Kapacitív feszültségosztó

Ebben a bejegyzésben megtudhatjuk, hogyan működnek a kapacitív feszültségosztó áramkörök az elektronikus áramkörökben, képletek és megoldott példák segítségével.

Szerző: Dhrubajyoti Biswas

Mi a feszültségosztó hálózat

A feszültségosztó áramkörről szólva fontos megjegyezni, hogy az osztó áramkör feszültsége egyenlően oszlik meg a hálózathoz társított összes létező komponens között, bár a kapacitás az alkatrészek felépítésétől függően változhat.

A feszültségosztó áramkör reaktív alkatrészekből vagy akár rögzített ellenállásokból is felépíthető.

A kapacitív feszültségosztókkal összehasonlítva azonban a rezisztív elválasztókat nem befolyásolja az ellátás frekvenciaváltozása.

A cikk célja a kapacitív feszültségosztók részletes megértése. A nagyobb betekintés érdekében elengedhetetlen részletezni a kapacitív reaktanciát és annak hatását a kondenzátorokra változó frekvencián.

A kondenzátor két vezetőlemezből áll, amelyek egymással párhuzamosan vannak elhelyezve, és amelyeket szigetelővel külön választanak el. Ennek a két lemeznek van egy pozitív (+) és egy másik negatív (-) töltése.

Amikor a kondenzátort egyenárammal töltik fel teljesen, a dielektromos (közönségesen a szigetelőre hivatkozva) elakítja az áramot a lemezeken.

A kondenzátor másik fontos jellemzője az ellenállással szemben: A kondenzátor töltés közben energiát tárol a vezetőlemezeken, amit az ellenállás nem, mivel mindig felesleges energiát bocsát ki hőként.

De a kondenzátor által tárolt energiát továbbítják az áramkörökhöz, amelyek a kisütési folyamat során kapcsolódnak hozzá.

A töltés tárolására szolgáló kondenzátornak ezt a tulajdonságát reaktanciának nevezzük, és tovább kapacitív reaktivitásnak [Xc] nevezzük, amelynek Ohm a reaktancia szokásos mértékegysége.

Ha a lemerült kondenzátort egyenáramú tápegységhez csatlakoztatjuk, a reaktancia a kezdeti szakaszban alacsony marad.

Az áram jelentős része rövid időtartamra átfolyik a kondenzátoron, amely a vezetőlemezeket gyorsan feltölti, és ez végül gátolja az áram további áthaladását.

Hogyan blokkolja a kondenzátor a DC-t?

Egy ellenállás, kondenzátor soros hálózatban, amikor az időtartam eléri az 5RC nagyságrendet, a kondenzátor vezetőlemezei teljesen feltöltődnek, ami azt jelzi, hogy a kondenzátor által fogadott töltés egyenlő a feszültségellátással, ami megállítja a további áramáramlást.

Ezenkívül a kondenzátor reaktanciája ebben a helyzetben az egyenfeszültség hatására eléri a max állapotot [mega-ohm].

Kondenzátor váltakozó áramú tápellátásban

A váltakozó áramú [AC] kondenzátor töltésére való felhasználása esetén, ahol az váltóáramú áram mindig váltakozva polarizált, az áramot fogadó kondenzátort állandó töltésnek és lemerülésnek vetik alá a lemezei.

Ha állandó áramáramunk van, akkor meg kell határoznunk a reaktancia értékét is, hogy korlátozzuk az áramlást.

A kapacitív ellenállás értékének meghatározására szolgáló tényezők

Ha visszatekintünk a kapacitásra, azt találjuk, hogy a kondenzátor vezetőlemezén lévő töltés mennyisége arányos a kapacitás és a feszültség értékével.

Amikor egy kondenzátor áramáramot kap egy váltakozó áramú bemenetről, a feszültségellátás állandó értékváltozáson megy keresztül, amely változatlanul túl arányosan változtatja meg a lemezek értékét.

Most vegyünk egy olyan helyzetet, amikor egy kondenzátor nagyobb kapacitást tartalmaz.

Ebben a helyzetben az R ellenállás több időt vesz igénybe a kondenzátor feltöltésére τ = RC. Ez azt jelenti, hogy ha a töltőáram hosszabb ideig folyik, a reaktancia kisebb Xc értéket rögzít, a megadott frekvenciától függően.

Ugyanúgy, ha a kondenzátor értéke kisebb egy kondenzátorban, akkor a kondenzátor feltöltéséhez rövidebb RC időre van szükség.

Ez a rövidebb idő rövidebb időtartamra okozza az áram áramlását, ami viszonylag kisebb reaktancia értéket eredményez, Xc.

Ezért nyilvánvaló, hogy nagyobb áramok esetén a reaktancia értéke kicsi marad, és fordítva.

És így a kapacitív reaktancia mindig fordítottan arányos a kondenzátor kapacitási értékével.

XC ∝ -1 C.

Létfontosságú megjegyezni, hogy a kapacitás nem az egyetlen tényező a kapacitív reaktancia elemzéséhez.

Az alkalmazott váltakozó feszültség alacsony frekvenciájával a reaktancia több időt kap a kialakított RC időállandó alapján. Ezenkívül blokkolja az áramot is, jelezve a magasabb reaktancia értéket.

