¿Qué es exactamente un circuito RC? Un circuito RC consta de una resistencia pura R en ohmios y una capacitancia pura C en faradios. Un capacitor almacena energía y una resistencia conectada a él controla la carga y descarga del capacitor. Los flashes de las cámaras, los marcapasos y los circuitos de temporización utilizan un circuito RC.
Tabla de contenido
¿Qué es un circuito RC?
Una combinación de resistencia y condensador (a veces denominada filtro RC o red RC) es un circuito de resistencia y condensador. Un circuito RC es un circuito eléctrico que consta de los componentes del circuito pasivo de una resistencia (R) y un condensador (C) y está alimentado por una fuente de voltaje o corriente. Un circuito RC, como un circuito RL o RLC, disipará potencia debido a la inclusión de resistencias en la versión ideal del circuito.
Esto contrasta con la versión ideal del circuito LC, que no consume energía porque no hay resistencia. Incluso un circuito LC disipará algo de energía en realidad debido a la resistencia distinta de cero de los componentes y los cables de conexión, que solo se encuentra en la forma de circuito ideal.
El principio del circuito RC.
El capacitor, C, se carga a través de la resistencia R, cuando se aplica una fuente de voltaje al circuito RC. Cuando se aplica una señal o voltaje, ya sea continuo (CC) o alterno (CA), a cualquier circuito o sistema eléctrico o electrónico, existe algún tipo de “retraso de tiempo” entre las terminales de entrada y salida.
Esta demora generalmente se denomina demora de tiempo del circuito o constante de tiempo y es la respuesta de tiempo del circuito cuando se aplica una señal o un voltaje de paso. La constante de tiempo de cualquier circuito o sistema electrónico está determinada en gran medida por los componentes reactivos conectados a él, que pueden ser capacitivos o inductivos. La constante de tiempo se mide en Tau – τ.
Cuando un capacitor descargado se expone a un voltaje de CC creciente, el capacitor consume “corriente de carga” y “carga”. El condensador comienza a descargarse en la dirección opuesta a medida que disminuye el voltaje. Debido a que los condensadores pueden almacenar energía eléctrica, funcionan de manera muy similar a las baterías pequeñas en el sentido de que almacenan y liberan energía en sus placas según sea necesario.
K = CV representa la carga eléctrica almacenada en las placas del capacitor. La carga (almacenamiento) y descarga (liberación) de la energía del capacitor nunca es instantánea; el condensador tarda un tiempo en cargarse o descargarse hasta un cierto porcentaje de su valor máximo de carga, lo que se conoce como constante de tiempo (τ). Verás aquí que conoce completamente el principio de funcionamiento del circuito RC.
Cuando una resistencia se conecta en serie con un capacitor para formar un circuito RC, el capacitor se cargará continuamente a través de la resistencia hasta que el voltaje sea igual al voltaje de suministro. El tiempo requerido para cargar completamente el capacitor es de aproximadamente 5 constantes de tiempo o 5T. Como resultado, la respuesta transitoria de un circuito RC en serie es equivalente a 5 constantes de tiempo.
Este tiempo de respuesta transitoria, T, se expresa en segundos como τ= RC, donde R es el valor de la resistencia en ohmios y C es el valor del capacitor en Farads. Esto luego sirve como base para un circuito de carga RC, donde 5T significa “5 k RC”.
Circuito de carga RC
Un capacitor (C) en serie con una resistencia (R) forma un circuito de carga RC que está conectado a través de un suministro de CC (Vs) a través de un interruptor mecánico en el diagrama a continuación. Cuando el interruptor se cierra por primera vez en el tiempo cero, el capacitor se carga progresivamente a través de la resistencia hasta que el voltaje a través de él alcanza el voltaje de suministro de la batería. La carga del condensador se muestra en el siguiente diagrama.
Suponga que el capacitor, C, está completamente “descargado” y el interruptor, S, está completamente abierto. Estas son las condiciones iniciales del circuito, luego t = 0, I = 0 yk = 0. Cuando el interruptor está cerrado, el tiempo comienza en t = 0 y la corriente fluye hacia el capacitor a través de la resistencia.
