Kapacitatīvais sprieguma dalītājs

Šajā amatā mēs uzzinām, kā kapacitatīvās sprieguma dalītāja shēmas darbojas elektroniskajās ķēdēs, izmantojot formulas un atrisinātus piemērus.

Autors: Dhrubajyoti Biswas

Kas ir sprieguma dalītāja tīkls

Runājot par sprieguma dalītāja ķēdi, ir svarīgi atzīmēt, ka sadalītāja ķēdes spriegums tiek vienādi sadalīts starp visiem esošajiem komponentiem, kas saistīti ar tīklu, lai gan jauda var atšķirties atkarībā no komponentu uzbūves.

Sprieguma dalītāja ķēdi var uzbūvēt no reaktīviem komponentiem vai pat no fiksētiem rezistoriem.

Tomēr, salīdzinot ar kapacitatīvajiem sprieguma dalītājiem, rezistīvos dalītājus neietekmē barošanas frekvences maiņa.

Šī raksta mērķis ir sniegt detalizētu izpratni par kapacitatīvajiem sprieguma dalītājiem. Bet, lai iegūtu lielāku ieskatu, ir svarīgi detalizēti aprakstīt kapacitatīvo reaktivitāti un tās ietekmi uz kondensatoriem dažādās frekvencēs.

Kondensators ir izgatavots no divām vadošām plāksnēm, kas novietotas paralēli viena otrai un kuras papildus atdala ar izolatoru. Šīm divām plāksnēm ir viens pozitīvs (+) un vēl viens negatīvs (-) lādiņš.

Kad kondensators tiek pilnībā uzlādēts, izmantojot līdzstrāvu, dielektriskais [tautā saukts par izolatoru] iestrēgst strāvas plūsmu pāri plāksnēm.

Vēl viena svarīga kondensatora īpašība salīdzinājumā ar rezistoru ir: Kondensators uzlādes laikā akumulē enerģiju uz vadošajām plāksnēm, kuras rezistors to nedara, jo tas vienmēr mēdz atbrīvot lieko enerģiju kā siltumu.

Bet kondensatora uzkrātā enerģija tiek novadīta ķēdēm, kas ar to ir saistītas izlādes procesā.

Šī kondensatora īpašība lādiņa uzkrāšanai tiek saukta par reaktivitāti un tālāk saukta par kapacitātes reaktivitāti [Xc], kurai Ohm ir standarta reaktivitātes mērvienība.

Izlādēts kondensators, kad tas ir pievienots līdzstrāvas barošanas avotam, reaktivitāte sākotnējā posmā paliek zema.

Ievērojama strāvas daļa īsā laikā plūst caur kondensatoru, kas piespiež vadošās plāksnes ātri uzlādēt, un tas galu galā kavē turpmāku strāvas pāreju.

Kā kondensators bloķē līdzstrāvu?

Rezistora, kondensatora sērijas tīklā, kad laika periods sasniedz 5RC lielumu, kondensatora vadošās plāksnes pilnībā uzlādējas, kas nozīmē, ka kondensatora saņemtais lādiņš ir vienāds ar sprieguma padevi, kas aptur jebkādu turpmāku strāvas plūsmu.

Turklāt kondensatora reaktivitāte šajā situācijā līdzstrāvas sprieguma ietekmē sasniedz maksimālo stāvokli [mega-omi].

Kondensators maiņstrāvas padevē

Attiecībā uz maiņstrāvas [maiņstrāvas] izmantošanu kondensatora uzlādēšanai, kur maiņstrāvas plūsmas plūsma vienmēr ir pārmaiņus polarizēta, kondensators, kas saņem plūsmu, tiek pastāvīgi uzlādēts un izlādēts pāri tā plāksnēm.

Ja mums ir pastāvīga strāvas plūsma, mums jānosaka arī reaktivitātes vērtība, lai ierobežotu plūsmu.