Hasonlóképpen, ha az alkalmazott frekvencia magas, a reaktancia kisebb időtartamot tesz lehetővé a töltési és kisütési folyamat megvalósításához.

Sőt, a folyamat során nagyobb áramot is kap, ami alacsonyabb reaktivitáshoz vezet.

Tehát ez azt bizonyítja, hogy a kondenzátor impedanciája (AC reaktanciája) és nagysága a frekvenciától függ. Ezért a magasabb frekvencia alacsonyabb reaktanciát eredményez, és fordítva, és így arra lehet következtetni, hogy az Xc kapacitív reaktivitás fordítottan arányos a frekvenciával és a kapacitással.

A kapacitív reaktancia említett elmélete a következő egyenlettel foglalható össze:

Xc = 1 / 2πfC

Hol:

· Xc = Kapacitív reaktivitás ohmban (Ω)


· Π (pi) = 3,142 (vagy 22 ÷ 7) numerikus állandó


· Ƒ = frekvencia hercben, (Hz)


· C = kapacitás Farádokban, (F)

Kapacitív feszültségosztó

Ez a szakasz részletes magyarázatot fog adni arra vonatkozóan, hogy az áramellátás frekvenciája hogyan befolyásolja két kondenzátort, amelyek egymáshoz vagy egymáshoz vannak kapcsolva, jobban nevezik őket kapacitív feszültségosztó áramkörnek.

Kapacitív feszültségosztó áramkör

A kapacitív feszültségosztó működésének szemléltetésére utaljunk a fenti áramkörre. Itt a C1 és C2 sorba vannak kapcsolva, és 10 voltos váltakozó áramú tápegységhez vannak csatlakoztatva. Soros állapotban mindkét kondenzátor azonos töltést kap, Q.

A feszültség azonban más marad, és függ a V = Q / C kapacitás értékétől is.

Figyelembe véve az 1.0 ábrát, a kondenzátor feszültségének kiszámítása különböző módon határozható meg.

Az egyik lehetőség az, hogy megtudja az áramkör teljes impedanciáját és az áramáramot, vagyis a kapacitív reaktancia értékét felkutatja az egyes kondenzátorokon, majd kiszámítja a rajtuk átmenő feszültségesést. Például:

1. példa

Az 1.0 ábra szerint 10uF, illetve 20uF C1 és C2 értékekkel számítsuk ki a kondenzátoron bekövetkező effektív feszültségeséseket, amikor a szinuszos feszültség 10 volt rms 80 Hz.

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

Teljes kapacitív reakció

Xc (összesen) = 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

Áram az áramkörben

I = E / Xc = 10 V / 290Ω

A feszültség sorozatosan csökken mindkét kondenzátor esetében. Itt a kapacitív feszültségosztót a következőképpen számítják:

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

Ha a kondenzátorok értékei eltérnek, akkor a kisebb értékű kondenzátor nagyobb feszültségre képes feltöltődni a nagy értékhez képest.

Az 1. példában a rögzített feszültség töltés 6,9 és 3,1 a C1 és C2 esetében. Mivel a számítás Kirchoff feszültségelméletén alapul, ezért az egyes kondenzátorok teljes feszültségesése megegyezik a tápfeszültség értékével.

JEGYZET:

A soros kapacitív feszültségosztó áramkörhöz csatlakoztatott két kondenzátor feszültségesési aránya mindig ugyanaz marad, még akkor is, ha van tápfeszültség.

Ezért az 1. példa szerint a 6,9 és 3,1 volt megegyezik, még akkor is, ha a táplálási frekvenciát 80 és 800 Hz között maximalizálják.

2. példa

Hogyan lehet megtalálni a kondenzátor feszültségesését az 1. példában használt kondenzátorokkal?

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 (összesen) = 10 / 2,9 = 3,45 amper

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

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

Mivel a feszültségarány mindkét kondenzátor esetében ugyanaz marad, növekvő tápfrekvenciával, annak hatása a kombinált kapacitív reaktancia csökkenésében, valamint az áramkör teljes impedanciájában mutatkozik meg.

A csökkent impedancia nagyobb áramot eredményez, például az áramkör 80Hz-en 34,5mA körül van, míg 8kHz-nél az áramellátás tízszeresére, azaz 3,45A-ra nőhet.

Tehát arra lehet következtetni, hogy a kapacitív feszültségosztón keresztüli áramlás arányos az I to f frekvenciával.

Amint azt fentebb tárgyaltuk, a kapacitív elválasztók, amelyek kondenzátorok sorát tartalmazzák, mindegyikük leesik az AC feszültségről.

A megfelelő feszültségesés megállapításához a kapacitív osztók figyelembe veszik a kondenzátor kapacitív reaktanciájának értékét.

Ezért nem működik egyenfeszültség-elválasztóként, mivel DC-ben a kondenzátorok leállítják és blokkolják az áramot, ami nulla áramlást okoz.

Az elválasztók olyan esetekben használhatók, amikor az ellátást a frekvencia vezérli.

A kapacitív feszültségosztó elektronikusan széles körben alkalmazható, az ujjlenyomtató készülékektől a Colpitts oszcillátorokig. Szintén széles körben előnyös, mivel olcsó alternatívát jelent a hálózati transzformátor számára, ahol kapacitív feszültségosztót alkalmaznak a nagy hálózati áram leadására.