Kapacitivni delilnik napetosti

V tem prispevku bomo s pomočjo formul in rešenih primerov izvedeli, kako delujejo vezja kapacitivnih delilnikov napetosti v elektronskih vezjih.

Avtor: Dhrubajyoti Biswas

Kaj je omrežje z delilnikom napetosti

Ko govorimo o napetostnem delilnem vezju, je pomembno omeniti, da se napetost v delilnem vezju enakomerno porazdeli med vse obstoječe komponente, povezane z omrežjem, čeprav se zmogljivost lahko razlikuje glede na sestavo komponent.

Vezje delilnika napetosti je mogoče izdelati iz reaktivnih komponent ali celo iz fiksnih uporov.

Vendar pa v primerjavi z kapacitivnimi delilniki napetosti uporovni delilniki ne vplivajo na spremembo frekvence napajanja.

Namen tega prispevka je natančno razumeti kapacitivne napetostne delilnike. Toda za boljši vpogled je nujno podrobno opredeliti kapacitivno reaktanco in njen učinek na kondenzatorje pri različnih frekvencah.

Kondenzator je narejen iz dveh prevodnih plošč, nameščenih vzporedno med seboj, ki sta dodatno ločeni z izolatorjem. Ti dve plošči imata en pozitiven (+) in drugi negativni (-) naboj.

Ko se kondenzator popolnoma napolni z enosmernim tokom, dielektrični [popularno imenovan izolator] zaustavi tok skozi plošče.

Druga pomembna značilnost kondenzatorja v primerjavi z uporom je: Kondenzator med polnjenjem shranjuje energijo na prevodnih ploščah, česar pa upor ne, saj vedno sprošča odvečno energijo kot toploto.

Toda energija, ki jo shrani kondenzator, se med postopkom praznjenja prenaša na vezja, ki so z njim povezana.

Ta lastnost kondenzatorja za shranjevanje naboja se imenuje reaktanca in nadalje kot kapacitivna reaktanca [Xc], za katero je Ohm standardna merska enota reaktancije.

Ko je kondenzator izpraznjen, ko je priključen na enosmerno napajanje, ostaja odpornost v začetni fazi nizka.

Skozi kondenzator teče precejšen del toka za kratek razpon, zaradi česar se prevodne plošče hitro napolnijo, kar sčasoma zavira nadaljnji pretok toka.

Kako kondenzator blokira enosmerni tok?

V upornem, kondenzatorskem serijskem omrežju, ko časovno obdobje doseže magnitudo 5RC, se prevodne plošče kondenzatorja popolnoma napolnijo, kar pomeni, da je naboj kondenzatorja enak napetosti, ki ustavi nadaljnji tok.

Poleg tega reaktanca kondenzatorja v tej situaciji pod vplivom enosmerne napetosti doseže največje stanje [mega-ohmi].

Kondenzator v napajalni napetosti

V zvezi z uporabo izmeničnega toka [AC] za polnjenje kondenzatorja, pri čemer je tok izmeničnega toka vedno izmenično polariziran, je kondenzator, ki sprejema pretok, podvržen stalnemu polnjenju in praznjenju čez njegove plošče.

Če imamo konstanten pretok toka, potem moramo določiti tudi reaktančno vrednost, da omejimo pretok.

Dejavniki za določanje vrednosti kapacitivnega upora

Če se ozremo nazaj na kapacitivnost, bomo ugotovili, da je količina naboja na prevodnih ploščah kondenzatorja sorazmerna z vrednostjo kapacitivnosti in napetosti.

Zdaj, ko kondenzator dobi tok iz vhoda izmeničnega toka, napetost prehaja skozi stalno spremembo njegove vrednosti, ki vedno spreminja vrednost plošč sorazmerno.

Zdaj pa razmislimo o situaciji, ko kondenzator vsebuje večjo vrednost kapacitivnosti.

V tem primeru upor R porabi več časa za polnjenje kondenzatorja τ = RC. To pomeni, da če polnilni tok teče dlje časa, reaktanca zabeleži manjšo vrednost Xc, odvisno od določene frekvence.

Če je vrednost kondenzatorja v kondenzatorju manjša, potem potrebuje krajši RC čas za polnjenje kondenzatorja.

Ta krajši čas povzroči pretok toka krajši čas, kar ima za posledico sorazmerno manjšo vrednost reaktancije Xc.

Zato je očitno, da pri večjih tokovih ostaja vrednost reaktanca majhna in obratno.

In tako je kapacitivna reaktanca vedno obratno sorazmerna z vrednostjo kapacitivnosti kondenzatorja.

XC ∝ -1 C.

Pomembno je omeniti, da kapacitivnost ni edini dejavnik za analizo kapacitivne reaktancije.

Z nizko frekvenco izmenične napetosti se reaktanca razvija več časa na podlagi dodeljene RC časovne konstante. Nadalje blokira tudi tok, kar kaže na večjo vrednost reaktancije.

