Kapacitivni razdjelnik napona

U ovom postu kroz formule i riješene primjere saznajemo kako kapacitivni krugovi djelitelja napona djeluju u elektroničkim sklopovima.

Napisao: Dhrubajyoti Biswas

Što je mreža razdjelnika napona

Govoreći o krugu razdjelnika napona, važno je napomenuti da se napon u razdjelnom krugu jednako raspoređuje između svih postojećih komponenata povezanih s mrežom, iako kapacitet može varirati ovisno o sastavu komponenata.

Krug djelitelja napona može se izgraditi od reaktivnih komponenata ili čak od fiksnih otpornika.

Međutim, u usporedbi s kapacitivnim razdjelnicima napona, otporni razdjelnici ostaju nepromijenjeni promjenom frekvencije napajanja.

Svrha ovog rada je pružiti detaljno razumijevanje kapacitivnih djelitelja napona. Ali da bismo stekli bolji uvid, od vitalne je važnosti detaljno objasniti kapacitivnu reaktanciju i njezin učinak na kondenzatore na različitim frekvencijama.

Kondenzator je napravljen od dvije vodljive ploče, smještene paralelno jedna uz drugu koje su dodatno odvojene izolatorom. Te dvije ploče imaju jedan pozitivan (+) i drugi negativni (-) naboj.

Kada se kondenzator u potpunosti napuni istosmjernom strujom, dielektrik [popularno nazvan izolator] zaustavlja strujni tok preko ploča.

Sljedeća važna karakteristika kondenzatora u usporedbi s otpornikom je: Kondenzator tijekom punjenja pohranjuje energiju na vodljivim pločama, a otpor ne, jer uvijek nastoji osloboditi višak energije kao toplinu.

No energija koju kondenzator pohranjuje prenosi se na krugove koji su s njim povezani tijekom postupka pražnjenja.

Ova značajka kondenzatora za pohranu naboja naziva se reaktancija, a dalje kao kapacitivna reaktancija [Xc] za koju je Ohm standardna mjerna jedinica reaktancije.

Ispraznjeni kondenzator kad je spojen na istosmjernu mrežu, reaktancija ostaje niska u početnoj fazi.

Znatan dio struje kratkim rasponom teče kroz kondenzator, što tjera vodljive ploče da se brzo napune, što na kraju inhibira svaki daljnji prolaz struje.

Kako kondenzator blokira istosmjernu struju?

U otporniku, mreža kondenzatorskih mreža kada vremensko razdoblje dosegne veličinu od 5RC, vodljive ploče kondenzatora se potpuno napune, što znači da je naboj primljen u kondenzator jednak naponu napona, koji zaustavlja svaki daljnji protok struje.

Nadalje, reaktancija kondenzatora u ovoj situaciji pod utjecajem istosmjernog napona doseže maksimalno stanje [mega-oma].

Kondenzator u napajanju izmjeničnom strujom

Što se tiče upotrebe izmjenične struje [AC] za punjenje kondenzatora, pri čemu je protok izmjenične struje uvijek naizmjenično polariziran, kondenzator koji prima protok podvrgnut je stalnom punjenju i pražnjenju preko svojih ploča.

Ako imamo konstantni protok struje, tada također moramo odrediti vrijednost reaktancije kako bismo ograničili protok.

Čimbenici za određivanje vrijednosti kapacitivnog otpora

Ako se osvrnemo prema kapacitivnosti, ustanovit ćemo da je količina naboja na vodljivim pločama kondenzatora proporcionalna vrijednosti kapacitivnosti i naponu.

Sada kada kondenzator dobije strujni tok iz AC ulaza, napajanje naponom prolazi kroz stalnu promjenu njegove vrijednosti, što uvijek mijenja vrijednost ploča previše proporcionalno.

Sada razmotrimo situaciju kada kondenzator sadrži veću vrijednost kapacitivnosti.

U ovoj situaciji otpor R troši više vremena za punjenje kondenzatora τ = RC. To implicira da ako struja punjenja teče dulje vrijeme, reaktancija bilježi manju vrijednost Xc, ovisno o navedenoj frekvenciji.

Identično je ako je vrijednost kondenzatora manja u kondenzatoru, tada je za punjenje kondenzatora potrebno kraće RC vrijeme.

Ovo kraće vrijeme uzrokuje protok struje u kraćem vremenskom rasponu, što rezultira razmjerno manjom vrijednošću reaktancije, Xc.

Stoga je očito da kod većih struja vrijednost reaktancije ostaje mala i obrnuto.

I tako je kapacitivna reaktancija uvijek obrnuto proporcionalna vrijednosti kapacitivnosti kondenzatora.

XC ∝ -1 C.

Od vitalne je važnosti napomenuti da kapacitivnost nije jedini faktor za analizu kapacitivne reaktancije.

S primijenjenom niskom frekvencijom izmjeničnog napona, reaktancija se razvija više vremena na temelju dodijeljene vremenske konstante RC. Nadalje, također blokira struju, što ukazuje na veću vrijednost reaktancije.

