Капацитивен делител на напрежението

В този пост научаваме как капацитивните схеми на делители на напрежение работят в електронни схеми, чрез формули и решени примери.

От: Dhrubajyoti Biswas

Какво е мрежа за разделяне на напрежението

Говорейки за верига на делителя на напрежението, важно е да се отбележи, че напрежението в делителната верига се разпределя еднакво между всички съществуващи компоненти, свързани с мрежата, въпреки че капацитетът може да варира в зависимост от състава на компонентите.

Верижна делителна верига може да бъде изградена от реактивни компоненти или дори от неподвижни резистори.

Въпреки това, в сравнение с капацитивни разделители на напрежение, резистивните разделители остават незасегнати от промяната на честотата в захранването.

Целта на настоящата статия е да даде подробно разбиране на капацитивните делители на напрежението. Но за да получите по-голяма представа, жизненоважно е да детайлизирате капацитивната реактивност и нейното въздействие върху кондензаторите при различни честоти.

Кондензаторът е направен от две проводими плочи, разположени успоредно една на друга, които са допълнително разделени с изолатор. Тези две плочи имат един положителен (+) и друг отрицателен (-) заряд.

Когато кондензаторът се зареди изцяло чрез постоянен ток, диелектрикът [популярно наричан изолатор] блокира токовия поток през плочите.

Друга важна характеристика на кондензатор в сравнение с резистор е: Кондензаторът съхранява енергия върху проводимите плочи по време на зареждане, което резисторът не, тъй като винаги има тенденция да отделя излишната енергия като топлина.

Но енергията, съхранявана от кондензатор, се предава към веригите, които са свързани с него по време на процеса му на разреждане.

Тази характеристика на кондензатор за съхранение на заряда се нарича реактивност и по-нататък като капацитивна реактивност [Xc], за която Ohm е стандартната мерна единица за реактивно съпротивление.

Разреден кондензатор, когато е свързан към захранване с постоянен ток, реактивното съпротивление остава ниско в началния етап.

Значителна част от тока протича през кондензатора за кратък диапазон, което принуждава проводящите плочи да се зареждат бързо и това в крайна сметка инхибира всяко по-нататъшно преминаване на ток.

Как кондензаторът блокира DC?

В резистор, кондензаторна серийна мрежа, когато периодът от време достигне величина 5RC, проводимите пластини на кондензатора се зареждат напълно, което означава, че зарядът, получен от кондензатора, е равен на захранващото напрежение, което спира всеки по-нататъшен токов поток.

Освен това, реактивното съпротивление на кондензатора в тази ситуация под въздействието на постояннотоковото напрежение достига до максимално състояние [мегаома].

Кондензатор в променливотоково захранване

По отношение на използването на променлив ток [AC] за зареждане на кондензатор, при което потокът на променлив ток винаги е редувано поляризиран, кондензаторът, приемащ потока, се подлага на постоянно зареждане и разреждане през неговите плочи.

Сега, ако имаме постоянен токов поток, тогава също трябва да определим стойността на реактивно съпротивление, за да ограничим потока.

Фактори за определяне на стойността на капацитивното съпротивление

Ако погледнем назад към капацитета, ще открием, че количеството на заряда върху проводимите плочи на кондензатор е пропорционално на стойността на капацитета и напрежението.

Сега, когато кондензатор получава токов поток от променлив вход, захранването с напрежение преминава през постоянна промяна в стойността му, което неизменно променя стойността на плочите твърде пропорционално.

Сега нека разгледаме ситуация, при която кондензатор съдържа по-висока стойност на капацитета.

В тази ситуация съпротивлението R изразходва повече време за зареждане на кондензатора τ = RC. Това означава, че ако зареждащият ток тече за по-дълъг период от време, съпротивлението записва по-малка стойност Xc, в зависимост от определената честота.

По същия начин, ако стойността на капацитета е по-малка в кондензатор, тогава за зареждане на кондензатора е необходимо по-кратко RC време.

Това по-кратко време води до поток на ток за по-кратък период от време, което води до сравнително по-малка стойност на реактивно съпротивление, Xc.

Следователно е очевидно, че при по-високи токове стойността на реактивното съпротивление остава малка и обратно.

По този начин капацитивното съпротивление винаги е обратно пропорционално на стойността на капацитета на кондензатора.

XC ∝ -1 C.

Жизненоважно е да се отбележи, че капацитетът не е единственият фактор за анализ на капацитивната реактивност.

С ниска честота на приложеното променливо напрежение, реактивното съпротивление се развива повече време въз основа на разпределената RC времева константа. Освен това, той също блокира тока, показвайки по-висока стойност на реактивно съпротивление.

По същия начин, ако приложената честота е висока, реактивното съпротивление позволява по-малък цикъл от време за процеса на зареждане и разреждане.

Освен това по време на процеса той получава по-голям токов поток, което води до по-ниско съпротивление.

Така че това доказва, че импедансът (променливото съпротивление) на кондензатор и неговата величина зависят от честотата. Следователно, по-високата честота води до по-ниско реактивно съпротивление и обратно и следователно може да се заключи, че капацитивната реактивност Xc е обратно пропорционална на честотата и капацитета.

