Kapacitiv spændingsdeler

I dette indlæg lærer vi, hvordan kapacitive spændingsdelerkredsløb fungerer i elektroniske kredsløb gennem formler og løste eksempler.

Af: Dhrubajyoti Biswas

Hvad er et spændingsdeler-netværk

Når vi taler om et spændingsdelerkredsløb, er det vigtigt at bemærke, at spændingen i delerkredsen fordeles ligeligt mellem alle de eksisterende komponenter, der er forbundet med netværket, selvom kapaciteten kan variere baseret på komponenternes konstruktion.

Et spændingsdelerkredsløb kan bygges ud af reaktive komponenter eller endda fra faste modstande.

Når man sammenligner med kapacitive spændingsdelere, forbliver de modstandsdelere imidlertid upåvirket af forsyningsfrekvensen.

Formålet med dette papir er at give en detaljeret forståelse af kapacitive spændingsdelere. Men for at få mere indsigt er det vigtigt at specificere kapacitiv reaktans og dens virkning på kondensatorerne ved forskellige frekvenser.

En kondensator er lavet af to ledende plader, der er placeret parallelt med hinanden, som desuden er adskilt med en isolator. Disse to plader har en positiv (+) og en anden negativ (-) ladning.

Når en kondensator er fuldt opladet via jævnstrøm, blokerer dielektrikummet [populært betegnet som isolator] strømmen over pladerne.

Et andet vigtigt kendetegn ved en kondensator i forhold til en modstand er: En kondensator lagrer energi på de ledende plader under opladning, hvilket modstanden ikke gør, da den altid har tendens til at frigive overskydende energi som varme.

Men den energi, der lagres af en kondensator, ledes til de kredsløb, der er forbundet med den under dens afladningsproces.

Denne egenskab ved en kondensator til lagring af ladningen kaldes reaktans og yderligere kaldet kapacitiv reaktans [Xc], for hvilken Ohm er standard måleenhed for reaktans.

En afladet kondensator, når den er tilsluttet en jævnstrømsforsyning, forbliver reaktansen lav i det indledende trin.

En væsentlig del af strømmen strømmer via kondensatoren i et kort tidsrum, hvilket tvinger de ledende plader hurtigt til at blive ladet, og dette hæmmer til sidst enhver yderligere passage af strøm.

Hvordan kondensator blokerer DC?

I en modstand, kondensatorserienetværk, når tidsperioden når en størrelse på 5RC, bliver kondensatorens ledende plader fuldt opladede, hvilket betyder, at ladningen modtaget af kondensatoren er lig med spændingsforsyningen, som stopper yderligere strøm.

Desuden når kondensatorens reaktans i denne situation under indflydelse af jævnstrømsspændingen til maks. Tilstand [mega-ohm].

Kondensator i vekselstrømsforsyning

Med hensyn til anvendelse af vekselstrøm [AC] til at oplade en kondensator, hvor vekselstrømsstrømmen altid er skiftevis polariseret, udsættes kondensatoren, der modtager strømmen, konstant for opladning og afladning over dens plader.

Hvis vi nu har konstant strømflow, er vi også nødt til at bestemme reaktansværdien for at begrænse strømmen.

Faktorer til bestemmelse af værdien af ​​kapacitiv modstand

Hvis vi ser tilbage på kapacitansen, finder vi ud af, at mængden af ​​ladning på kondensatorens ledende plader er proportional med værdien af ​​kapacitansen og spændingen.

Når en kondensator nu får strøm fra en vekselstrømsindgang, gennemgår spændingsforsyningen en konstant ændring i dens værdi, som altid ændrer pladernes værdi for forholdsmæssigt.

Lad os nu overveje en situation, hvor en kondensator indeholder højere kapacitansværdi.

I denne situation bruger modstanden R mere tid til at oplade kondensatoren τ = RC. Dette indebærer, at hvis ladestrømmen flyder i længere tid, registrerer reaktansen en mindre værdi Xc afhængigt af den specificerede frekvens.

Hvis kapacitansværdien er mindre i en kondensator, kræver det kortere RC-tid at oplade kondensatoren.

Denne kortere tid forårsager strømmen i en kortere tidsperiode, hvilket resulterer i en forholdsvis mindre reaktansværdi, Xc.

Derfor er det tydeligt, at med højere strømme forbliver værdien af ​​reaktansen lille og omvendt.

Og således er kapacitiv reaktans altid omvendt proportional med kondensatorens kapacitansværdi.

XC -1 -1 C.

Det er vigtigt at bemærke, at kapacitans ikke er den eneste faktor til analyse af kapacitiv reaktans.

Med en lav frekvens af den anvendte vekselstrøm får reaktansen mere tid til at udvikle sig baseret på den tildelte RC-tidskonstant. Yderligere blokerer den også strømmen, hvilket indikerer højere reaktansværdi.

