Pojemnościowy dzielnik napięcia

W tym poście dowiadujemy się, jak działają obwody pojemnościowego dzielnika napięcia w obwodach elektronicznych, poprzez wzory i rozwiązane przykłady.

Autor: Dhrubajyoti Biswas

Co to jest sieć dzielnika napięcia

Mówiąc o obwodzie dzielnika napięcia, ważne jest, aby zauważyć, że napięcie w obwodzie dzielnika jest równomiernie rozłożone na wszystkie istniejące elementy związane z siecią, chociaż pojemność może się różnić w zależności od budowy elementów.

Obwód dzielnika napięcia może być zbudowany z elementów reaktywnych lub nawet z rezystorów stałych.

Jednak w porównaniu do pojemnościowych dzielników napięcia, dzielniki rezystancyjne pozostają niezmienione przy zmianie częstotliwości zasilania.

Celem tego artykułu jest szczegółowe zrozumienie pojemnościowych dzielników napięcia. Aby jednak uzyskać więcej informacji, konieczne jest szczegółowe omówienie reaktancji pojemnościowej i jej wpływu na kondensatory przy różnych częstotliwościach.

Kondensator zbudowany jest z dwóch płytek przewodzących, umieszczonych równolegle do siebie, które są dodatkowo oddzielone izolatorem. Te dwie płytki mają jeden ładunek dodatni (+) i drugi ładunek ujemny (-).

Gdy kondensator jest w pełni ładowany prądem stałym, dielektryk [popularnie nazywany izolatorem] blokuje przepływ prądu przez płyty.

Inną ważną cechą kondensatora w porównaniu z rezystorem jest: Kondensator magazynuje energię na płytkach przewodzących podczas ładowania, czego rezystor nie robi, ponieważ zawsze ma tendencję do uwalniania nadmiaru energii w postaci ciepła.

Ale energia zmagazynowana przez kondensator jest przekazywana do obwodów, które są z nim połączone podczas procesu jego rozładowywania.

Ta cecha kondensatora do przechowywania ładunku jest nazywana reaktancją, a dalej określana jako reaktancja pojemnościowa [Xc], dla której Ohm jest standardową jednostką miary reaktancji.

W przypadku rozładowanego kondensatora po podłączeniu do źródła zasilania prądem stałym reaktancja pozostaje niska na początkowym etapie.

Znaczna część prądu przepływa przez kondensator przez krótki okres, co powoduje, że płytki przewodzące szybko się ładują, co ostatecznie hamuje dalszy przepływ prądu.

Jak kondensator blokuje prąd stały?

W rezystorowej sieci szeregowej kondensatorów, gdy okres czasu osiąga wielkość 5RC, przewodzące płytki kondensatora są w pełni naładowane, co oznacza, że ​​ładunek odbierany przez kondensator jest równy zasilaniu napięciowemu, co zatrzymuje dalszy przepływ prądu.

Ponadto reaktancja kondensatora w tej sytuacji pod wpływem napięcia stałego osiąga stan maksymalny [megaomów].

Kondensator w zasilaniu AC

W odniesieniu do wykorzystania prądu przemiennego [AC] do ładowania kondensatora, przy czym przepływ prądu przemiennego jest zawsze spolaryzowany naprzemiennie, kondensator odbierający przepływ jest poddawany ciągłemu ładowaniu i rozładowywaniu na swoich płytach.

Teraz, jeśli mamy stały przepływ prądu, musimy również określić wartość reaktancji, aby ograniczyć przepływ.

Czynniki określające wartość rezystancji pojemnościowej

Jeśli spojrzymy wstecz na pojemność, stwierdzimy, że ilość ładunku na przewodzących płytkach kondensatora jest proporcjonalna do wartości pojemności i napięcia.

Teraz, gdy kondensator pobiera prąd z wejścia AC, napięcie zasilające przechodzi stałą zmianę jego wartości, co niezmiennie zmienia zbyt proporcjonalnie wartość płytek.

Rozważmy teraz sytuację, w której kondensator zawiera wyższą wartość pojemności.

W tej sytuacji rezystancja R zużywa więcej czasu na ładowanie kondensatora τ = RC. Oznacza to, że jeśli prąd ładowania płynie przez dłuższy okres czasu, reaktancja rejestruje mniejszą wartość Xc, w zależności od określonej częstotliwości.

Analogicznie, jeśli wartość pojemności w kondensatorze jest mniejsza, to ładowanie kondensatora wymaga krótszego czasu RC.

Krótszy czas powoduje przepływ prądu przez krótszy okres, co skutkuje stosunkowo mniejszą wartością reaktancji Xc.

Dlatego jest oczywiste, że przy wyższych prądach wartość reaktancji pozostaje mała i odwrotnie.

A zatem reaktancja pojemnościowa jest zawsze odwrotnie proporcjonalna do wartości pojemności kondensatora.

XC ∝ -1 C.

Należy pamiętać, że pojemność nie jest jedynym czynnikiem służącym do analizy reaktancji pojemnościowej.

Przy niskiej częstotliwości przyłożonego napięcia prądu przemiennego reaktancja rozwija się dłużej w oparciu o przydzieloną stałą czasową RC. Ponadto blokuje również prąd, wskazując na wyższą wartość reaktancji.

Podobnie, jeśli zastosowana częstotliwość jest wysoka, reaktancja pozwala na krótszy cykl czasu dla procesu ładowania i rozładowywania.

Ponadto podczas procesu otrzymuje również większy przepływ prądu, co prowadzi do niższej reaktancji.

