Kapacitný delič napätia

V tomto príspevku sa dozvieme, ako kapacitné rozdeľovače napätia pracujú v elektronických obvodoch, a to prostredníctvom vzorcov a vyriešených príkladov.

Autor: Dhrubajyoti Biswas

Čo je sieť deliča napätia

Keď hovoríme o obvode rozdeľovača napätia, je dôležité poznamenať, že napätie v obvode rozdeľovača je rovnomerne rozložené medzi všetky existujúce komponenty spojené so sieťou, aj keď sa kapacita môže líšiť v závislosti od zloženia komponentov.

Obvod deliča napätia môže byť zostavený z reaktívnych komponentov alebo dokonca z pevných rezistorov.

Avšak v porovnaní s kapacitnými rozdeľovačmi napätia zostávajú odporové rozdeľovače neovplyvnené zmenou frekvencie v napájaní.

Účelom tohto príspevku je poskytnúť podrobné pochopenie kapacitných deličov napätia. Pre získanie väčšieho prehľadu je však nevyhnutné podrobne rozpísať kapacitnú reaktanciu a jej vplyv na kondenzátory pri rôznych frekvenciách.

Kondenzátor je vyrobený z dvoch vodivých dosiek umiestnených navzájom rovnobežne, ktoré sú dodatočne oddelené izolátorom. Tieto dve platne majú jeden kladný (+) a ďalší záporný (-) náboj.

Keď je kondenzátor nabitý úplne pomocou jednosmerného prúdu, dielektrikum [ľudovo označovaný ako izolátor] zasekne prúdový prúd cez dosky.

Ďalšou dôležitou charakteristikou kondenzátora v porovnaní s rezistorom je: Kondenzátor počas nabíjania uchováva energiu na vodivých doskách, čo rezistor nie, pretože má vždy tendenciu uvoľňovať prebytočnú energiu ako teplo.

Energia uložená v kondenzátore je ale vedená do obvodov, ktoré sú s ním spojené počas procesu jeho vybíjania.

Táto vlastnosť kondenzátora na ukladanie náboja sa označuje ako reaktancia a ďalej sa nazýva kapacitná reaktancia [Xc], pre ktorú je Ohm štandardnou jednotkou merania reaktancie.

Pri vybitom kondenzátore po pripojení k zdroju jednosmerného prúdu zostáva reaktancia v počiatočnom štádiu nízka.

Podstatná časť prúdu tečie cez kondenzátor na krátke rozpätie, ktoré núti vodivé dosky sa rýchlo nabíjať, čo nakoniec bráni ďalšiemu prechodu prúdu.

Ako kondenzátor blokuje DC?

V sieti rezistorov a kondenzátorov, keď časové obdobie dosiahne veľkosť 5RC, sa vodivé dosky kondenzátora úplne nabijú, čo znamená, že náboj prijatý kondenzátorom sa rovná napájaciemu napätiu, ktoré zastaví akýkoľvek ďalší tok prúdu.

Ďalej reaktancia kondenzátora v tejto situácii pod vplyvom jednosmerného napätia dosahuje maximálny stav [mega-ohmy].

Kondenzátor v napájaní striedavým prúdom

Pokiaľ ide o použitie striedavého prúdu [AC] na nabíjanie kondenzátora, pri ktorom je prúd striedavého prúdu vždy striedavo polarizovaný, je kondenzátor prijímajúci tok neustále nabíjaný a vybíjaný cez svoje dosky.

Teraz, ak máme konštantný tok prúdu, musíme tiež určiť hodnotu reaktancie, aby sme obmedzili tok.

Faktory na určenie hodnoty kapacitného odporu

Ak sa pozrieme späť na kapacitu, zistíme, že veľkosť náboja na vodivých doskách kondenzátora je úmerná hodnote kapacity a napätia.

Teraz, keď kondenzátor dostane prúd z vstupu striedavého prúdu, napájanie napätím prechádza neustálou zmenou jeho hodnoty, čo vždy príliš proporcionálne mení hodnotu dosiek.

Uvažujme teraz o situácii, keď kondenzátor obsahuje vyššiu hodnotu kapacity.

V tejto situácii odpor R spotrebuje viac času na nabitie kondenzátora τ = RC. To znamená, že ak nabíjací prúd tečie dlhšiu dobu, reaktancia zaznamená menšiu hodnotu Xc v závislosti od zadanej frekvencie.

Ak je hodnota kondenzátora v kondenzátore menšia, potom na nabitie kondenzátora je potrebný kratší čas RC.

Tento kratší čas spôsobí, že tok prúdu bude trvať kratšie, čo má za následok porovnateľne menšiu hodnotu reaktancie, Xc.

Preto je zrejmé, že pri vyšších prúdoch zostáva hodnota reaktancie malá a naopak.

A tak je kapacitná reaktancia vždy nepriamo úmerná kapacitnej hodnote kondenzátora.

XC ∝ -1 C.

Je nevyhnutné poznamenať, že kapacita nie je jediným faktorom na analýzu kapacitnej reaktancie.

Pri použitej nízkej frekvencii striedavého napätia sa reaktancia získa viac času na základe pridelenej časovej konštanty RC. Ďalej tiež blokuje prúd, čo naznačuje vyššiu hodnotu reaktancie.

Podobne, ak je použitá frekvencia vysoká, reaktancia umožňuje, aby nastal menší časový cyklus pre proces nabíjania a vybíjania.

