Емкостной делитель напряжения

В этом посте мы узнаем, как схемы емкостного делителя напряжения работают в электронных схемах, с помощью формул и решаемых примеров.

Автор: Дхрубаджоти Бисвас

Что такое сеть делителей напряжения

Говоря о схеме делителя напряжения, важно отметить, что напряжение в схеме делителя равномерно распределяется между всеми существующими компонентами, связанными с сетью, хотя емкость может варьироваться в зависимости от конструкции компонентов.

Схема делителя напряжения может быть построена из реактивных компонентов или даже из постоянных резисторов.

Однако, по сравнению с емкостными делителями напряжения, резистивные делители остаются неизменными при изменении частоты в питании.

Цель этой статьи - дать подробное представление о емкостных делителях напряжения. Но чтобы получить больше информации, очень важно детализировать емкостное реактивное сопротивление и его влияние на конденсаторы на различных частотах.

Конденсатор состоит из двух параллельно расположенных токопроводящих пластин, дополнительно разделенных изолятором. Эти две пластины имеют один положительный (+) и другой отрицательный (-) заряд.

Когда конденсатор полностью заряжается постоянным током, диэлектрик (обычно называемый изолятором) блокирует ток, протекающий по пластинам.

Другая важная характеристика конденсатора по сравнению с резистором: конденсатор накапливает энергию на проводящих пластинах во время заряда, чего не делает резистор, поскольку он всегда имеет тенденцию выделять избыточную энергию в виде тепла.

Но энергия, запасенная конденсатором, передается в связанные с ним цепи во время процесса его разряда.

Эта особенность конденсатора для накопления заряда называется реактивным сопротивлением и далее называется емкостным реактивным сопротивлением [Xc], для которого Ом является стандартной единицей измерения реактивного сопротивления.

Разряженный конденсатор при подключении к источнику постоянного тока реактивное сопротивление остается низким на начальной стадии.

Значительная часть тока протекает через конденсатор в течение короткого промежутка времени, что заставляет проводящие пластины быстро заряжаться, что в конечном итоге препятствует дальнейшему прохождению тока.

Как конденсатор блокирует постоянный ток?

В резисторе и конденсаторной последовательной сети, когда период времени достигает величины 5RC, проводящие пластины конденсатора полностью заряжаются, что означает, что заряд, полученный конденсатором, равен подаче напряжения, что останавливает любое дальнейшее протекание тока.

Кроме того, реактивное сопротивление конденсатора в этой ситуации под действием постоянного напряжения достигает максимального состояния [мегаом].

Конденсатор в сети переменного тока

Что касается использования переменного тока [переменного тока] для зарядки конденсатора, при котором поток переменного тока всегда попеременно поляризован, конденсатор, принимающий поток, подвергается постоянной зарядке и разрядке на своих пластинах.

Теперь, если у нас есть постоянный ток, нам также необходимо определить значение реактивного сопротивления, чтобы ограничить поток.

Факторы для определения значения емкостного сопротивления

Если мы посмотрим на емкость, то обнаружим, что количество заряда на проводящих пластинах конденсатора пропорционально величине емкости и напряжения.

Теперь, когда конденсатор получает ток от входа переменного тока, напряжение питания постоянно изменяется в своем значении, что неизменно слишком пропорционально изменяет номинал пластин.

Теперь давайте рассмотрим ситуацию, когда конденсатор имеет более высокое значение емкости.

В этой ситуации сопротивление R потребляет больше времени для зарядки конденсатора τ = RC. Это означает, что если зарядный ток протекает в течение более длительного периода времени, реактивное сопротивление регистрирует меньшее значение Xc в зависимости от заданной частоты.

Аналогично, если значение емкости конденсатора меньше, то для зарядки конденсатора требуется меньшее время RC.

Это более короткое время вызывает протекание тока в течение более короткого промежутка времени, что приводит к сравнительно меньшему значению реактивного сопротивления Xc.

Следовательно, очевидно, что при более высоких токах значение реактивного сопротивления остается небольшим, и наоборот.

Таким образом, емкостное реактивное сопротивление всегда обратно пропорционально величине емкости конденсатора.

XC ∝ -1 C.

Важно отметить, что емкость - не единственный фактор для анализа емкостного реактивного сопротивления.

При низкой частоте приложенного переменного напряжения реактивное сопротивление получает большее время развития в зависимости от выделенной постоянной времени RC. Кроме того, он также блокирует ток, указывая на более высокое значение реактивного сопротивления.

Точно так же, если применяемая частота высока, реактивное сопротивление позволяет иметь меньший временной цикл для процесса зарядки и разрядки.

Кроме того, он также получает более высокий ток во время процесса, что приводит к более низкому реактивному сопротивлению.

Таким образом, это доказывает, что полное сопротивление (реактивное сопротивление переменного тока) конденсатора и его величина зависят от частоты. Следовательно, более высокая частота приводит к более низкому реактивному сопротивлению и наоборот, и, таким образом, можно сделать вывод, что емкостное реактивное сопротивление Xc обратно пропорционально частоте и емкости.

