Este es el circuito de un diferenciador RC básico, con las formas de onda de voltaje de entrada/salida.
Sé que es una pregunta sencilla, pero por favor ayúdame a entender este circuito básico, gracias.
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La tensión negativa es un poco inesperada si se sabe que no hay una alimentación negativa. Pero tiene sentido cuando miramos la tensión a través del condensador. Cuando se aplica la alimentación por primera vez, la tensión a ambos lados del condensador es cero. Iniciamos la onda cuadrada y la entrada pasa a 5 V. Los condensadores son reacios a tener cambios rápidos de tensión a través de ellos. Tendrás que suministrar mucha corriente para cargarlos rápidamente. Pero la resistencia no lo permite, así que lo que ocurre inicialmente es que el lado derecho del condensador sigue la entrada; también salta a +5 V, y luego se carga lentamente a través de la resistencia. (Ten en cuenta que cargar aquí significa disminuir la tensión, ya que la tensión en la entrada es positiva).
Cuando la entrada llega a cero, ocurre algo similar. De nuevo la salida seguirá a la entrada porque el voltaje no cambiará tan rápido. Pero la entrada estaba a 5 V y la salida a 0 V. Así que cuando la entrada se sumerge a cero, y el condensador mantendrá los 5 V a través de él la salida tiene que ir a - 5 V.
He añadido una tercera curva a tu dibujo. La de arriba es la de entrada, la del medio es la de salida, y la de abajo es la diferencia entre ambas, es decir, el voltaje a través del condensador. Puedes ver que sigue el conocido patrón de carga-descarga, sin cambios rápidos de tensión.
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La bajada de tensión(*) se debe a la resistencia. Bajará exponencialmente la tensión de salida a un ritmo determinado por la constante de tiempo RC. Después de 1 tiempo RC la tensión habrá bajado al 37 % (1/e), después de unos 5 tiempos RC al 1 % (regla general).
Esta es otra forma de verlo:
Los bordes negativos son causados por la alta frecuencia de los bordes. Un borde tiene un amplio espectro, cuanto más pronunciado sea el borde, más amplio será el espectro. A diferencia de las frecuencias más bajas, esas altas frecuencias pasarán a través del condensador casi sin atenuarse. Así que si la entrada muestra un borde negativo que va de 5 V a 0 V tendrás un borde de 5 V que va en negativo a la salida. Si el nivel está cerca de cero en ese momento el voltaje irá a -5 V. Si la constante de tiempo RC fuera mayor el voltaje no habrá caído tanto, y el pulso negativo puede ir por ejemplo de +2 V a -3 V.
(*) He utilizado mal la palabra "descarga" aquí, que, como zebonauta señaló acertadamente, es un error. Lo que estás haciendo es cargando el condensador. La entrada estará a +5 V y también la salida por un momento, ya que no hay cambio en el condensador. A medida que la tensión de salida disminuye, la tensión a través del condensador aumenta lo que significa que obtiene cargado No se ha dado de alta.
Pero mi punto es que el condensador no debe descargarse hasta que la señal sea 1 (5v), ya que puede recuperar las cargas descargadas de la fuente de alimentación y la tensión a través de la resistencia (tensión de salida) seguirá siendo la misma que la tensión más alta posible.
@nishu - tu (acertado) dibujo demuestra que eso no es cierto. El condensador y la resistencia forman un divisor de tensión en el que las bajas frecuencias tienen una alta atenuación porque la impedancia de la tapa es entonces mucho mayor que la de la resistencia. Así que las bajas frecuencias se filtran, y la CC desaparece por completo. Aplique un voltaje de paso a la entrada, y la salida verá las altas frecuencias del paso, pero después de un corto tiempo (5 RC) la salida se vuelve cero. Esto se debe a que la entrada sólo tiene CC, que se bloquea, por lo que no hay nada en la salida.
@stevenvh - Estoy de acuerdo con la segunda parte de tu respuesta, pero no estoy seguro de que la primera parte sea correcta. Si quieres descargar un condensador usando una resistencia, debes conectar la resistencia en paralelo al condensador. Aquí, es una conexión en serie, por lo que al menos para que IN pase de bajo a alto, sugiero una explicación utilizando un evento de carga. Mientras la entrada permanece estable en alto, no se produce ninguna descarga.
Resumiendo: Para una transición de bajo a alto de su señal de entrada, su condensador no está descargado, está cargado y permanece cargado hasta que se produce la transición de alto a bajo.
