, salida = 5V). Cuando cambia la salida a 0V, la tapa tenía algo de voltaje X que era inferior a 5V.

   Durante la descarga, el voltaje a través de la resistencia es menor que 5 V, la corriente también es menor y, por lo tanto, se elimina menos carga del condensador.

   Por lo tanto, las tasas de carga y descarga no son las mismas.

2. ¿Cuándo serán lo mismo? Cuando los voltajes a través de la resistencia son los mismos. Esto sucede cuando el voltaje promedio a través del condensador es Vcc / 2, que es lo que ha medido.

3. La regla general es que el voltaje en el condensador es igual al voltaje de entrada promedio. Si usa un condensador y / o resistencia más grande, más tiempo le tomará al promedio establecerse (el circuito tendrá más "inercia" o "memoria").

Si su frecuencia de onda cuadrada es lo suficientemente baja, la señal filtrada RC seguirá a la onda cuadrada de cerca, aunque con bordes menos pronunciados.
Pero esto necesita 5T (constantes de tiempo RC) para alcanzar más o menos 5V o 0V; después de 5T se alcanza aproximadamente el 99% del valor final.

En nuestro caso

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

y un período es $1000\mu s$, entonces un medio período es solo 1.5T. Eso significa que la señal no tiene tiempo para alcanzar 5V cuando sube, o 0V cuando baja:

mientras que para una constante de tiempo más corta la señal se vería más así:

Tenga en cuenta que en el segundo caso (esto es por una constante de tiempo $T = 33\mu s$) la señal alcanza 5V y 0V, mientras que no lo hace para nuestro caso; El tiempo es simplemente demasiado corto.

Ahora sobre el 2V que estás midiendo. Si mide esto con un DMM, es fácil de explicar: el DMM promedia el valor medido. Si realmente lo ves en un telescopio, probablemente se vea un poco así:

Esto muestra el mismo efecto que vimos anteriormente: la constante de tiempo es demasiado larga y el capacitor apenas tiene tiempo para comenzar a cargar y descargar. aquí$T = 3.3ms$.
Si esto es lo que ve, podría haber algo mal con sus componentes; comprobar si son realmente$3300\Omega$ y $100nF$. Si los valores son correctos, puede tener una impedancia adicional en serie con la resistencia.

¿Cómo estás midiendo este 2V? Por contexto, parece que puede estar usando un multímetro en lugar de un osciloscopio. Para ver realmente lo que sucede en un circuito como este, el osciloscopio es el instrumento de elección. Podrá ver, por la simetría de las curvas de carga y descarga, que las tasas son las mismas.

Pero parece que está utilizando un medidor, y con un dispositivo que solo le da un número, comprender lo que está sucediendo requiere algo de interpretación.

Parece razonable interpretar la señal de entrada que describió como una onda cuadrada de pico a pico de 5 V en un desplazamiento de CC de 2,5 V. Entonces, si usa un dispositivo de medición de CC, es posible que espere medir este nivel de CC de 2.5V a través del condensador.

Si su dispositivo de medición es un DVM, puede ignorar razonablemente los efectos del medidor en el circuito. Incluso los medidores digitales baratos tienen megaohmios de impedancia y no se cargarán en el circuito de escala de k-ohmios bajo prueba. Sin embargo, este tipo de medidores varía ampliamente en su capacidad para dar sentido a las entradas que varían en el tiempo. Algunos son buenos solo para revisar las baterías. Algunos le darán una lectura de CC justa en presencia de CA sinusoidal, pero no con CA más compleja. Algunos le darán un verdadero RMS sin importar la forma de la forma de onda.

Y si está midiendo con un viejo medidor de movimiento mecánico, debe tener en cuenta que, como voltímetros, estos medidores son equivalentes a unos pocos k-ohmios, tal vez 10's de k-ohmios en el mejor de los casos. Enganchar este tipo de medidor en el circuito que describe seguramente cargará el circuito y cambiará significativamente su comportamiento. Obtendrá lecturas para estar seguro, pero debe interpretarlas sabiendo cómo se ve afectado el circuito. En el caso de la configuración de RC que describe, este tipo de medidor leería más bajo que un DVM, sobre la base de que su resistencia ayudaría a descargar la tapa sin contribuir nada a cargarla.

Supongo que su circuito tiene la resistencia en serie con la tapa y la tapa está atada a tierra, es decir, ha construido un filtro de paso bajo de un polo.

Con R = 3.3k y C = 100nF, el punto -3db será ~ 482Hz. A 1kHz la respuesta será ~ -6dB.

Con esa constante de tiempo, esperaría que el voltaje a través de la tapa sea una sinusoide aproximada con un nivel bajo de pico a pico (¿0.5-1.0v tal vez?) Y una compensación de CC de 2-2.5V, dependiendo de la calidad y el tipo de condensador .

En cuanto a por qué sucede esto ...

Cuando la entrada es alta, el límite se está cargando pero nunca alcanza los 5 V debido a la constante de tiempo que ha elegido. Cuando la entrada baja, la tapa comienza a descargarse pero nunca se descarga completamente.

Mueva el punto de -3db hasta unos 9kHz y probablemente verá más de lo que esperaba, que es una onda cuadrada con colas de carga y descarga en lugar de bordes afilados.

Puedes pensar en esto en el dominio de la frecuencia si quieres hacerlo más fácil. Una onda cuadrada está hecha de su frecuencia fundamental + solo armónicos impares. Para retener la forma de la señal, querrá su fundamental (1kHz en su caso) y al menos sus primeros armónicos (3k, 5k, 7k, 9k, etc.) intactos. Los armónicos de orden superior le dan a la señal sus bordes cuadrados afilados, por lo que si los filtra, obtendrá las colas de carga / descarga que esperaba.