RC回路のしくみ

RC回路では、R（抵抗）とC（コンデンサ）の組み合わせが特定の構成で使用され、電流の流れを調整して、目的の条件を実装します。

一つ コンデンサの主な用途 ACは通過できるが、DCはブロックするカップリングユニットの形式です。ほとんどすべての実際の回路では、コンデンサと直列に結合されたいくつかの抵抗が見られます。

抵抗は電流の流れを制限し、供給電圧に比例して電荷をコンデンサに蓄積させることにより、コンデンサに供給される供給電圧の両端にいくらかの遅延を引き起こします。

RC時定数

RC時間（T）を決定する式は非常に簡単です。

T = RCここで、T =秒単位の時定数R =メガオーム単位の抵抗C =マイクロファラッド単位の静電容量。

（RがオームでCがファラッドの場合、Tの数値はまったく同じであることがわかりますが、実際には、メガオームとマイクロファラッドの方がはるかに簡単な単位であることがよくあります。）

RC回路では、RC時定数は、コンデンサの両端に印加された電圧が印加電圧の63％に達するまでにかかる時間として定義できます。

（この63％の大きさは、計算を容易にするために実際に推奨されます）。下の図に示すように、実際には、コンデンサの両端の電圧は、印加電圧の実質的に（ただし完全にではなく）100％まで蓄積され続ける可能性があります。

時定数要素は、時間係数の形式で時間の長さを示します。たとえば、RCネットワークの1つの時間係数では、63％の合計電圧が蓄積され、2X時定数の後の期間では、80％の合計電圧が内部に蓄積されます。コンデンサなど。

5の時定数の後、ほぼ（完全ではありませんが）100％の電圧がコンデンサの両端に蓄積する可能性があります。コンデンサの放電係数は、基本的に同じ方法で発生しますが、逆の順序で発生します。

つまり、時定数5に等しい時間間隔の後、コンデンサに印加される電圧は、100〜63 =全電圧の37％などの低下を達成します。

コンデンサが完全に充電または放電されることはありません

理論的には、少なくとも、コンデンサは完全に印加された電圧レベルまで充電することはできず、完全に放電することもできません。

実際には、フル充電または全放電は、5つの時定数に対応する期間内に達成されたと見なすことができます。

したがって、以下に示す回路では、スイッチ1に電力を供給すると、5x時定数秒でコンデンサが「完全に」充電されます。

次に、スイッチ１が開かれると、コンデンサは、実際に印加された電圧に等しい電圧を蓄積する状況にある可能性がある。また、コンデンサの内部リークがゼロであれば、この電荷を無期限に保持します。

現実の世界では完全なコンデンサはあり得ないため、電荷を失うこのプロセスは実際には非常に遅くなりますが、特定のかなりの期間、この蓄積された電荷は元の「フル充電」電圧の効果的なソースであり続ける可能性があります。

コンデンサに高電圧を印加すると、回路の電源を切った後でも、コンデンサに触れた場合にすぐに感電する可能性があります。

上の2番目の図に示すように充電/放電のサイクルを実行するために、スイッチ2が閉じると、コンデンサは接続された抵抗を介して放電を開始し、放電プロセスを完了するのにある程度の時間がかかります。

弛緩発振器のRCコンビネーション

上の図は、コンデンサの基本的な充放電理論を使用して動作する非常に基本的な緩和発振回路です。

これには、DC電圧源に直列に配線された抵抗（R）とコンデンサ（C）が含まれています。回路の動作を物理的に確認できるようにするために、 ネオンランプ コンデンサと並列に使用されます。

ランプは、電圧がしきい値電圧制限に達するまで、実質的に開回路のように動作します。電圧がしきい値電圧制限に達すると、ランプは瞬時にオンになり、導体のように電流を流して点灯し始めます。したがって、この電流の供給電圧源は、ネオントリガー電圧の供給源電圧よりも高くなければなりません。