Faktori kapacitatīvās pretestības vērtības noteikšanai

Ja mēs atskatīsimies uz kapacitāti, mēs atklāsim, ka lādiņa daudzums uz kondensatora vadošajām plāksnēm ir proporcionāls kapacitātes un sprieguma vērtībai.

Tagad, kad kondensators saņem strāvas plūsmu no maiņstrāvas ieejas, sprieguma padeve pastāvīgi mainās tā vērtībā, kas nemainīgi pārāk proporcionāli maina plākšņu vērtību.

Tagad ņemsim vērā situāciju, kad kondensatorā ir lielāka kapacitātes vērtība.

Šajā situācijā pretestība R patērē vairāk laika kondensatora uzlādēšanai τ = RC. Tas nozīmē, ka, ja uzlādes strāva plūst ilgāku laiku, reaktivitāte reģistrē mazāku vērtību Xc atkarībā no norādītās frekvences.

Ja kondensatorā kapacitātes vērtība ir mazāka, kondensatora uzlādēšanai nepieciešams īsāks RC laiks.

Šis īsākais laiks rada īsāku strāvas plūsmu, kā rezultātā relatīvi mazāka reaktivitātes vērtība Xc.

Tāpēc ir acīmredzams, ka pie lielākas strāvas reaktivitātes vērtība paliek maza un otrādi.

Tādējādi kapacitatīvā reaktivitāte vienmēr ir apgriezti proporcionāla kondensatora kapacitātes vērtībai.

XC ∝ -1 C.

Ir ļoti svarīgi atzīmēt, ka kapacitāte nav vienīgais faktors, lai analizētu kapacitatīvo reaktivitāti.

Izmantojot zemu maiņstrāvas sprieguma frekvenci, reaktivitāte iegūst vairāk laika, pamatojoties uz piešķirto RC laika konstanti. Turklāt tas arī bloķē strāvu, norādot lielāku reaktivitātes vērtību.

Līdzīgi, ja pielietotā frekvence ir augsta, reaktivitāte ļauj veikt mazāku laika ciklu uzlādes un izlādes procesam.

Turklāt procesa laikā tā saņem arī lielāku strāvas plūsmu, kas noved pie zemākas reaktivitātes.

Tātad tas pierāda, ka kondensatora pretestība (maiņstrāvas reaktivitāte) un tā lielums ir atkarīgs no frekvences. Tāpēc augstāka frekvence rada zemāku reaktivitāti un otrādi, un tādējādi var secināt, ka kapacitatīvā reakcija Xc ir apgriezti proporcionāla frekvencei un kapacitātei.

Minēto kapacitatīvās reaktivitātes teoriju var apkopot ar šādu vienādojumu:

Xc = 1 / 2πfC

Kur:

· Xc = kapacitatīvā reaktivitāte omos, (Ω)


· Π (pi) = skaitliskā konstante 3,142 (vai 22 ÷ 7)


· Ƒ = frekvence hercos, (Hz)


· C = kapacitāte farādos, (F)

Kapacitatīvais sprieguma dalītājs

Šīs sadaļas mērķis būs sniegt detalizētu skaidrojumu par to, kā barošanas frekvence ietekmē divus kondensatorus, kas savienoti aizmugurē vai virknē, labāk tos sauc par kapacitatīvā sprieguma dalītāja ķēdi.

Kapacitatīvā sprieguma dalītāja ķēde

Lai ilustrētu kapacitatīvā sprieguma dalītāja darbību, aplūkosim iepriekš minēto ķēdi. Šeit C1 un C2 ir virknē un savienoti ar maiņstrāvas avotu 10 volti. Atrodoties virknē, abi kondensatori saņem vienādu lādiņu, Q.

Tomēr spriegums paliks atšķirīgs, un tas ir atkarīgs arī no kapacitātes vērtības V = Q / C.

Ņemot vērā 1.0. Attēlu, kondensatora sprieguma aprēķinu var noteikt dažādos veidos.