Эту теорию емкостного реактивного сопротивления можно свести к следующему уравнению:

Хс = 1 / 2πfC

Где:

· Xc = емкостное реактивное сопротивление в Ом, (Ом)


· Π (пи) = числовая константа 3,142 (или 22 ÷ 7)


· Ƒ = частота в герцах, (Гц)


· C = емкость в фарадах, (F)

Емкостной делитель напряжения

Цель этого раздела - предоставить подробное объяснение того, как частота питания влияет на два конденсатора, подключенных друг к другу или последовательно, которые лучше назвать схемой емкостного делителя напряжения.

Схема емкостного делителя напряжения

Чтобы проиллюстрировать работу емкостного делителя напряжения, обратимся к схеме выше. Здесь C1 и C2 включены последовательно и подключены к источнику переменного тока напряжением 10 вольт. Находясь последовательно, оба конденсатора получают одинаковый заряд Q.

Однако напряжение останется другим, и оно также будет зависеть от значения емкости V = Q / C.

Рассматривая рисунок 1.0, расчет напряжения на конденсаторе можно определить разными способами.

Один из вариантов - узнать полное сопротивление цепи и ток цепи, то есть отследить значение емкостного реактивного сопротивления на каждом конденсаторе, а затем рассчитать падение напряжения на них. Например:

ПРИМЕР 1

В соответствии с рисунком 1.0, для C1 и C2 10 мкФ и 20 мкФ соответственно, рассчитайте среднеквадратичные падения напряжения, возникающие на конденсаторе в ситуации синусоидального напряжения 10 вольт при 80 Гц.

Конденсатор C1 10 мкФ
Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 80 x 10 мкФ x 10-6 = 200 Ом
C2 = конденсатор 20 мкФ
Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 8000 x 22 мкФ x 10-6 = 90
Ом

Общее емкостное реактивное сопротивление

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

Ток в цепи

I = E / Xc = 10 В / 290 Ом

Напряжение последовательно падает на обоих конденсаторах. Здесь емкостной делитель напряжения рассчитывается как:

Vc1 = I x Xc1 = 34,5 мА x 200 Ом = 6,9 В
Vc2 = I x Xc2 = 34,5 мА x 90 Ом = 3,1 В

Если значения конденсаторов различаются, конденсатор меньшего номинала может заряжаться до более высокого напряжения по сравнению с конденсатором большого номинала.

В Примере 1 зарегистрированный заряд напряжения составляет 6,9 и 3,1 для C1 и C2 соответственно. Поскольку расчет основан на теории напряжения Кирхгофа, общее падение напряжения для отдельного конденсатора равно значению напряжения питания.

ПРИМЕЧАНИЕ:

Коэффициент падения напряжения для двух конденсаторов, которые подключены к цепи последовательного емкостного делителя напряжения, всегда остается неизменным, даже если есть частота в источнике питания.

Следовательно, согласно Примеру 1, 6,9 и 3,1 вольт одинаковы, даже если частота питания максимальна от 80 до 800 Гц.

ПРИМЕР 2

Как найти падение напряжения на конденсаторе, используя те же конденсаторы, что и в примере 1?

Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 8000 x 10 мкФ = 2 Ом

Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 8000 x 22uF = 0,9 Ом

I = V / Xc (общий) = 10 / 2,9 = 3,45 А

Следовательно, Vc1 = I x Xc1 = 3.45A x 2Ω = 6.9V.

И, Vc2 = I x Xc2 = 3,45 A x 0,9 Ом = 3,1 В

Поскольку соотношение напряжений на обоих конденсаторах остается одинаковым с увеличением частоты питания, его влияние проявляется в виде уменьшения совокупного емкостного реактивного сопротивления, а также общего импеданса цепи.

Сниженный импеданс вызывает более высокий ток, например, ток цепи при 80 Гц составляет около 34,5 мА, тогда как при 8 кГц может быть 10-кратное увеличение подачи тока, то есть около 3,45 А.

Таким образом, можно сделать вывод, что ток через емкостной делитель напряжения пропорционален частоте I ∝ f.

Как обсуждалось выше, все емкостные делители, состоящие из последовательно соединенных конденсаторов, понижают напряжение переменного тока.

Чтобы определить правильное падение напряжения, емкостные делители принимают значение емкостного реактивного сопротивления конденсатора.

Следовательно, он не работает как делители для постоянного напряжения, поскольку при постоянном токе конденсаторы останавливают и блокируют ток, что вызывает нулевой ток.

Делители могут использоваться в тех случаях, когда питание регулируется частотой.

Существует широкий диапазон применения емкостного делителя напряжения в электронике, от устройства сканирования пальца до генераторов Колпитца. Он также широко используется в качестве дешевой альтернативы сетевому трансформатору, в котором используется емкостной делитель напряжения для снижения высокого сетевого тока.