使い方

回路の電源がオンになると、コンデンサはRC時定数によって決定されるようにゆっくりと充電を開始します。ランプは、コンデンサの両端に発生する上昇電圧を受け取り始めます。

コンデンサの両端のこの電荷がネオンの点火電圧に等しい値に達すると、ネオンランプが導通して点灯し始めます。

これが発生すると、ネオンがコンデンサの放電経路を作成し、コンデンサが放電を開始します。これにより、ネオンの両端の電圧が低下し、このレベルがネオンの点火電圧を下回ると、ランプがオフになり、シャットダウンします。

このプロセスは続行され、ネオンが点滅します。点滅速度または周波数はRC時定数値に依存します。RC時定数値は、低速点滅または高速点滅のいずれかを有効にするように調整できます。

図に示すようにコンポーネントの値を考慮すると、回路の時定数T = 5（メガオーム）x 0.1（マイクロファラッド）= 0.5秒です。

これは、RC値を変更することにより、個々の好みに応じてネオンの点滅速度を適宜変更できることを意味します。

AC回路のRC構成

ACがRC構成で使用される場合、電流の交流の性質により、ACの半サイクルがコンデンサを効果的に充電し、同様に次の負の半サイクルで放電されます。これにより、ACサイクル波形の極性の変化に応じて、コンデンサが交互に充電と放電を行います。

このため、事実上、AC電圧はコンデンサに蓄積されず、コンデンサを通過することができます。ただし、この電流の通過は、回路のパスにある既存のRC時定数によって制約されます。

RCコンポーネントは、印加電圧の何パーセントがコンデンサを充電および放電するかによって決まります。同時に、コンデンサは、リアクタンスが基本的に電力を消費しない場合でも、リアクタンスを介してACの通過に対してわずかな抵抗を提供することもできます。その主な影響は、RC回路に含まれる周波数応答にあります。

AC回路でのRCカップリング

オーディオ回路の特定のステージをコンデンサを介して別のステージに結合することは、一般的で広く行われている実装です。静電容量は独立して使用されているように見えますが、実際には、以下に示すように、「負荷」という用語で表される積分直列抵抗に関係している可能性があります。

この抵抗は、コンデンサの助けを借りて、特定の時定数の生成に関与する可能性のあるRCの組み合わせを生じさせます。

この時定数が、あるステージから別のステージに転送される入力AC信号周波数の仕様を補完することが重要です。

オーディオアンプ回路の例を想定すると、入力周波数の最大範囲は約10kHzになります。この種の周波数の周期は1 / 10,000 = 0.1ミリ秒になります。

とはいえ、この周波数を可能にするために、各サイクルは、結合コンデンサ機能に関して2つの充電/放電特性を実装します。1つは正、もう1つは負です。

したがって、単独の充電/放電機能の期間は0.05ミリ秒になります。

この機能を有効にするために必要なRC時定数は、給電AC電圧レベルの63％に到達するために、0.05ミリ秒の値を満たさなければならず、印加電圧の63％を超える通過を可能にするために本質的にいくらか小さくなければなりません。

RC時定数の最適化

上記の統計は、使用するカップリングコンデンサの可能な限り最良の値に関するアイデアを提供します。

これを説明するために、低電力トランジスタの通常の入力抵抗が約1kであるとしましょう。最も効果的なRC結合の時定数は0.05ミリ秒（上記を参照）である可能性があり、これは次の計算で達成できます。

0.05 x 10 = 1,000 xCまたはC = 0.05 x 10^-9ファラッド= 0.50 pF（または、63％を超える電圧がコンデンサを通過できるため、わずかに低くなる可能性があります）。

実際には、1µFまたはそれ以上の大きさのはるかに大きな静電容量値を実装できます。これは通常、改善された結果を提供する可能性がありますが、逆に、AC結合伝導の効率の低下を引き起こす可能性があります。

