深度剖析RC电路的工作原理

在RC电路中，在特定配置中使用组合或R（电阻）和C（电容器），以调节电流，以实现所需的条件。

电容器的主要用途之一是耦合单元的形式，它允许交流通过但阻止直流电。在几乎任何实际电路中，您都会看到一些电阻与电容器串联。

电阻限制了电流的流动，并通过使电容器中电荷与馈电电压成比例，在馈入电容器的电源电压上造成一些延迟。

RC 时间常数

确定RC时间（T）的公式非常简单：

T = RC，其中 T = 以秒为单位的时间常数 R = 电阻，单位为兆欧 C = 电容（以微法拉为单位）。

（可以观察到，如果R以欧姆为单位，C以法拉为单位，则T的数值完全相同，但在实践中，兆欧和微法拉通常是更容易的单位。

在RC电路中，RC时间常数可以定义为电容器两端施加的电压达到施加电压的63%所花费的时间。

（这个63%的星等实际上是为了便于计算而首选的）。在现实生活中，电容器两端的电压可能会继续累积到实际上（但永远不会完全）施加电压的100%，如下图所示。

时间常数元素以时间因子的形式表示时间长度，例如在RC网络的1个时间因子处，累积63%的总电压，在2X时间常数之后的时间段内，电容器内部建立80%的总电压;等等。

在时间常数为5之后，几乎（但不完全）100%的电压可能会在电容器上建立。电容器的放电因数以相同的基本方式出现，但顺序相反。

这意味着，在等于时间常数5的时间间隔后，施加到电容器上的电压将达到全电压的100 - 63 = 37%的下降，依此类推。

电容器永远不会充满电或放电

从理论上讲，至少电容器绝不能充电到完全施加的电压水平;它也不能完全排出。

实际上，完全充电或完全放电可以被视为在对应于 5 个时间常数的时间段内完成。

因此，在如下图所示的电路中，为开关1供电将在5倍时间常数秒内对电容器进行“完全”充电。

接下来，当开关1打开时，电容器可能处于存储等于实际施加电压的电压的情况。如果电容器的内部漏电流为零，它将无限期地保持这种电荷。

这种失去电荷的过程实际上非常缓慢，因为在现实世界中没有电容器是完美的，但是在某些相当长的时间段内，这种存储的电荷可能会继续成为原始“完全充电”电压的有效来源。

当电容器施加高电压时，即使在电路断电后，它也可以迅速处于触碰到电击的位置。

为了执行上图第二张图形所示的充电/放电周期，当开关2闭合时，电容器通过连接的电阻开始放电，并且需要一段时间才能完成其放电过程。

松弛振荡器中的RC组合

上图是一个非常基本的松弛振荡器电路，使用电容器的基本电荷放电理论工作。

它包括一个串联到直流电压源的电阻器 （R） 和电容器 （C）。为了能够从物理上看到电路的工作情况，霓虹灯与电容器并联使用。

灯的行为几乎像开路一样，直到电压达到其阈值电压限制，这时它立即打开并像导体一样传导电流并开始发光。因此，该电流的电源电压源必须高于氖触发电压的电源电压源。

工作原理

当电路上电时，电容器根据RC时间常数缓慢开始充电。灯开始接收在电容器两端产生的上升电压。

当电容器上的电荷达到可能等于氖灯的点火电压的值时，霓虹灯就会传导并开始点亮。

发生这种情况时，氖灯为电容器创建放电路径，现在电容器开始放电。这反过来又会导致霓虹灯两端的电压下降，当该电平低于霓虹灯的点火电压时，灯会关闭并关闭。

该过程现在继续导致霓虹灯闪烁 ON OFF。闪烁速率或频率取决于RC时间常数值，可以对其进行调整以启用慢速闪烁或快速闪烁速率。

如果我们考虑如图所示的元件值，电路的时间常数 T = 5（兆欧）x 0.1（微法拉）= 0.5 秒。

这意味着通过更改RC值，可以根据个人喜好相应地更改霓虹灯的闪烁率。

交流电路中的 RC 配置

当交流电用于RC配置时，由于电流的交流性质，交流电的一个半周期有效地为电容器充电，同样，它与下一个负半周期放电。这导致电容器根据交流周期波形的不同极替充电和放电。

因此，实际上，交流电压不会存储在电容器中，而是允许通过电容器。然而，这种电流的通过受到电路路径中现有RC时间常数的限制。

RC元件决定电容器充电和放电的施加电压的百分比。同时，电容器还可以通过电抗的方式为交流电的通过提供轻微的电阻，即使这种电抗基本上不消耗任何功率。它的主要影响是RC电路中涉及的频率响应。