Споменатата теория на капацитивното съпротивление може да бъде обобщена със следното уравнение:

Xc = 1 / 2πfC

Където:

· Xc = Капацитивен реактант в ома, (Ω)


· Π (pi) = числова константа от 3.142 (или 22 ÷ 7)


· Ƒ = Честота в херци, (Hz)


· C = капацитет във Фарад, (F)

Капацитивен делител на напрежението

Този раздел ще има за цел да предостави подробно обяснение относно това как честотата на захранване засяга два кондензатора, свързани обратно към гърба или последователно, по-добре наречени като капацитивен делител на напрежението.

Капацитивна верига за разделяне на напрежението

За да илюстрираме функционирането на капацитивен делител на напрежението, нека се обърнем към схемата по-горе. Тук C1 и C2 са последователно и свързани към променливотоково захранване от 10 волта. Тъй като са последователно и двата кондензатора получават еднакъв заряд, Q.

Напрежението обаче ще остане различно и също зависи от стойността на капацитета V = Q / C.

Като се има предвид фигура 1.0, изчисляването на напрежението в кондензатора може да се определи по различни начини.

Единият вариант е да се установи общият импеданс на веригата и токът на веригата, т.е.да се проследи стойността на капацитивното съпротивление на всеки кондензатор и след това да се изчисли спадът на напрежението върху тях. Например:

ПРИМЕР 1

Съгласно фигура 1.0, с C1 и C2 съответно 10uF и 20uF, изчислете средно ефективни спада на напрежението, възникващи в кондензатора в ситуация на синусоидално напрежение от 10 волта rms при 80Hz.

Кондензатор C1 10uF
Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 80 x 10uF x 10-6 = 200 Ohm
C2 = 20uF кондензатор
Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 8000 x 22uF x 10-6 = 90
Ом

Общо капацитивно реактивно съпротивление

Xc (общо) = Xc1 + Xc2 = 200Ω + 90Ω = 290Ω
Ct = (C1 x C2) / (C1 + C2) = 10uF x 22uF / 10uF + 22uF = 6.88uF
Xc = 1 / 2πfCt = 1/1 / 2π x 80 x 6.88uF = 290Ω

Ток във веригата

I = E / Xc = 10V / 290Ω

Напрежението серийно спада и за двата кондензатора. Тук капацитивният делител на напрежението се изчислява като:

Vc1 = I x Xc1 = 34,5mA x 200Ω = 6,9V
Vc2 = I x Xc2 = 34.5mA x 90Ω = 3.1V

Ако стойностите на кондензаторите се различават, кондензаторът с по-малка стойност може да се зареди до по-високо напрежение в сравнение с голямото.

В пример 1 регистрираното напрежение е 6,9 и 3,1 за C1 и C2 съответно. Сега, тъй като изчислението се основава на теорията за напрежението на Kirchoff, следователно общият спад на напрежението за отделен кондензатор е равен на стойността на захранващото напрежение.

ЗАБЕЛЕЖКА:

Съотношението на спада на напрежението за двата кондензатора, което е свързано към последователна капацитивна делителна верига на напрежението, винаги остава същото, дори ако има честота в захранването.

Следователно, съгласно Пример 1, 6,9 и 3,1 волта са еднакви, дори ако захранващата честота е увеличена от 80 до 800Hz.

ПРИМЕР 2

Как да намерим спада на напрежението на кондензатора, като използваме същите кондензатори, използвани в пример 1?

Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 8000 x 10uF = 2 Ohm

Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 8000 x 22uF = 0.9 Ohm

I = V / Xc (общо) = 10 / 2,9 = 3,45 ампера

Следователно Vc1 = I x Xc1 = 3.45A x 2Ω = 6.9V

И, Vc2 = I x Xc2 = 3.45A x 0.9 Ω = 3.1V

Тъй като съотношението на напрежението остава същото за двата кондензатора, с увеличаване на честотата на захранване, неговото въздействие се наблюдава под формата на намаляване на комбинирания капацитивен реактивоспособност, както и на общия импеданс на веригата.

Намаленият импеданс причинява по-голям поток на ток, например, токът на веригата при 80Hz е около 34,5mA, докато при 8kHz може да има 10 пъти увеличение на захранването с ток, което е около 3,45A.

Така че може да се заключи, че потокът на ток през капацитивен делител на напрежението е пропорционален на честотата, I ∝ f.

Както беше обсъдено по-горе, капацитивните разделители, които включват серия от кондензатори, свързани, всички падат на променливо напрежение.

За да разберете правилния спад на напрежението, капацитивните разделители вземат стойността на капацитивното съпротивление на кондензатор.

Следователно, той не работи като разделители за постояннотоково напрежение, тъй като в постоянен ток кондензаторите спират и блокират тока, което причинява нулев токов поток.

Разделителите могат да се използват в случаите, когато захранването се задвижва от честотата.

Има широка гама от електронни приложения на капацитивен делител на напрежението, от устройство за сканиране на пръсти до осцилатори Colpitts. Също така се предпочита широко като евтин заместник за мрежов трансформатор, където се използва капацитивен делител на напрежението, за да се намали високият мрежов ток.