Podobno, če je uporabljena frekvenca visoka, reaktanca omogoča krajši časovni cikel za postopek polnjenja in praznjenja.

Poleg tega med procesom prejme tudi večji pretok toka, kar vodi k nižji reaktanci.

To dokazuje, da je impedanca (AC reaktanca) kondenzatorja in njegova velikost odvisna od frekvence. Zato višja frekvenca povzroči manjšo reaktanco in obratno, zato je mogoče sklepati, da je kapacitivna reaktanca Xc obratno sorazmerna s frekvenco in kapacitivnostjo.

Omenjeno teorijo kapacitivnega reaktanca lahko povzamemo z naslednjo enačbo:

Xc = 1 / 2πfC

Kje:

· Xc = kapacitivni reaktanc v ohmih, (Ω)


· Π (pi) = številska konstanta 3,142 (ali 22 ÷ 7)


· Ƒ = frekvenca v hercih, (Hz)


· C = kapacitivnost v Faradih, (F)

Kapacitivni delilnik napetosti

Namen tega oddelka je podrobno razložiti, kako frekvenca napajanja vpliva na dva kondenzatorja, povezana nazaj ali nazaj, bolje imenovana kot kapacitivni napetostni delilnik.

Kapacitivni vezje delilnika napetosti

Za ponazoritev delovanja kapacitivnega delilnika napetosti si oglejmo zgornje vezje. Tu sta C1 in C2 zaporedno in priključena na izmenično napajanje 10 voltov. Ker sta kondenzatorja v seriji, prejemata enak naboj, Q.

Vendar pa bo napetost ostala različna in je odvisna tudi od vrednosti kapacitivnosti V = Q / C.

Glede na sliko 1.0 lahko izračun napetosti na kondenzatorju določimo na različne načine.

Ena od možnosti je ugotoviti skupno impedanco vezja in tok tokokroga, tj.izslediti vrednost kapacitivne reaktancije na vsakem kondenzatorju in nato izračunati padec napetosti na njih. Na primer:

PRIMER 1

Na sliki 1.0 pri C1 in C2 10uF oziroma 20uF izračunajte efektivne padce napetosti na kondenzatorju v primeru sinusne napetosti 10 voltov efektivne vrednosti pri 80Hz.

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

Skupna kapacitivna reaktanca

Xc (skupaj) = 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

Tok v vezju

I = E / Xc = 10V / 290Ω

Napetost zaporedno pada na obeh kondenzatorjih. Tu se kapacitivni delilnik napetosti izračuna kot:

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

Če se vrednosti kondenzatorjev razlikujejo, se lahko kondenzator manjše vrednosti nato napolni na višjo napetost v primerjavi z veliko vrednostjo.

V primeru 1 je zabeležena napetost 6,9 in 3,1 za C1 in C2. Ker zdaj izračun temelji na Kirchoffovi teoriji napetosti, je torej skupni padec napetosti za posamezen kondenzator enak vrednosti napajalne napetosti.

OPOMBA:

Razmerje padca napetosti za dva kondenzatorja, ki sta priključena na serijski kapacitivni napetostni delilnik, ostane vedno enako, tudi če je v oskrbi frekvenca.

Torej, kot v primeru 1, sta 6,9 in 3,1 volta enaka, tudi če je napajalna frekvenca povečana z 80 na 800 Hz.

PRIMER 2

Kako najti padec napetosti kondenzatorja z uporabo istih kondenzatorjev, uporabljenih v primeru 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 (skupaj) = 10 / 2,9 = 3,45 amperov

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

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

Ker napetostno razmerje ostaja enako za oba kondenzatorja, se z naraščajočo napajalno frekvenco njegov vpliv kaže v obliki zmanjšanja kombinirane kapacitivne reaktancije, pa tudi celotne impedance vezja.

Zmanjšana impedanca povzroči večji pretok toka, na primer tok tokokroga pri 80 Hz je približno 34,5 mA, medtem ko je pri 8 kHz lahko 10-kratno povečanje toka, to je približno 3,45 A.

Tako lahko sklepamo, da je pretok toka skozi kapacitivni delilnik napetosti sorazmeren s frekvenco, I ∝ f.

Kot smo že omenili, vsi kapacitivni delilniki, ki vključujejo vrsto priključenih kondenzatorjev, padejo izmenično napetost.

Da bi ugotovili pravi padec napetosti, kapacitivni delilniki vzamejo vrednost kapacitivne reaktancije kondenzatorja.

Zato ne deluje kot delilnik za enosmerno napetost, saj v enosmernem toku kondenzatorji zaustavijo in blokirajo tok, kar povzroči nični tok.

Pregrade lahko uporabite v primerih, ko napajanje poganja frekvenca.

Obstaja široka paleta elektronske uporabe kapacitivnega delilnika napetosti, od naprave za skeniranje prstov do oscilatorjev Colpitts. Prav tako je zelo zaželena kot poceni nadomestna napetost za omrežni transformator, kjer se uporablja kapacitivni delilnik napetosti, da pade visok omrežni tok.