El capacitor parece estar en corto con el circuito externo en t = 0 porque el voltaje inicial a través del capacitor es cero (Vc = 0) y la corriente máxima que fluye a través del circuito está limitada solo por la resistencia R. Luego, la caída de voltaje alrededor del circuito se calcula utilizando la Ley de voltaje de Kirchhoff (KVL) de la siguiente manera:
{V}_{s}-R\ veces i
La corriente de carga es la corriente que circula actualmente por el circuito y se puede calcular utilizando la Ley de Ohm: I = Vs/R.
Curvas del circuito de carga RC
El capacitor (C) se carga a la velocidad que se muestra en el gráfico. Dado que la tasa de carga es más rápida al comienzo de la carga, el aumento en la curva de carga RC es más pronunciado al principio, pero rápidamente disminuye exponencialmente a medida que el capacitor adquiere una carga adicional a una tasa más lenta.
A medida que el capacitor se carga, la diferencia de potencial entre sus placas aumenta, con el tiempo que tarda el capacitor en cargarse al 63 por ciento de su voltaje máximo posible completamente cargado, 0,63 V en la curva, conocida como una constante de tiempo completo (T). 1T es el símbolo de este punto de tensión de 0,63 Vs (una constante de tiempo).
A medida que el capacitor se carga y la diferencia de voltaje entre Vs y Vc disminuye, la corriente del circuito también sigue esta tendencia. Se dice que un capacitor está completamente cargado cuando su estado final es mayor que cinco constantes de tiempo (5T), t =∞, I = 0, k = K = CV. Cuando la corriente de carga llega a cero en el infinito, el capacitor se comporta como un circuito abierto, con el valor del voltaje de suministro Vc = Vs aplicado por completo al capacitor.
Como resultado, el tiempo requerido para cargar el capacitor a una constante de tiempo (1T), se puede expresar matemáticamente como la constante de tiempo RC, Tau:
\tau =R\ veces C
Esta constante de tiempo RC simplemente indica la tasa de carga, con R en Ω y C en Farads.
Dado que el voltaje V es proporcional a la carga del capacitor (Vc = K/C), el voltaje del capacitor (Vc) en cualquier punto durante el período de carga viene dado por:
{V}_{C}={V}_{S}(1-{e}^{\frac{-t}{RC}})
Dónde:
Vs es la tensión de alimentación
Vc es el voltaje a través del capacitor
t es el tiempo transcurrido desde que se aplicó la tensión de alimentación
RC es la constante de tiempo del circuito de carga RC
e es un número irracional que Euler introdujo como: 2.7182
Se dice que el capacitor en este circuito RC de carga está casi completamente cargado después de un período equivalente a cuatro constantes de tiempo (4T) porque el voltaje desarrollado entre las placas del capacitor ahora ha alcanzado el 98 por ciento de su valor máximo, 0.98V. El período transitorio es el tiempo que tarda el condensador en llegar a este punto de 4T.
Ahora se considera que el capacitor está completamente cargado después de una duración de 5T, donde el voltaje a través del capacitor (Vc) es aproximadamente igual al voltaje de suministro (Vs). Como resultado de que el capacitor está completamente cargado, no fluye corriente de carga en el circuito, por lo queC = 0. El período de estado estacionario es el tiempo que sigue al período 5T.
Mesa de carga RC
Por lo tanto, los valores porcentuales de voltaje y corriente para el capacitor en el circuito RC de carga durante una cierta constante de tiempo se pueden mostrar en la tabla a continuación.
Tiempo constante | Valor RC | Porcentaje del máximo | |
Voltaje | Actual | ||
0.5 constante de tiempo | 0.5T = 0.5RC | 39.3 | 60.7 |
0.7 constante de tiempo | 0.7T = 0.7RC | 50.3 | 49.7 |
1.0 constante de tiempo | 1.0T = 1.0RC | 63.2 | 36.8 |
2.0 constante de tiempo | 2,0T = 2,0 RC | 86.5 | 13.5 |
3.0 constante de tiempo | 3.0T = 3.0RC | 95.0 | 5.0 |
4.0 constante de tiempo | 4.0T = 4.0 RC | 98.2 | 1.8 |
5.0 constante de tiempo | 5.0T = 5.0 RC | 99.3 | 0.7 |
La curva de carga para un circuito de carga RC es exponencial, no lineal, como cabría esperar. Esto indica que el capacitor nunca estará completamente cargado en la realidad. A todos los efectos prácticos, alcanza el 99,3 por ciento de carga después de cinco constantes de tiempo (5T), por lo que el capacitor se considera completamente cargado en este punto.
