Kapacitiv spänningsdelare

I det här inlägget lär vi oss hur kapacitiva spänningsdelarkretsar fungerar i elektroniska kretsar, genom formler och lösta exempel.

Av: Dhrubajyoti Biswas

Vad är ett nätverk för spänningsdelare

När vi talar om en spänningsdelarkrets är det viktigt att notera att spänningen i delarkretsen fördelas lika mellan alla befintliga komponenter som är associerade med nätverket, även om kapaciteten kan variera beroende på komponenternas sammansättning.

En spänningsdelarkrets kan byggas av reaktiva komponenter eller till och med från fasta motstånd.

Men när man jämför med kapacitiva spänningsdelare förblir de resistiva delarna opåverkade med förändringen av frekvens i matning.

Syftet med detta dokument är att ge en detaljerad förståelse av kapacitiva spänningsdelare. Men för att få mer insikt är det viktigt att detaljera kapacitiv reaktans och dess effekt på kondensatorerna vid olika frekvenser.

En kondensator är tillverkad av två ledande plattor, placerade parallellt med varandra som dessutom är separerade med en isolator. Dessa två plattor har en positiv (+) och en annan negativ (-) laddning.

När en kondensator laddas helt via likström, fastnar dielektrikumet [populärt kallat isolator] strömflödet över plattorna.

En annan viktig egenskap hos en kondensator i jämförelse med ett motstånd är: En kondensator lagrar energi på de ledande plattorna under laddning, vilket motståndet inte gör, eftersom det alltid tenderar att frigöra överskott av energi som värme.

Men energin som lagras av en kondensator överförs till kretsarna som är anslutna till den under dess urladdningsprocess.

Denna egenskap hos en kondensator för att lagra laddningen kallas reaktans och kallas vidare kapacitiv reaktans [Xc] för vilken Ohm är standardmätningsenheten för reaktans.

En urladdad kondensator när den är ansluten till en likströmsförsörjning, förblir reaktansen låg i början.

En väsentlig del av strömmen flödar via kondensatorn under en kort spännvidd, vilket tvingar de ledande plattorna att laddas snabbt, och detta hindrar så småningom ytterligare strömpassage.

Hur kondensator blockerar DC?

I ett motstånd, kondensatorserienätverk när tidsperioden når en styrka av 5RC, blir kondensatorns ledande plattor fulladdade, vilket betyder att laddningen som mottas av kondensatorn är lika med spänningsförsörjningen, vilket stoppar ytterligare strömflöde.

Vidare når kondensatorns reaktans i denna situation under påverkan av likspänningen till max tillstånd [mega-ohm].

Kondensator i nätaggregat

Beträffande användning av växelström [AC] för att ladda en kondensator, varvid växelströmsflödet alltid är växelvis polariserat, utsätts kondensatorn som mottar flödet för konstant laddning och urladdning över dess plattor.

Om vi ​​nu har ett konstant strömflöde måste vi också bestämma reaktansvärdet för att begränsa flödet.

Faktorer för att bestämma värdet på kapacitivt motstånd

Om vi ​​tittar tillbaka på kapacitansen kommer vi att upptäcka att mängden laddning på kondensatorns ledande plattor är proportionell mot värdet på kapacitansen och spänningen.

Nu när en kondensator får strömflöde från en växelströmsingång, genomgår spänningsförsörjningen en konstant förändring i dess värde, vilket alltid förändrar plattans värde för proportionellt.

Låt oss nu överväga en situation där en kondensator innehåller högre kapacitansvärde.

I denna situation tar motståndet R mer tid att ladda kondensatorn τ = RC. Detta innebär att om laddningsströmmen flyter under en längre tidsperiod registrerar reaktansen ett mindre värde Xc, beroende på den angivna frekvensen.

Om kapacitansvärdet är mindre i en kondensator krävs det kortare RC-tid för att ladda kondensatorn.

Denna kortare tid orsakar strömflödet under en kortare tidsperiod, vilket resulterar i jämförelsevis mindre reaktansvärde, Xc.

Därför är det uppenbart att med högre strömmar förblir reaktansvärdet litet och tvärtom.

Och sålunda är kapacitiv reaktans alltid omvänt proportionell mot kondensatorns kapacitansvärde.

XC--1 C.

Det är viktigt att notera att kapacitans inte är den enda faktorn för att analysera kapacitiv reaktans.

Med en låg frekvens av den applicerade växelspänningen får reaktansen mer tid att utvecklas baserat på den tilldelade RC-tidskonstanten. Vidare blockerar den också strömmen, vilket indikerar högre reaktansvärde.

På samma sätt, om frekvensen som appliceras är hög, medger reaktansen en mindre tidscykel för laddnings- och urladdningsprocessen.