交流电路中的RC耦合

通过电容器将音频电路的特定级耦合到另一级是一种常见且广泛的实现方式。虽然电容似乎是独立使用的，但实际上它可能涉及由术语“负载”表示的积分串联电阻，如下所示。

该电阻在电容器的帮助下，产生了RC组合，该组合可能负责产生一定的时间常数。

至关重要的是，该时间常数补充了从一个级传输到另一级的输入交流信号频率的规格。

如果我们假设以音频放大器电路为例，输入频率的最高范围可能约为10 kHz。这种频率的时间段周期将为 1/10，000 = 0.1 毫秒。

也就是说，为了允许该频率，每个周期在耦合电容功能方面实现两个充电/放电特性，一个是正极，一个是负极。

因此，单独充电/放电功能的时间段将为 0.05 毫秒。

启用此功能所需的RC时间常数必须满足0.05毫秒值才能达到馈电交流电压电平的63%，并且基本上略低于允许高于63%的施加电压的通过。

优化 RC 时间常数

上述统计数据为我们提供了有关要使用的耦合电容器的最佳可能值的想法。

为了说明这一点，假设低功耗晶体管的正常输入电阻约为1 k。最有效的RC耦合的时间常数可能是0.05毫秒（见上文），这可以通过以下计算来实现：

0.05 x 10 = 1，000 x C 或 C = 0.05 x 10-9法拉 = 0.50 pF（或可能略低，因为这将允许高于 63%

的电压通过电容器）。

实际上，通常可以实现更大的电容值;可以大到1μF甚至更多。这通常可以提供改进的结果，但相反，可能导致交流耦合传导效率降低。

此外，计算表明，当在耦合电路中实现实际电容器时，随着交流频率的增加，容性耦合的效率越来越低。

在滤波电路中使用RC网络

下图演示了作为滤波器电路实现的标准RC布置。

如果我们看一下输入侧，我们会发现一个电阻与容抗串联，导致两个元件上产生压降。

如果电容器电抗（Xc）恰好高于R，则几乎所有的输入电压都会在电容器上积聚，因此输出电压达到等于输入电压的水平。

我们知道电容电抗与频率成反比，这意味着，如果交流频率增加会导致电抗降低，导致输出电压的比例性增加（但输入电压的很大一部分会被电阻降低）。

什么是临界频率

为了确保交流信号的有效耦合，我们必须考虑称为临界频率的因素。

在此频率下，电抗值元件往往会受到严重影响，以至于在这种情况下，耦合电容开始阻塞信号，而不是有效导通。

在这种情况下，伏特（输出）/伏特（输入）的比率开始迅速下降。下面以基本的图表形式演示了这一点。

临界点，称为滚降点或截止频率（f），评估如下：

fc = 1 / 2πRC

其中 R 以欧姆为单位，C 以法拉为单位，π = 3.1416

但是从前面的讨论中我们知道RC = 时间常数T，因此方程变为：

fc = 1 / 2πT

其中 T 是以秒为单位的时间常数。

这种类型的滤波器的工作效率的特点是它们的截止频率和伏特（输入）/伏特（输出）比开始下降到截止频率阈值以上的速率。

后者通常表示为每倍频程（每加倍一个频率）的（一些）dB，如下图所示，它显示了dB与伏特（输入）/伏特（输出）比之间的关系，并且还提供了准确的频率响应曲线。

RC 低通滤波器

顾名思义，低通滤波器设计用于在截止频率以下传输交流信号，同时将信号强度的损耗或衰减降至最低。对于高于截止频率的信号，低通滤波器会产生更大的衰减。

可以计算这些滤波器的确切组件值。例如，可以构建放大器中常用的标准划痕滤波器，以衰减超过10 kHz的频率。此特定值表示滤波器的预期截止频率。

RC 高通滤波器

高通滤波器设计为以相反的方式工作。它们衰减低于截止频率的频率，但允许所有频率等于或高于设定截止频率，而不会衰减。

为了实现这种高通滤波器实现，电路中的RC元件只需相互交换，如下所示。

高通滤波器类似于其低通对应物。这些通常用于放大器和音频设备，以消除固有的，不需要的低频产生的噪声或“隆隆声”。

要消除的选定截止频率应足够低，以免与“良好”低音响应冲突。因此，确定的幅度通常在 15 到 20 Hz 的范围内。

计算RC截止频率

确切地说，计算此截止频率需要相同的公式，因此，以20 Hz作为截止阈值，我们有：

20 = 1 / 2 x 3.14 x RC

RC = 125。

这表明，只要选择RC网络，使其乘积为125，就可以在20 Hz信号以下实现预期的高通截止。

在实际电路中，这种滤波器通常在前置放大器级引入，或者在放大器中紧接在现有音调控制电路之前引入。

对于Hi-Fi器件，这些截止滤波电路通常比这里解释的要复杂得多，以使截止点具有更高的效率和引脚点精度。