Slično tome, ako je primijenjena frekvencija velika, reaktancija omogućuje manji vremenski ciklus za proces punjenja i pražnjenja.

Štoviše, on također prima veći protok struje tijekom procesa, što dovodi do manje reaktancije.

Dakle, ovo dokazuje da impedancija (AC reaktancija) kondenzatora i njegova veličina ovise o frekvenciji. Stoga veća frekvencija rezultira nižom reaktancijom i obrnuto, pa se stoga može zaključiti da je kapacitivni reaktanc Xc obrnuto proporcionalan frekvenciji i kapacitivnosti.

Spomenuta teorija kapacitivne reaktancije može se sažeti u sljedeću jednadžbu:

Xc = 1 / 2πfC

Gdje:

· Xc = Kapacitivni reaktans u ohima, (Ω)


· Π (pi) = numerička konstanta 3,142 (ili 22 ÷ 7)


· Ƒ = Frekvencija u hercima, (Hz)


· C = kapacitet u faradima, (F)

Kapacitivni razdjelnik napona

Ovaj će odjeljak imati za cilj pružiti detaljno objašnjenje o tome kako frekvencija napajanja utječe na dva kondenzatora spojena straga ili u seriju, bolje nazvana kao kapacitivni krug djelitelja napona.

Kapacitivni krug djelitelja napona

Da bismo ilustrirali funkcioniranje kapacitivnog djelitelja napona, pozovimo se na gornji krug. Ovdje su C1 i C2 serijski povezani i povezani na izmjeničnu struju od 10 volti. Budući da su u seriji oba kondenzatora primaju isto punjenje, Q.

Međutim, napon će ostati različit, a ovisi i o vrijednosti kapacitivnosti V = Q / C.

Uzimajući u obzir sliku 1.0, proračun napona na kondenzatoru može se odrediti na različite načine.

Jedna od mogućnosti je saznati ukupnu impedansu kruga i struju strujnog kruga, tj. Pratiti vrijednost kapacitivne reaktancije na svakom kondenzatoru, a zatim izračunati pad napona na njima. Na primjer:

PRIMJER 1

Prema slici 1.0, s C1 i C2 od 10uF, odnosno 20uF, izračunajte efektivne padove napona koji se javljaju na kondenzatoru u situaciji sinusnog napona od 10 volti efektivnih efektivnih vrijednosti 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

Ukupni kapacitivni reaktans

Xc (ukupno) = 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

Struja u krugu

I = E / Xc = 10V / 290Ω

Napon serijski opada za oba kondenzatora. Ovdje se kapacitivni djelitelj napona izračunava kao:

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

Ako se vrijednosti kondenzatora razlikuju, kondenzator manje vrijednosti tada se može napuniti na veći napon u usporedbi s onim velike vrijednosti.

U primjeru 1, zabilježeni naponski naboj iznosi 6,9, odnosno 3,1 za C1 i C2. Budući da se proračun temelji na Kirchoffovoj teoriji napona, ukupni pad napona za pojedini kondenzator jednak je vrijednosti napona napajanja.

BILJEŠKA:

Omjer pada napona za dva kondenzatora koja su spojena na serijski kapacitivni krug djelitelja napona uvijek ostaje isti, čak i ako postoji napajanje frekvencije.

Prema primjeru 1, 6,9 i 3,1 volti su isti, čak i ako je opskrbna frekvencija maksimizirana s 80 na 800Hz.

PRIMJER 2

Kako pronaći pad napona kondenzatora pomoću istih kondenzatora korištenih u Primjeru 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 (ukupno) = 10 / 2,9 = 3,45 ampera

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

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

Kako omjer napona ostaje isti za oba kondenzatora, s povećanjem učestalosti napajanja, njegov se utjecaj vidi u obliku smanjenja kombinirane kapacitivne reaktancije, kao i ukupne impedancije kruga.

Smanjena impedancija uzrokuje veći protok struje, na primjer, struja kruga na 80Hz je oko 34,5mA, dok na 8kHz može doći do 10-strukog povećanja napajanja strujom, odnosno oko 3,45A.

Dakle, može se zaključiti da je protok struje kroz kapacitivni djelitelj napona proporcionalan frekvenciji, I ∝ f.

Kao što je gore spomenuto, kapacitivni razdjelnici koji uključuju niz kondenzatora spojenih, svi padaju izmjenični napon.

Da bi se utvrdio ispravan pad napona, kapacitivni razdjelnici uzimaju vrijednost kapacitivne reaktancije kondenzatora.

Stoga on ne radi kao razdjelnik za istosmjerni napon, jer u istosmjernom naponu kondenzatori zaustavljaju i blokiraju struju, što uzrokuje nulto strujanje.

Razdjelnici se mogu koristiti u slučajevima kada se napajanje pokreće frekvencijom.

Široka je paleta elektroničke upotrebe kapacitivnog razdjelnika napona, od uređaja za skeniranje prstiju do Colpitts oscilatora. Također je poželjna kao jeftina alternativa za mrežni transformator gdje se koristi kapacitivni djelitelj napona za ispuštanje velike mrežne struje.