Dessutom får den också högre strömflöde under processen, vilket leder till lägre reaktans.

Så detta bevisar att kondensatorns impedans (AC-reaktans) och dess storlek är beroende av frekvensen. Därför resulterar högre frekvens i lägre reaktans och vice versa, och således kan man dra slutsatsen att kapacitiv reaktans Xc är omvänt proportionell mot frekvensen och kapacitansen.

Nämnda teori om kapacitiv reaktans kan sammanfattas med följande ekvation:

Xc = 1 / 2πfC

Var:

· Xc = kapacitiv reaktans i ohm, (Ω)


· Π (pi) = en numerisk konstant på 3.142 (eller 22 ÷ 7)


· Ƒ = Frekvens i Hertz, (Hz)


· C = Kapacitans i Farads, (F)

Kapacitiv spänningsdelare

Detta avsnitt syftar till att ge en detaljerad förklaring om hur matningsfrekvensen påverkar två kondensatorer som är anslutna mot rygg eller i serie, bättre betecknad som kapacitiv spänningsdelarkrets.

Kapacitiv spänningsdelarkrets

För att illustrera en kapacitiv spänningsdelare som fungerar, låt oss hänvisa till kretsen ovan. Här är C1 och C2 i serie och anslutna till en växelströmförsörjning på 10 volt. Att vara i serie får båda kondensatorerna samma laddning, Q.

Spänningen kommer dock att förbli annorlunda och den är också beroende av värdet på kapacitansen V = Q / C.

Med tanke på figur 1.0 kan beräkningen av spänningen över kondensatorn bestämmas på olika sätt.

Ett alternativ är att ta reda på den totala kretsimpedansen och kretsströmmen, dvs att spåra värdet på kapacitiv reaktans på varje kondensator och sedan beräkna spänningsfallet över dem. Till exempel:

EXEMPEL 1

Enligt figur 1.0, med C1 och C2 på 10uF respektive 20uF, beräkna rms spänningsfall som förekommer över kondensatorn i en situation med sinusformad spänning på 10 volt rms @ 80Hz.

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

Total kapacitiv reaktans

Xc (totalt) = 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

Ström i kretsen

I = E / Xc = 10V / 290Ω

Spänningen sjunker seriellt för både kondensatorn. Här beräknas den kapacitiva spänningsdelaren som:

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

Om kondensatorernas värden skiljer sig, kan kondensatorn med mindre värde laddas till en högre spänning jämfört med den stora värdet.

I exempel 1 är den registrerade spänningsladdningen 6,9 & 3,1 för C1 respektive C2. Eftersom beräkningen är baserad på Kirchoffs spänningsteori, är därför den totala spänningen för individuell kondensator lika med matningsspänningsvärdet.

NOTERA:

Spänningsfallförhållandet för de två kondensatorerna som är anslutna till serie kapacitiv spänningsdelarkrets förblir alltid detsamma även om det finns en frekvens i matningen.

Därför är enligt exempel 1 6,9 och 3,1 volt desamma, även om matningsfrekvensen är maximerad från 80 till 800Hz.

EXEMPEL 2

Hur hittar man kondensatorns spänningsfall med samma kondensatorer som används i exempel 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 (totalt) = 10 / 2,9 = 3,45 ampere

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

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

Eftersom spänningsförhållandet förblir detsamma för båda kondensatorerna, med ökande matningsfrekvens, ses dess påverkan i form av en minskning av den kombinerade kapacitiva reaktansen, liksom för total kretsimpedans.

En reducerad impedans orsakar ett högre strömflöde, till exempel är kretsströmmen vid 80Hz cirka 34,5 mA, medan vid 8 kHz kan det finnas en 10 gånger högre strömförsörjning, det vill säga cirka 3,45A.

Så man kan dra slutsatsen att strömmen via kapacitiv spänningsdelare är proportionell mot frekvensen, I ∝ f.

Som diskuterats ovan släpper de kapacitiva delarna som är anslutna till serier av kondensatorer alla AC-spänningen.

För att ta reda på rätt spänningsfall tar de kapacitiva delarna värdet av en kondensatorns kapacitiva reaktans.

Därför fungerar det inte som delare för likspänning, eftersom i likström kondensatorerna stoppar och blockerar ström, vilket orsakar nollström.

Avdelarna kan användas i fall där försörjningen drivs av frekvens.

Det finns ett brett spektrum av elektronisk användning av kapacitiv spänningsdelare, från fingeravläsningsenhet till Colpitts Oscillatorer. Det föredras också i stor utsträckning som billigt alternativ för strömtransformator där kapacitiv spänningsdelare används för att släppa hög nätström.