Okrem toho počas procesu prijíma tiež vyšší prúd, čo vedie k nižšej reaktancii.

Toto teda dokazuje, že impedancia (AC reaktancia) kondenzátora a jeho veľkosť závisí od frekvencie. Preto vyššia frekvencia vedie k nižšej reaktancii a naopak, a preto je možné dospieť k záveru, že kapacitná reaktancia Xc je nepriamo úmerná frekvencii a kapacite.

Uvedenú teóriu kapacitnej reaktancie možno zhrnúť do tejto rovnice:

Xc = 1 / 2πfC

Kde:

· Xc = kapacitná reaktancia v ohmoch (Ω)


· Π (pi) = číselná konštanta 3,142 (alebo 22 ÷ 7)


· Ƒ = Frekvencia v Hz, (Hz)


· C = kapacita vo Faradoch, (F)

Kapacitný delič napätia

Táto časť sa zameria na poskytnutie podrobného vysvetlenia toho, ako frekvencia napájania ovplyvňuje dva kondenzátory zapojené zozadu alebo do série, lepšie povedané ako obvod kapacitného deliča napätia.

Obvod kapacitného deliča napätia

Na ilustráciu fungovania kapacitného deliča napätia sa pozrime na vyššie uvedený obvod. Tu sú C1 a C2 zapojené do série a sú pripojené k zdroju striedavého prúdu 10 voltov. Pretože sú v sérii oba kondenzátory dostávajú rovnaký náboj, Q.

Napätie však zostane odlišné a závisí tiež od hodnoty kapacity V = Q / C.

Ak vezmeme do úvahy obrázok 1.0, výpočet napätia na kondenzátore je možné určiť rôznymi spôsobmi.

Jednou z možností je zistiť celkovú impedanciu obvodu a prúd obvodu, to znamená vysledovať hodnotu kapacitnej reaktancie na každom kondenzátore a potom vypočítať pokles napätia na nich. Napríklad:

PRÍKLAD 1

Ako je znázornené na obrázku 1.0, s C1 a C2 10 uF, respektíve 20 uF vypočítajte rms poklesy napätia vyskytujúce sa na kondenzátore v situácii sínusového napätia 10 voltov rms pri 80 Hz.

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

Celková kapacitná reaktancia

Xc (celkom) = Xc1 + Xc2 = 200Ω + 90Ω = 290Ω
Ct = (C1 x C2) / (C1 + C2) = 10uF x 22uF / 10uF + 22uF = 6,88uF
Xc = 1 / 2πfCt = 1/2 / 2π x 80 x 6,88uF = 290Ω

Prúd v obvode

I = E / Xc = 10V / 290Ω

Napätie sériovo klesá pre obidva kondenzátory. Tu sa kapacitný delič napätia počíta ako:

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

Ak sa hodnoty kondenzátorov líšia, kondenzátor s menšou hodnotou sa potom môže nabíjať na vyššie napätie v porovnaní s veľkým.

V príklade 1 je zaznamenaný napäťový náboj 6,9 a 3,1 pre C1, respektíve C2. Pretože výpočet je založený na Kirchoffovej teórii napätia, celkový pokles napätia pre jednotlivé kondenzátory sa rovná hodnote napájacieho napätia.

POZNÁMKA:

Pomer úbytku napätia pre dva kondenzátory, ktoré sú pripojené k sériovému obvodu kapacitného deliča napätia, zostáva vždy rovnaký, aj keď je v napájaní frekvencia.

Preto podľa príkladu 1 je 6,9 ​​a 3,1 voltov rovnakých, aj keď je napájacia frekvencia maximalizovaná od 80 do 800 Hz.

PRÍKLAD 2

Ako zistiť pokles napätia kondenzátora pomocou rovnakých kondenzátorov použitých v príklade 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 (celkom) = 10 / 2,9 = 3,45 ampéra

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

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

Pretože pomer napätia zostáva rovnaký pre oba kondenzátory, so zvyšujúcou sa napájacou frekvenciou sa jeho vplyv prejavuje vo forme zníženia kombinovanej kapacitnej reaktancie, ako aj celkovej impedancie obvodu.

Znížená impedancia spôsobuje vyšší tok prúdu, napríklad obvodový prúd pri 80 Hz je okolo 34,5 mA, zatiaľ čo pri 8 kHz môže dôjsť k 10-násobnému zvýšeniu napájacieho zdroja, čo je okolo 3,45A.

Možno teda dospieť k záveru, že tok prúdu cez kapacitný delič napätia je úmerný frekvencii I ∝ f.

Ako bolo uvedené vyššie, kapacitné rozdeľovače, ktoré zahŕňajú sériu pripojených kondenzátorov, znižujú striedavé napätie.

Na zistenie správneho poklesu napätia majú kapacitné rozdeľovače hodnotu kapacitnej reaktancie kondenzátora.

Preto nefunguje ako oddeľovač jednosmerného napätia, pretože v jednosmernom prúde kondenzátory zastavujú a blokujú prúd, čo spôsobuje nulový tok prúdu.

Rozdeľovače sa dajú použiť v prípadoch, keď je napájanie napájané frekvenciou.

Existuje veľké množstvo elektronických využití kapacitného deliča napätia, od snímacieho zariadenia prstov po oscilátory Colpitts. Je tiež veľmi preferovaný ako lacný alternátor pre sieťový transformátor, kde sa používa kapacitný delič napätia na pokles vysokého sieťového prúdu.