Kapasitiv spenningsdeler

I dette innlegget lærer vi hvordan kapasitive spenningsdelerkretser fungerer i elektroniske kretser, gjennom formler og løste eksempler.

Av: Dhrubajyoti Biswas

Hva er et Voltage Divider Network

Når vi snakker om en spenningsdelerkrets, er det viktig å merke seg at spenningen i delerkretsen blir jevnt fordelt mellom alle eksisterende komponenter tilknyttet nettverket, selv om kapasiteten kan variere basert på komponentene.

En spenningsdelerkrets kan bygges ut av reaktive komponenter eller til og med fra faste motstander.

Imidlertid, når man sammenligner med kapasitive spenningsdelere, forblir de resistive skillelinjene upåvirket av forandringsfrekvensen.

Formålet med denne artikkelen er å gi en detaljert forståelse av kapasitive spenningsdelere. Men for å få mer innsikt er det viktig å detaljere kapasitiv reaktans og dens effekt på kondensatorene ved varierte frekvenser.

En kondensator er laget av to ledende plater, plassert parallelt med hverandre, som i tillegg er atskilt med en isolator. Disse to platene har en positiv (+) og en annen negativ (-) ladning.

Når en kondensator er fulladet via likestrøm, setter dielektrikken [populært referert til isolator] fast strømstrømmen over platene.

Et annet viktig kjennetegn ved en kondensator i forhold til en motstand er: En kondensator lagrer energi på de ledende platene under ladning, noe motstanden ikke har, da den alltid har en tendens til å frigjøre overflødig energi som varme.

Men energien lagret av en kondensator føres til kretsene som er koblet til den under utladningsprosessen.

Denne funksjonen til en kondensator for å lagre ladningen blir referert til som reaktans, og videre referert til som kapasitiv reaktans [Xc] som Ohm er standard måleenhet for reaktans.

En utladet kondensator når den er koblet til en DC-strømforsyning, forblir reaktansen lav i begynnelsen.

En betydelig del av strømmen strømmer via kondensatoren for et kort spenn, noe som tvinger de ledende platene til å bli ladet raskt, og dette hindrer til slutt enhver videre strømgjennomgang.

Hvordan kondensator blokkerer DC?

I en motstand, kondensatorserienettverk når tidsperioden når en størrelse på 5RC, blir konduktorens ledende plater fulladet, noe som betyr at ladningen mottatt av kondensatoren er lik spenningsforsyningen, som stopper ytterligere strømstrøm.

Videre når kondensatorens reaktans i denne situasjonen under påvirkning av DC-spenningen til maks tilstand [mega-ohm].

Kondensator i vekselstrømforsyning

Når det gjelder bruk av vekselstrøm [AC] for å lade en kondensator, hvor vekselstrømmen alltid er vekselvis polarisert, blir kondensatoren som mottar strømmen utsatt for en konstant lading og utlading over platene.

Nå hvis vi har konstant strøm, må vi også bestemme reaktansverdien for å begrense strømmen.

Faktorer for å bestemme verdien av kapasitiv motstand

Hvis vi ser tilbake på kapasitansen, vil vi finne at ladningsmengden på kondensatorens ledende plater er proporsjonal med verdien av kapasitansen og spenningen.

Når en kondensator nå får strøm fra en vekselstrøminngang, går spenningsforsyningen gjennom en konstant endring i verdien, som alltid endrer platens verdi for proporsjonalt.

La oss nå vurdere en situasjon der en kondensator inneholder høyere kapasitansverdi.

I denne situasjonen bruker motstanden R mer tid til å lade kondensatoren τ = RC. Dette innebærer at hvis ladestrømmen strømmer over lengre tid, registrerer reaktansen en mindre verdi Xc, avhengig av spesifisert frekvens.

Identisk hvis kapasitansverdien er mindre i en kondensator, krever det kortere RC-tid for å lade kondensatoren.

Denne kortere tiden forårsaker strømmen i kortere tid, noe som resulterer i relativt mindre reaktansverdi, Xc.

Derfor er det tydelig at med høyere strømmer forblir verdien av reaktansen liten og omvendt.

Og dermed er kapasitiv reaktans alltid omvendt proporsjonal med kondensatorens kapasitansverdi.

XC ∝ -1 C.

Det er viktig å merke seg at kapasitans ikke er den eneste faktoren for å analysere kapasitiv reaktans.

Med en lav frekvens av vekselspenningen som brukes, får reaktansen mer tid til å utvikle seg basert på den tildelte RC-tidskonstanten. Videre blokkerer den også strømmen, noe som indikerer høyere reaktansverdi.