Podemos calcular el valor del voltaje del capacitor, Vc, en cualquier punto dado, por ejemplo, porque el voltaje a través del capacitor Vc fluctúa con el tiempo y tiene un valor diferente en cada constante de tiempo hasta 5T.
Teoría de trabajo del amplificador acoplado RC en electrónica
La amplificación es la técnica de aumentar la fuerza de una señal aumentando su amplitud sin cambiar sus propiedades. Un amplificador acoplado RC es un componente de un amplificador multietapa que conecta varias etapas del amplificador mediante resistencias y condensadores. Uno de los circuitos más básicos en electrónica es el amplificador.
Un amplificador de transistores es un tipo de amplificador que se basa completamente en transistores. La señal de corriente, voltaje o potencia se puede utilizar como señal de entrada. La señal se amplifica sin afectar sus propiedades y la salida es una versión modificada de la señal original. Los amplificadores tienen una amplia gama de aplicaciones. Se encuentran principalmente en instrumentos de audio y visuales, así como en comunicaciones y controles.
Amplificador RC de emisor común de una sola etapa
El siguiente es un diagrama de circuito para un amplificador de transistor de emisor común de una sola etapa:
explicación del circuito
Un circuito amplificador simple y básico es un amplificador acoplado RC de emisor común de una sola etapa. El objetivo principal de este circuito es la preamplificación, que es el proceso de hacer que las señales débiles sean lo suficientemente fuertes como para amplificarlas aún más. Este amplificador acoplado RC puede proporcionar buenas calidades de señal si se diseña correctamente.
El capacitor de entrada (Cin) funciona como un filtro, bloqueando el voltaje de CC y permitiendo que solo el voltaje de CA llegue al transistor. Cualquier voltaje de CC externo que llegue a la base del transistor cambiará las condiciones de polarización y afectará el rendimiento del amplificador.
Las resistencias R1 y R2 se utilizan para garantizar que el transistor bipolar esté correctamente polarizado. La red de polarización formada por R1 y R2 proporciona el voltaje base necesario para impulsar la región inactiva del transistor.
La región activa es la región entre la región límite y la región de saturación. La región de corte es donde la operación del transistor bipolar está completamente apagada, mientras que la región de saturación es donde el transistor está completamente encendido.
Para reducir el voltaje Vcc, se utilizan resistencias Rc y Re. La resistencia Rc es una resistencia de colector, mientras que la resistencia Re es una resistencia de emisor. Ambos se eligen para que en el circuito anterior reduzcan el voltaje Vcc en un 50%. La retroalimentación negativa es creada por el condensador del emisor Ce y la resistencia del emisor Re, lo que hace que el circuito sea más estable.
Pasos para Dibujar un Diagrama de Fase para un Circuito RC
La corriente I se considera la referencia, y la reducción del voltaje de la resistencia es (VR). Entonces, v.R = IR se pone en fase con la corriente I. La caída de tensión en la reactancia capacitiva es (VC). Como resultado, V.C = IKSC (donde KsC es 1/2πfc) y está 90 grados detrás de la corriente (en un circuito de carga capacitiva pura, la corriente se adelanta al voltaje en 90 grados). El voltaje aplicado es igual a la suma vectorial de las dos caídas de voltaje (V).
Ahora en el triángulo rectángulo OMN
V=\skrt{{V}_{R}^{2}+{V}_{C}^{2}}=I\skrt{{R}^{2}+{Ks}_{C}^ {2}}
Entonces I=V/Z donde Z= √R2 +k2C
La oposición total que se presenta al flujo de corriente en un circuito serie RC se conoce como Z, y se define como la impedancia total del circuito. Esto se mide en ohmios.