また、計算によれば、実際のコンデンサが結合回路に実装されている場合、AC周波数が高くなると容量結合はますます非効率になります。

FILTERCIRCUITSでのRCネットワークの使用

として実装された標準のRC配置 フィルタ回路 下の図に示されています。

入力側を見ると、容量性リアクタンスと直列に接続された抵抗があり、2つの要素の間に電圧降下が発生しています。

コンデンサのリアクタンス（Xc）がたまたまRよりも高い場合、入力電圧のほとんどすべてがコンデンサの両端に蓄積されるため、出力電圧は入力電圧と同じレベルになります。

コンデンサのリアクタンスは周波数に反比例することがわかっています。これは、AC周波数を上げるとリアクタンスが減少し、出力電圧が比例して増加することを意味します（ただし、入力電圧のかなりの部分が抵抗によって低下します） ）。

臨界周波数とは

AC信号の効率的な結合を確実にするために、臨界周波数と呼ばれる要因を考慮する必要があります。

この周波数では、リアクタンス値要素が非常に悪影響を受ける傾向があるため、このような状態では、カップリングコンデンサが効率的に導通する代わりに信号をブロックし始めます。

このような状況では、ボルト（出力）/ボルト（入力）の比率が急速に低下し始めます。これは、基本的な図形式で以下に示されています。

ロールオフポイントまたはカットオフ周波数（f）と呼ばれる臨界点は、次のように評価されます。

fc = 1 /2πRC

ここで、Rはオーム、Cはファラッド、 円周率 = 3.1416

しかし、前の説明から、RC =時定数Tであることがわかっているため、方程式は次のようになります。

fc = 1 /2πT

ここで、Tは秒単位の時定数です。

このタイプのフィルターの動作効率は、カットオフ周波数と、ボルト（入力）/ボルト（出力）比がカットオフ周波数のしきい値を超えて低下し始める速度によって特徴付けられます。

後者は一般に、dBとボルト（入力）/ボルト（出力）比の関係を示し、正確な周波数応答を提供する次の図に示すように、オクターブあたり（一部）dB（2倍の周波数ごと）として表されます。曲線。

RCローパスフィルター

名前が示すように、 ローパスフィルター 信号強度の損失または減衰を最小限に抑えながら、カットオフ周波数未満のAC信号を通過させるように設計されています。カットオフ周波数を超える信号の場合、ローパスフィルターは減衰を増加させます。

これらのフィルターの正確なコンポーネント値を計算することが可能です。例として、アンプで通常使用される標準のスクラッチフィルタを構築して、たとえば10kHzを超える周波数を減衰させることができます。この特定の値は、フィルターの意図されたカットオフ周波数を示します。

RCハイパスフィルター

ハイパスフィルターは、逆に動作するように設計されています。これらは、カットオフ周波数より下に表示される周波数を減衰させますが、設定されたカットオフ周波数以上のすべての周波数を減衰なしで許可します。

このハイパスフィルターの実装を実現するには、以下に示すように、回路内のRCコンポーネントを相互に交換するだけです。

ハイパスフィルターは、ローパスフィルターに似ています。これらは一般に、アンプやオーディオデバイスで使用され、固有の不要な低周波数によって生成されるノイズや「ランブル」を取り除きます。

除去される選択されたカットオフ周波数は、「良好な」低音応答と競合しないように十分に低くする必要があります。したがって、決定される大きさは通常15〜20Hzの範囲です。

RCカットオフ周波数の計算

正確には、このカットオフ周波数を計算するには同じ式が必要です。したがって、カットオフしきい値として20 Hzを使用すると、次のようになります。

20 = 1 / 2 x 3.14 x RC

RC = 125。

これは、製品が125になるようにRCネットワークが選択されている限り、20Hz信号未満で目的のハイパスカットオフが有効になることを示しています。

実際の回路では、このようなフィルターは通常、 プリアンプステージ 、または既存のトーン制御回路の直前のアンプ内。

ために Hi-Fiデバイス 、これらのカットオフフィルター回路は通常、ここで説明したものよりもはるかに洗練されており、カットオフポイントをより高い効率とピンポイント精度で実現します。

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