Tilsvarende, hvis frekvensen som er brukt er høy, tillater reaktansen mindre tidssyklus for lading og utladning.

Videre mottar den også høyere strømstrøm under prosessen, noe som fører til lavere reaktans.

Så dette beviser at impedansen (AC-reaktansen) til en kondensator og dens størrelse er avhengig av frekvensen. Derfor resulterer høyere frekvens i lavere reaktans og omvendt, og dermed kan det konkluderes med at kapasitiv reaktans Xc er omvendt proporsjonal med frekvensen og kapasitansen.

Nevnte teori om kapasitiv reaktans kan oppsummeres med følgende ligning:

Xc = 1 / 2πfC

Hvor:

· Xc = kapasitiv reaktans i ohm, (Ω)


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


· Ƒ = Frekvens i Hertz, (Hz)


· C = kapasitet i Farads, (F)

Kapasitiv spenningsdeler

Denne delen vil ta sikte på å gi en detaljert forklaring på hvordan forsyningsfrekvensen påvirker to kondensatorer som er koblet tilbake til rygg eller i serie, bedre betegnet som kapasitiv spenningsdelerkrets.

Kapasitiv spenningsdelerkrets

For å illustrere en kapasitiv spenningsdeler som fungerer, la oss referere til kretsen ovenfor. Her er C1 og C2 i serie og koblet til en vekselstrømforsyning på 10 volt. Å være i serie begge kondensatorene får samme lading, Q.

Imidlertid vil spenningen forbli forskjellig, og den er også avhengig av verdien av kapasitans V = Q / C.

Tatt i betraktning figur 1.0, kan beregningen av spenningen over kondensatoren bestemmes på forskjellige måter.

Et alternativ er å finne ut den totale kretsimpedansen og kretsstrømmen, dvs. spore verdien av kapasitiv reaktans på hver kondensator og deretter beregne spenningsfallet over dem. For eksempel:

EKSEMPEL 1

I henhold til figur 1.0, med henholdsvis C1 og C2 på henholdsvis 10uF og 20uF, beregne rms spenningsfall som oppstår over kondensatoren i en situasjon med sinusformet spenning 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 kapasitiv reaktans

Xc (total) = 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

Strøm i kretsen

I = E / Xc = 10V / 290Ω

Spenningen faller serielt for begge kondensatorene. Her beregnes den kapasitive spenningsdeleren som:

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

Hvis verdiene til kondensatorene er forskjellige, kan kondensatoren med mindre verdi deretter lade til en høyere spenning i forhold til den store verdien.

I eksempel 1 er spenningsladingen registrert henholdsvis 6,9 og 3,1 for C1 og C2. Nå siden beregningen er basert på Kirchoffs teori om spenning, tilsvarer den totale spenningsfallet for individuell kondensator lik spenningsverdien.

MERK:

Spenningsfallforholdet for de to kondensatorene som er koblet til serie kapasitiv spenningsdelerkrets forblir alltid den samme selv om det er en frekvens i forsyningen.

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

EKSEMPEL 2

Hvordan finner du kondensatorens spenningsfall ved å bruke de samme kondensatorene som brukes i eksempel 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 (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

Siden spenningsforholdet forblir det samme for begge kondensatorene, med økende forsyningsfrekvens, blir dens innvirkning sett i form av en reduksjon av kombinert kapasitiv reaktans, så vel som for total kretsimpedans.

En redusert impedans forårsaker høyere strøm, for eksempel er kretsstrømmen ved 80Hz rundt 34,5mA, mens det ved 8kHz kan være en 10 ganger økning i strømforsyningen, det vil si rundt 3,45A.

Så det kan konkluderes med at strømmen via kapasitiv spenningsdeler er proporsjonal med frekvensen, I ∝ f.

Som diskutert ovenfor, faller de kapasitive skillelinjene som involverer en serie kondensatorer som er tilkoblet, alle vekselspenningen.

For å finne ut riktig spenningsfall tar de kapasitive delene verdien av kapasitiv reaktans til en kondensator.

Derfor fungerer det ikke som skillevegger for DC-spenning, siden i DC kondensatorene stopper og blokkerer strøm, noe som forårsaker nullstrøm.

Delene kan brukes i tilfeller der forsyningen drives av frekvens.

Det er et bredt spekter av elektronisk bruk av kapasitiv spenningsdeler, fra fingerscannerenhet til Colpitts oscillatorer. Det er også foretrukket i stor grad som billig alternativ for strømtransformator der kapasitiv spenningsdeler benyttes for å slippe høy strøm.