Tilsvarende, hvis den anvendte frekvens er høj, tillader reaktansen, at der opstår en mindre tidscyklus for opladning og afladning.

Desuden modtager den også højere strømflow under processen, hvilket fører til lavere reaktans.

Så dette beviser, at kondensatorens impedans (AC-reaktans) og dens størrelse afhænger af frekvensen. Derfor resulterer højere frekvens i lavere reaktans og omvendt, og det kan derfor konkluderes, at kapacitiv reaktans Xc er omvendt proportional med frekvensen og kapacitansen.

Den nævnte teori om kapacitiv reaktans kan opsummeres med følgende ligning:

Xc = 1 / 2πfC

Hvor:

· 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 spændingsdeler

Dette afsnit har til formål at give en detaljeret forklaring på, hvordan forsyningsfrekvensen påvirker to kondensatorer, der er tilsluttet ryg til ryg eller i serie, bedre betegnet som kapacitiv spændingsdelerkredsløb.

Kapacitiv spændingsdelerkreds

For at illustrere en kapacitiv spændingsdelers funktion, lad os henvise til kredsløbet ovenfor. Her er C1 og C2 i serie og tilsluttet en vekselstrømsforsyning på 10 volt. At være i serie begge kondensatorer modtager samme opladning, Q.

Spændingen forbliver dog forskellig, og den er også afhængig af værdien af ​​kapacitans V = Q / C.

I betragtning af figur 1.0 kan beregningen af ​​spænding på tværs af kondensatoren bestemmes på forskellige måder.

En mulighed er at finde ud af den samlede kredsløbsimpedans og kredsløbsstrøm, dvs. at spore værdien af ​​kapacitiv reaktans på hver kondensator og derefter beregne spændingsfaldet over dem. For eksempel:

EKSEMPEL 1

Som i figur 1.0 beregnes rms-spændingsfald, der opstår over kondensatoren i henhold til C1 og C2 på henholdsvis 10uF og 20uF, i en situation med sinusformet spænding på 10 volt rms @ 80Hz.

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

Total kapacitiv reaktans

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

Strøm i kredsløbet

I = E / Xc = 10V / 290Ω

Spændingen falder serielt for både kondensatoren. Her beregnes den kapacitive spændingsdeler som:

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

Hvis kondensatorernes værdier adskiller sig, kan kondensatoren med mindre værdi derefter oplades til en højere spænding sammenlignet med den store værdi.

I eksempel 1 er den registrerede spændingsladning henholdsvis 6,9 og 3,1 for C1 og C2. Nu da beregningen er baseret på Kirchoffs teori om spænding, er den samlede spændingsfald for den enkelte kondensator lig med forsyningsspændingsværdien.

BEMÆRK:

Spændingsfaldsforholdet for de to kondensatorer, der er forbundet til seriekapacitivt spændingsdelerkredsløb, forbliver altid det samme, selvom der er en frekvens i forsyningen.

Derfor er som i eksempel 1 6,9 og 3,1 volt de samme, selvom forsyningsfrekvensen er maksimeret fra 80 til 800Hz.

EKSEMPEL 2

Hvordan finder man kondensatorens spændingsfald ved hjælp af de samme kondensatorer, der er brugt i eksempel 1?

Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 8000 x 10 uF = 2 Ohm

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

I = V / Xc (total) = 10 / 2,9 = 3,45 ampere

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

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

Da spændingsforholdet forbliver det samme for begge kondensatorer med stigende forsyningsfrekvens, ses dets indvirkning i form af et fald i den kombinerede kapacitive reaktans såvel som for den samlede kredsløbsimpedans.

En reduceret impedans forårsager højere strøm, for eksempel er kredsløbsstrømmen ved 80Hz omkring 34,5 mA, mens der ved 8 kHz kan være en 10 gange stigning i strømforsyningen, det vil sige omkring 3,45A.

Så det kan konkluderes, at strømmen af ​​strøm via kapacitiv spændingsdeler er proportional med frekvensen, I ∝ f.

Som diskuteret ovenfor falder de kapacitive skillevægge, der involverer en række tilsluttede kondensatorer, alle AC-spænding.

For at finde ud af det korrekte spændingsfald tager de kapacitive delere værdien af ​​en kondensator kapacitiv reaktans.

Derfor fungerer det ikke som skillevægge for jævnstrømsspænding, da i jævnstrøm kondensatorerne standser og blokerer strøm, hvilket forårsager nul strøm.

Opdelerne kan bruges i tilfælde, hvor forsyningen drives af frekvens.

Der er en bred vifte af elektronisk brug af kapacitiv spændingsdeler, fra fingerscannerenhed til Colpitts-oscillatorer. Det foretrækkes også udførligt som billig alternativ til strømtransformator, hvor kapacitiv spændingsdeler anvendes til at droppe høj strøm.