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¿Qué tensión esperar en la resistencia del circuito RC?

Por favor, ayúdame a entender cómo cambia la señal de voltaje en la resistencia en el circuito RC adjunto.

Mi expectativa sería que cuando la fuente de la señal de tensión alterna (PR2) está en la parte positiva de su señal senoidal, la tensión medida en la resistencia (PR4) será realmente negativa.

Supongo que esto es así porque, a mi entender, en este momento concreto el lado del condensador conectado a la resistencia debería contener carga negativa.

Pero como verás en la imagen adjunta la simulación de dicho circuito (diseñado en multisim.com) muestra que la tensión medida en la resistencia tiene la misma polaridad que la tensión medida en el condensador. ¿Cómo es posible? ¿No está violando la física de la asignación de carga en el condensador?

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Añadido (29 de julio de 2022) simulación de circuitos para series de condensadores enter image description here

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Kuba Ober Puntos 1474

Supongo que esto es así porque, a mi entender, en este momento concreto el lado del condensador conectado a la resistencia debería contener carga negativa.

El comportamiento observable externamente del condensador depende del cargo neto almacenado en él. La distribución interna de la carga entre las placas es un "detalle de implementación". En una primera aproximación, no influye en el comportamiento del condensador.

La tensión en el condensador es proporcional a la carga neta almacenada, y el factor de proporcionalidad es el recíproco de la capacitancia. 1F = 1C/1V, por definición.

Como el condensador se descarga inicialmente, la tensión a través de él debe ser cero, ya que la carga neta es cero. Por supuesto, esto no significa que no haya portadores de carga en el interior del condensador: los hay, pero su influencia en el potencial de campo eléctrico (¡tensión!) entre las placas es igual a cero.

Equivalentemente, un condensador descargado actúa instantáneamente como un cortocircuito: una fuente de tensión puesta a 0V, por definición. Esto responde a tu pregunta de por qué la tensión "atraviesa" el condensador. Cuando está descargado, la tensión a través del condensador es cero, por lo que el potencial a ambos lados del condensador debe ser igual : eso es lo que voltaje cero significa ¡! La tensión es la diferencia de potencial del campo eléctrico entre dos puntos. Un condensador descargado mantiene el mismo potencial a ambos lados del mismo. Por lo tanto, la tensión "pasa a través". O, más claramente, el campo eléctrico lo atraviesa sin cambio de potencial. Una vez que la carga neta del condensador es distinta de cero, se produce un cambio "escalón" en el potencial del campo eléctrico visto desde el exterior de las placas. Internamente, el potencial de campo cambia de forma continua.

La única forma de cambiar la tensión en el condensador es cambiando su carga neta, y para ello debe circular una corriente. Por lo tanto, en cualquier momento, un condensador es sólo una fuente de tensión, con el tarifa de cambio de tensión proporcional a la corriente instantánea e inversamente proporcional a la capacitancia. Pero, como estamos viendo un punto en el tiempo, hay un voltaje instantáneo definido a través del condensador, y en ese momento actúa como si fuera una fuente de voltaje.

Para el análisis estático de CC, como se hace en SPICE por ejemplo, la tensión de origen por defecto en los condensadores se establece en cero, pero no tiene por qué ser así - puedes establecerla en lo que creas que se ajustará mejor al punto de funcionamiento del circuito, para acelerar la convergencia de la solución.

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Justme Puntos 201

Abordar el circuito desde muchos aspectos diferentes, no tiene mucho efecto.

Así que la respuesta a tu pregunta es, el voltaje de salida esperado en la resistencia es aproximadamente el mismo que el voltaje de entrada, ya que el condensador no tiene tiempo de acumular suficiente carga para tener cualquier voltaje significativo sobre él, por lo que si el voltaje del condensador se aproxima a ser siempre cero, entonces Vout = Vin.

  1. Es un filtro paso alto de 1er orden con una frecuencia de corte de 1,6 Hz. Si dibujas un diagrama de Bode con esa aproximación, no tiene ningún efecto para una señal de 10 Hz.

  2. Es un divisor de tensión, con 1k en la parte inferior, y a 10 Hz, el condensador de 100 uF tiene una impedancia de 159 ohmios, que es mucho menor que 1k. Una vez más la aproximación debe basarse en que las impedancias son alrededor de una década de diferencia, que no hace mucho. Por lo tanto la salida está mucho más cerca de la señal de entrada que 0V. La salida es aproximadamente el 86% de la entrada.

  3. La red RC tiene una constante de tiempo (Tau) de 0,1 segundos. Para un escalón de tensión tardará 0,1 segundos hasta que el condensador se haya cargado al 63% de la tensión de entrada, y 0,5 segundos hasta que el condensador se haya cargado al 99%. Así que alimentándolo incluso con una señal de onda cuadrada de 10 Hz que tiene un periodo de 0,1 segundos cargaría el condensador al 39% y lo descargaría al 0%.

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Gareth Cho Puntos 16

Una forma de pensar en un condensador es verlo como una fuente de tensión cuya tensión es igual a la del condensador en un momento dado.

En el momento cero, la tensión del condensador es cero, por lo que la tensión a través de la resistencia es igual a la tensión de la fuente de CA.

A medida que pase corriente por el condensador, éste se cargará un poco. Digamos que en el tiempo uno, se ha cargado a 0,5 V. En ese caso la tensión a través de la resistencia pasa a ser: Vresistor = Vac - Vcap = Vac (t=1) - 0.5 V

Si tienes en cuenta que el voltaje del condensador no puede cambiar instantáneamente, y haces un seguimiento de su voltaje de un momento a otro basándote en el voltaje que tenía el momento anterior más o menos el voltaje adicional causado por la corriente que atravesó el condensador entre el momento actual y el anterior, obtendremos las gráficas que adjuntas.

También existen ecuaciones fasoriales que siguen todo este proceso y pueden describir la situación en un momento dado. Pero yo recomendaría entender primero el proceso sustituyendo el condensador, en un momento dado, por una fuente de tensión de la misma tensión que la del condensador en ese mismo momento. Por ejemplo, elige un punto de la gráfica, comprueba la tensión de la fuente de corriente alterna y la del condensador, y a partir de ahí calcula la tensión de la resistencia y la corriente. A continuación, compruebe que en el momento siguiente la tensión a través del condensador cambia en función de la corriente que encontró para el momento anterior (aumenta si la corriente fluye desde el lado de tensión positiva momentánea del condensador a su lado negativo momentáneo menos positivo y viceversa - qué lado es positivo y negativo cambia con el tiempo, no es constante, pero en un momento dado la tensión a través del condensador es constante. Estos lados son relativos entre sí, no relativos a la fuente de CA, la resistencia o el resto del circuito).

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