Circuitele RC pot produce forme de undă utile, cum ar fi dreptunghiulare, triunghiulare și tip dinți de fierăstrău, când se aplică o formă de undă periodică la intrarea sa.

În tutorialele anterioare, am văzut cum un condensator are abilitatea de a se încărca și a se descărca prin intermediul unui rezistor conectat în serie. Timpul necesar pentru ca acest condensator să fie complet încărcat sau descărcat este egal cu cinci constante de timp RC sau 5T, atunci când o tensiune continuă DC este aplicată sau îndepărtată.

Dar ce s-ar întâmpla dacă am schimba această alimentare constantă DC cu o formă de undă pulsată sau undă dreptunghiulară care se schimbă în mod constant de la o valoare maximă la o valoare minimă la o rată determinată de perioada sau frecvența sa. Cum ar afecta acest lucru forma de undă RC la ieșire pentru o valoare a constantei de timp RC dată?

Am văzut anterior că condensatorul se încarcă până la 5T când se aplică o tensiune și se descarcă până la 5T când este îndepărtată. În circuitele de încărcare și descărcare RC, această valoare a constantei de timp 5T rămâne întotdeauna adevărată deoarece este fixată de combinația rezistor-condensator (RC). Atunci, timpul efectiv necesar pentru încărcarea sau descărcarea completă a condensatorului poate fi modificat numai prin schimbarea valorii fie a condensatorului însuși, fie a rezistorului din circuit și acesta este prezentat mai jos.

Formă de undă RC tipică

Forme utile de undă pot fi obținute prin utilizarea circuitelor RC cu constanta de timp necesară. Dacă aplicăm o tensiune de formă dreptunghiulară continuă la circuitul RC, a cărui lățime a impulsului se potrivește exact cu cea a constantei de timp 5RC (5T) a circuitului, atunci forma de undă de tensiune pe condensator ar arăta cam așa:

O formă de undă de intrare de 5 RC

Căderea de tensiune pe condensator alternează între încărcarea până la Vc și descărcarea până la zero în funcție de tensiunea de intrare. Aici, în acest exemplu, frecvența (și, prin urmare, perioada de timp rezultată, ƒ = 1/T) a formei de undă dreptunghiulare de intrare se potrivește exact de două ori cu cea a constantei de timp 5 RC.

Această constanta de timp (10 RC) permite condensatorului să se încarce complet în timpul perioadei "ON" (de la 0 până la 5 RC) a formei de undă de intrare și apoi să se descarce complet în timpul perioadei "OFF" (5 la 10 RC) rezultând o perfectă potrivire a formei de undă RC.

În cazul în care perioada de timp a formei de undă de intrare este mai lungă (frecvență mai mică, ƒ < 1/10 RC), de exemplu o lățime a impulsului "ON" pe jumătate, echivalentă cu "8 RC", condensatorul ar rămâne complet încărcat mai mult timp și, la fel, mai mult timp complet descărcat, producând o formă de undă RC ca mai jos.

O formă de undă de intrare mai lungă de 8 RC

Dacă totuși am redus acum perioada de timp totală a formei de undă de intrare (frecvență mai mare, ƒ> 1/10 RC), să spunem "4 RC", condensatorul nu ar avea timp suficient pentru a se încărca complet în timpul perioadei "ON" sau descărca în timpul perioadei "OFF". Prin urmare, căderea de tensiune rezultată pe condensator Vc ar fi mai mică decât tensiunea de intrare maximă, producând o formă de undă RC așa cum se arată mai jos.

O formă de undă de intrare mai scurtă 4 RC

Atunci, prin variația constantei de timp RC sau a frecvenței formei de undă de intrare, putem varia tensiunea pe condensator producând o relație între Vc și timpul t. Această relație poate fi utilizată pentru a schimba forma diferitelor forme de undă, astfel încât forma de undă de ieșire de pe condensator abia seamănă cu cea a intrării.

Răspunsul în frecvență

Integratorul RC

Integratorul este un tip de filtru Low Pass care convertește un semnal de intrare dreptunghiular într-o formă de ieșire triunghiulară. Așa cum am văzut mai sus, dacă constanta de timp 5 RC este lungă în comparație cu perioada de timp a formei de undă a intrării, rezultatul va avea o formă triunghiulară și cu cât frecvența de intrare este mai mare, cu atât amplitudinea de ieșire va fi mai mică decât cea a intrării.

Din care derivăm o ieșire ideală de tensiune pentru integrator ca:

Diferențiatorul RC

este un filtru High Pass care poate converti un semnal de intrare de formă dreptunghiulară în vârfuri de înaltă frecvență la ieșire. Dacă constanta de timp 5 RC este scurtă în comparație cu perioada de timp a formei de undă de intrare, atunci condensatorul va deveni complet încărcat mai repede înainte de următoarea modificare a ciclului de intrare.

Când condensatorul este complet încărcat, tensiunea de ieșire pe rezistor este zero. Sosirea frontului de cădere a formei de undă de intrare determină încărcarea inversă a condensatorului, dând un vârf de ieșire negativ. Atunci când unda de intrare dreptunghiulară se schimbă în timpul fiecărui ciclu, vârful de ieșire se schimbă de la o valoare pozitivă la o valoare negativă.

din care avem o ieșire de tensiune ideală pentru diferențiator ca:

Semnal de intrare sinusoidală alternativă

Dacă schimbăm acum forma de undă de intrare a acestor circuite RC cu cea a semnalului de tensiune sinusoidală forma de undă rezultată a ieșirii RC rămâne neschimbată și numai amplitudinea acesteia va fi afectată. Prin schimbarea pozițiilor rezistorului R sau a condensatorului C se poate realiza un filtru Low Pass sau un filtru High Pass de prim ordin, cu răspunsul în frecvență al acestor două circuite funcție de valoarea frecvenței de intrare.

Semnalele de frecvență joasă sunt transmise de la intrare la ieșire cu atenuare mică sau deloc, în timp ce semnalele de înaltă frecvență sunt atenuate în mod semnificativ, la aproape zero. Opusul este valabil pentru un circuit de filtru High Pass. În mod normal, punctul la care răspunsul a scăzut cu 3 dB (frecvența de tăiere ƒC) este utilizat pentru a defini lățimea de bandă a filtrelor și o pierdere de 3 dB corespunde unei reduceri a tensiunii de ieșire la 70,7 % din valoarea inițială.

Frecvența cut-off (de tăiere) a filtrului RC

unde RC este constanta de timp a circuitului definit anterior și poate fi înlocuită cu tau T. Acesta este un alt exemplu al modului în care se referă conceptele Domeniul timp și Domeniul frecvență.