Viena no iespējām ir noskaidrot ķēdes kopējo pretestību un ķēdes strāvu, t.i., izsekot katra kondensatora kapacitatīvās reaktivitātes vērtību un pēc tam aprēķināt sprieguma kritumu pāri tām. Piemēram:

1. PIEMĒRS

Kā parādīts 1.0. Attēlā, ar C1 un C2 attiecīgi 10uF un 20uF, aprēķiniet vidējā kvadrātiskā sprieguma kritumus, kas notiek pāri kondensatoram sinusoidālā sprieguma situācijā, kas ir 10 volti vidējā kvadrātiskā 80 Hz.

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

Kopējā kapacitatīvā reakcija

Xc (kopā) = 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

Strāva ķēdē

I = E / Xc = 10 V / 290Ω

Spriegums sērijveidā samazinās abiem kondensatoriem. Šeit kapacitatīvā sprieguma dalītāju aprēķina kā:

Vc1 = I x Xc1 = 34.5mA x 200Ω = 6.9V
Vc2 = I x Xc2 = 34.5mA x 90Ω = 3.1V

Ja kondensatoru vērtības atšķiras, mazāku kondensatoru var uzlādēt līdz augstākam spriegumam salīdzinājumā ar lielo.

1. piemērā reģistrētais sprieguma lādiņš ir attiecīgi 6,9 un 3,1 C1 un C2. Tā kā aprēķins balstās uz Kirhofa sprieguma teoriju, kopējais sprieguma kritums atsevišķam kondensatoram ir vienāds ar barošanas sprieguma vērtību.

PIEZĪME:

Sprieguma krituma koeficients diviem kondensatoriem, kas ir savienoti ar virknes kapacitatīvā sprieguma dalītāja ķēdi, vienmēr paliek nemainīgi, pat ja barošanā ir frekvence.

Tāpēc, kā norādīts 1. piemērā, 6,9 un 3,1 volti ir vienādi, pat ja barošanas frekvence ir maksimāli palielināta no 80 līdz 800 Hz.

2. PIEMĒRS

Kā atrast kondensatora sprieguma kritumu, izmantojot tos pašus kondensatorus, kas izmantoti 1. piemērā?

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 (kopā) = 10 / 2,9 = 3,45 ampēri

Tāpēc Vc1 = I x Xc1 = 3.45A x 2Ω = 6.9V

Un Vc2 = I x Xc2 = 3.45A x 0.9 Ω = 3.1V

Tā kā sprieguma attiecība abiem kondensatoriem paliek nemainīga, palielinoties barošanas frekvencei, tā ietekme ir redzama gan kombinētās kapacitatīvās reaktivitātes samazināšanās, gan kopējās ķēdes pretestības formā.

Samazināta pretestība izraisa lielāku strāvas plūsmu, piemēram, ķēdes strāva 80Hz ir aptuveni 34,5mA, savukārt pie 8kHz strāvas padeve var pieaugt 10 reizes, tas ir, aptuveni 3,45A.

Tātad var secināt, ka strāvas plūsma caur kapacitatīvo sprieguma dalītāju ir proporcionāla frekvencei I ∝ f.

Kā apspriests iepriekš, kapacitatīvie dalītāji, kas saistīti ar virkni pievienotu kondensatoru, tie visi pazemina maiņstrāvas spriegumu.

Lai uzzinātu pareizo sprieguma kritumu, kapacitatīvie dalītāji ņem kondensatora kapacitatīvās reaktivitātes vērtību.

Tāpēc tas nedarbojas kā līdzstrāvas sprieguma dalītāji, jo līdzstrāvā kondensatori apstādina un bloķē strāvu, kas izraisa nulles strāvas plūsmu.

Sadalītājus var izmantot gadījumos, kad padevi vada frekvence.

Ir plašs kapacitatīvā sprieguma dalītāja elektroniskā pielietojuma klāsts, sākot no pirkstu skenēšanas ierīces līdz Colpitts oscilatoriem. Tas ir arī priekšroka plaši kā tīkla transformatora lēta alternatīva, kur kapacitatīvā sprieguma dalītājs tiek izmantots, lai nomestu lielu tīkla strāvu.