Sin embargo, esta es la historia larga:
Nos tomamos la libertad de empezar con las posiciones cambiadas de R y C; nótese que I en = I C = I R Así que realmente se nos permite hacer esto (KCL). Esta es la imagen que normalmente se ve para un condensador que se carga a través de una resistencia, por lo que puede valer la pena el esfuerzo:
Podemos ver cómo C se carga según la constante de tiempo RC y según la magnitud del paso de tensión de entrada de 0 V a V en . Además, podemos ver cómo el voltaje que queda a través de la resistencia en la parte superior del condensador es menor cuanto más cargamos el condensador: V R = V en - V C . Esto casi responde ya a tu primera pregunta sobre la disminución de la tensión de salida; sólo tenemos que dar la vuelta a esta configuración.
Aquí está su circuito original de nuevo, con algunos símbolos que necesitaremos para la explicación, la suposición de que no tenemos carga, y las ecuaciones que muestran V fuera para C en la parte superior y R en la inferior.
Podemos imaginar cómo la placa superior de C permanece en V en La placa inferior se carga hacia 0 V y, finalmente, no queda tensión en la resistencia, entre la placa inferior y 0 V.
Esto responde finalmente a la primera parte de tu pregunta (¿Por qué se descarga C?) - No está descargada, realmente está cargada; sólo que no estamos mirando la placa superior, sino la placa inferior conectada a la resistencia, siendo arrastrada gradualmente hacia abajo a través de R.
Ahora, recordemos que la tensión de salida es igual a la tensión a través de la resistencia. V fuera = V R = R × I R y, de nuevo, asumiendo que yo fuera = 0 (carga despreciable), V fuera = R × I C . En otras palabras, la tensión de salida es proporcional a la corriente de carga del condensador, escalada por el valor de la resistencia R.
Un paso de bajo a alto de la señal de entrada creará así un pico positivo a través de R, como ya hemos calculado. Cuando invertimos todo, vemos cómo un paso de alto a bajo creará un pico negativo porque la corriente a través de C está fluyendo en la dirección opuesta a la flecha que hemos utilizado para I C - que responde a la segunda parte de tu pregunta ("¿Por qué tenemos un pico negativo en la salida?").
Si quieres (¡y me parece divertido!), puedes hacer más dibujos y calcular tú mismo el evento de alta y baja.
El primer paso para entenderlo es comprender la naturaleza del "voltaje". Para ello, hay que entender ("grok") la ley de Ohm.
La ley de Ohm nos dice que la tensión de salida, que aparece a través de la resistencia, está determinada por la corriente a través de la resistencia. Cuando la tensión de entrada aumenta por primera vez, la corriente fluye a través del condensador y de la resistencia.
Entonces el condensador se carga. Cuando se carga, la corriente deja de fluir a través de él. También deja de fluir a través de la resistencia. Ahora el voltaje a través de la resistencia es cero.
Entienda esto y podrá resolver el resto.
La resistencia y el condensador están conectados en serie. Para entenderlo, hay que comprender cómo fluye la corriente a través de él. Es obvio que para una entrada de CC constante, la corriente debe ser cero después de algún tiempo, ya que el condensador es como un circuito abierto para la excitación de CC. La corriente es mayor en el momento en que se aplica la tensión de entrada en el circuito RC, y después cae exponencialmente. Dado que la salida es el producto de una resistencia constante y una corriente que cae exponencialmente, esta es la razón por la que la tensión de salida cae mientras la tensión de entrada sigue ahí.
En segundo lugar, cuando haces un cambio repentino en la entrada, este cambio afecta inmediatamente a otra placa del condensador, ya que no puedes cambiar repentinamente el voltaje a través de las placas del condensador (necesitarías una corriente infinita para ello). Cuanto más pequeña sea la resistencia, el circuito RC está más cerca de ser un diferenciador perfecto. Puedes simularlo en
http://www.cirvirlab.com/simulation/r-c_circuit_differentiator_online.php
Inicialmente ambos tamaños del condensador tienen el mismo voltaje (vdiff = 0), no importa si vin (lado A del cap) es 0 o 5v o cualquier cosa, vout (lado B del cap) será el mismo. Así que cuando la onda cuadrada se dispara a 5v en el momento 0 vout también se dispara a 5v. a medida que pasa el tiempo la tapa se está cargando por lo que el lado b de la tapa (o vout) se convierte en 0v. Ahora vdiff a través de la tapa es 5v. cuando la onda cuadrada cae a 0v, ya que vdiff a través de la tapa debe mantener 5v, ESTO hace que vout (o lado b de la tapa para leer -5v. Así que la clave es vdiff a través de la tapa, ¿entiendes? bien
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+1, bonito diagrama. Además, tu pregunta puede parecer sencilla, ¡pero no es trivial!