Dowodzi to więc, że impedancja (reaktancja AC) kondensatora i jej wielkość zależy od częstotliwości. Dlatego wyższa częstotliwość powoduje niższą reaktancję i odwrotnie, a zatem można wywnioskować, że reaktancja pojemnościowa Xc jest odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości i pojemności.

Wspomnianą teorię reaktancji pojemnościowej można podsumować następującym równaniem:

Xc = 1 / 2πfC

Gdzie:

· Xc = Reaktancja pojemnościowa w omach, (Ω)


· Π (pi) = stała liczbowa 3,142 (lub 22 ÷ 7)


· Ƒ = częstotliwość w hercach, (Hz)


· C = Pojemność w Faradach, (F)

Pojemnościowy dzielnik napięcia

Ta sekcja ma na celu przedstawienie szczegółowego wyjaśnienia, w jaki sposób częstotliwość zasilania wpływa na dwa kondensatory połączone tyłem do siebie lub szeregowo, lepiej określane jako pojemnościowy obwód dzielnika napięcia.

Obwód pojemnościowego dzielnika napięcia

Aby zilustrować działanie pojemnościowego dzielnika napięcia, odwołajmy się do powyższego obwodu. Tutaj C1 i C2 są połączone szeregowo i podłączone do źródła zasilania prądem przemiennym o napięciu 10 woltów. Będąc szeregowo oba kondensatory mają ten sam ładunek, Q.

Jednak napięcie pozostanie inne i jest również zależne od wartości pojemności V = Q / C.

Biorąc pod uwagę rysunek 1.0, obliczenie napięcia na kondensatorze można określić na różne sposoby.

Jedną z opcji jest sprawdzenie całkowitej impedancji obwodu i prądu w obwodzie, tj. Prześledzenie wartości reaktancji pojemnościowej na każdym kondensatorze, a następnie obliczenie spadku napięcia na nich. Na przykład:

PRZYKŁAD 1

Zgodnie z rysunkiem 1.0, mając C1 i C2 odpowiednio 10 uF i 20 uF, obliczyć spadki napięcia skutecznego występujące na kondensatorze w sytuacji napięcia sinusoidalnego o wartości 10 woltów skutecznej przy 80 Hz.

Kondensator C1 10uF
Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 80 x 10uF x 10-6 = 200 Ohm
C2 = kondensator 20uF
Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 8000 x 22uF x 10-6 = 90
Om

Całkowita reaktancja pojemnościowa

Xc (łącznie) = 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 6,88 uF = 290Ω

Prąd w obwodzie

I = E / Xc = 10 V / 290 Ω

Napięcie spada szeregowo dla obu kondensatorów. Tutaj pojemnościowy dzielnik napięcia jest obliczany jako:

Vc1 = I x Xc1 = 34,5 mA x 200 Ω = 6,9 V.
Vc2 = I x Xc2 = 34,5 mA x 90 Ω = 3,1 V.

Jeśli wartości kondensatorów różnią się, kondensator o mniejszej wartości może wtedy ładować się do wyższego napięcia w porównaniu do kondensatora o dużej wartości.

W przykładzie 1 zarejestrowany ładunek napięcia wynosi 6,9 i 3,1 odpowiednio dla C1 i C2. Ponieważ obliczenia są oparte na teorii napięcia Kirchoffa, całkowite spadki napięcia dla poszczególnych kondensatorów są równe wartości napięcia zasilania.

UWAGA:

Współczynnik spadku napięcia dla dwóch kondensatorów podłączonych do szeregowego pojemnościowego obwodu dzielnika napięcia zawsze pozostaje taki sam, nawet jeśli występuje częstotliwość zasilania.

Dlatego zgodnie z przykładem 1, 6,9 i 3,1 wolta są takie same, nawet jeśli częstotliwość zasilania jest zmaksymalizowana od 80 do 800 Hz.

PRZYKŁAD 2

Jak znaleźć spadek napięcia na kondensatorze przy użyciu tych samych kondensatorów, co w przykładzie 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 (łącznie) = 10 / 2,9 = 3,45 A.

Dlatego Vc1 = I x Xc1 = 3,45A x 2Ω = 6,9V

A Vc2 = I x Xc2 = 3,45 A x 0,9 Ω = 3,1 V.

Ponieważ przekładnia napięciowa pozostaje taka sama dla obu kondensatorów, wraz ze wzrostem częstotliwości zasilania, jego wpływ jest widoczny w postaci spadku łącznej reaktancji pojemnościowej, jak również dla całkowitej impedancji obwodu.

Zmniejszona impedancja powoduje większy przepływ prądu, np. Prąd obwodu przy 80 Hz wynosi około 34,5 mA, natomiast przy 8 kHz może wystąpić 10-krotny wzrost zasilania, czyli około 3,45 A.

Można więc wnioskować, że przepływ prądu przez pojemnościowy dzielnik napięcia jest proporcjonalny do częstotliwości I ∝ f.

Jak omówiono powyżej, dzielniki pojemnościowe, które obejmują szereg połączonych kondensatorów, wszystkie obniżają napięcie AC.

Aby znaleźć prawidłowy spadek napięcia, dzielniki pojemnościowe przyjmują wartość reaktancji pojemnościowej kondensatora.

Dlatego nie działa jako dzielnik napięcia stałego, ponieważ w DC kondensatory zatrzymują i blokują prąd, co powoduje zerowy przepływ prądu.

Dzielniki mogą być używane w przypadkach, gdy podaż jest napędzana częstotliwością.

Istnieje wiele zastosowań elektronicznych pojemnościowego dzielnika napięcia, od czytnika linii papilarnych po oscylatory Colpitts. Jest również preferowany jako tani zamiennik transformatora sieciowego, w którym zastosowano pojemnościowy dzielnik napięcia w celu obniżenia wysokiego prądu sieciowego.