Kapacitní dělič napětí

V tomto příspěvku se prostřednictvím vzorců a vyřešených příkladů dozvídáme, jak obvody kapacitního děliče napětí pracují v elektronických obvodech.

Autor: Dhrubajyoti Biswas

Co je síť děliče napětí

Když mluvíme o obvodu děliče napětí, je důležité si uvědomit, že napětí v obvodu děliče se rovnoměrně rozdělí mezi všechny existující komponenty spojené se sítí, i když se kapacita může lišit v závislosti na složení komponent.

Obvod děliče napětí může být sestaven z reaktivních komponent nebo dokonce z pevných rezistorů.

Při srovnání s kapacitními napěťovými děliči však rezistivní děliče zůstávají nedotčeny změnou frekvence v napájení.

Účelem tohoto článku je poskytnout podrobné porozumění kapacitních děličů napětí. Abychom však získali více informací, je důležité podrobně popsat kapacitní reaktanci a její účinek na kondenzátory při různých frekvencích.

Kondenzátor je vyroben ze dvou vodivých desek, umístěných navzájem rovnoběžně, které jsou navíc odděleny izolátorem. Tyto dvě desky mají jeden kladný (+) a další záporný (-) náboj.

Když je kondenzátor plně nabitý stejnosměrným proudem, dielektrikum [populárně označovaný jako izolátor] ruší tok proudu přes desky.

Další důležitou charakteristikou kondenzátoru ve srovnání s odporem je: Kondenzátor během nabíjení ukládá energii na vodivé desky, což rezistor nemá, protože má vždy tendenci uvolňovat přebytečnou energii jako teplo.

Energie uložená kondenzátorem je však předávána obvodům, které jsou s ním spojeny během procesu vybíjení.

Tato vlastnost kondenzátoru pro ukládání náboje se označuje jako reaktance a dále se nazývá kapacitní reaktance [Xc], pro kterou je Ohm standardní měrnou jednotkou reaktance.

Vybitý kondenzátor při připojení ke zdroji stejnosměrného proudu zůstává reaktance v počátečním stadiu nízká.

Podstatná část proudu protéká kondenzátorem na krátké rozpětí, což nutí vodivé desky rychle nabít, což nakonec znemožňuje další průchod proudu.

Jak kondenzátor blokuje DC?

V síti rezistorů a kondenzátorů, když časové období dosáhne velikosti 5RC, se vodivé desky kondenzátoru plně nabijí, což znamená, že náboj přijímaný kondenzátorem se rovná napájecímu napětí, které zastaví jakýkoli další tok proudu.

Kromě toho reaktance kondenzátoru v této situaci pod vlivem stejnosměrného napětí dosahuje maximálního stavu [mega-ohmy].

Kondenzátor ve střídavém napájení

Pokud jde o použití střídavého proudu [AC] k nabíjení kondenzátoru, přičemž tok střídavého proudu je vždy střídavě polarizovaný, je kondenzátor přijímající tok vystaven stálému nabíjení a vybíjení přes jeho desky.

Nyní, pokud máme tok konstantního proudu, musíme také určit hodnotu reaktance, abychom omezili tok.

Faktory pro určení hodnoty kapacitního odporu

Podíváme-li se zpětně na kapacitu, zjistíme, že množství náboje na vodivých deskách kondenzátoru je úměrné hodnotě kapacity a napětí.

Nyní, když kondenzátor dostane proud ze vstupu střídavého proudu, zdroj napětí prochází konstantní změnou jeho hodnoty, což vždy příliš úměrně mění hodnotu desek.

Uvažujme nyní situaci, kdy kondenzátor obsahuje vyšší hodnotu kapacity.

V této situaci odpor R spotřebovává více času na nabití kondenzátoru τ = RC. To znamená, že pokud nabíjecí proud teče delší dobu, reaktance zaznamenává menší hodnotu Xc v závislosti na zadané frekvenci.

Totéž platí, že pokud je hodnota kapacity v kondenzátoru menší, vyžaduje nabití kondenzátoru kratší čas RC.

Tato kratší doba způsobí tok proudu po kratší dobu, což má za následek relativně nižší hodnotu reaktance, Xc.

Je tedy zřejmé, že s vyššími proudy zůstává hodnota reaktance malá a naopak.

A tak je kapacitní reaktance vždy nepřímo úměrná kapacitní hodnotě kondenzátoru.

XC ∝ -1 C.

Je důležité si uvědomit, že kapacita není jediným faktorem pro analýzu kapacitní reaktance.

Při nízké frekvenci střídavého napětí se reaktance vyvíjí více času na základě přidělené časové konstanty RC. Dále také blokuje proud, což indikuje vyšší hodnotu reaktance.

Podobně, pokud je použitá frekvence vysoká, reaktance umožňuje menší časový cyklus pro proces nabíjení a vybíjení.

Kromě toho také během procesu přijímá vyšší tok proudu, což vede k nižší reaktanci.

To tedy dokazuje, že impedance (střídavá reaktance) kondenzátoru a jeho velikost závisí na frekvenci. Vyšší frekvence proto vede k nižší reaktanci a naopak, a lze tedy dojít k závěru, že kapacitní reaktance Xc je nepřímo úměrná frekvenci a kapacitě.

Uvedenou teorii kapacitní reaktance lze shrnout do následující rovnice:

Xc = 1 / 2πfC

Kde:

· Xc = kapacitní reaktance v ohmech, (Ω)


· Π (pi) = numerická konstanta 3,142 (nebo 22 ÷ 7)


· Ƒ = Frekvence v Hz, (Hz)


· C = kapacita ve Faradech, (F)

Kapacitní dělič napětí

Tato část bude mít za cíl poskytnout podrobné vysvětlení týkající se toho, jak frekvence napájení ovlivňuje dva kondenzátory připojené zády k sobě nebo do série, lépe označované jako kapacitní napěťový dělič.

Obvod děliče kapacitního napětí

Pro ilustraci fungování kapacitního děliče napětí se podívejme na výše uvedený obvod. Zde jsou C1 a C2 zapojeny do série a připojeny ke zdroji střídavého proudu 10 voltů. Být v sérii oba kondenzátory dostávají stejný náboj, Q.

Napětí však zůstane jiné a závisí také na hodnotě kapacity V = Q / C.

S ohledem na obrázek 1.0 lze výpočet napětí na kondenzátoru určit různými způsoby.

Jednou z možností je zjistit celkovou impedanci obvodu a proud obvodu, tj. Sledovat hodnotu kapacitní reaktance na každém kondenzátoru a poté vypočítat pokles napětí na nich. Například:

PŘÍKLAD 1

Podle obrázku 1.0, s C1 a C2 10 uF, respektive 20 uF, vypočítejte efektivní hodnoty poklesu napětí na kondenzátoru v situaci sinusového napětí 10 voltů efektivní hodnoty při 80 Hz.

Kondenzátor C1 10uF
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

Celková kapacitní reaktance

Xc (celkem) = 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

Proud v obvodu

I = E / Xc = 10V / 290Ω

Napětí sériově klesá pro oba kondenzátory. Zde se kapacitní dělič napětí vypočítá jako:

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

Pokud se hodnoty kondenzátorů liší, může se kondenzátor s menší hodnotou nabíjet na vyšší napětí ve srovnání s velkým.

V příkladu 1 je zaznamenaný napěťový náboj 6,9 a 3,1 pro C1, respektive C2. Nyní, protože výpočet je založen na Kirchoffově teorii napětí, se tedy celkový pokles napětí pro jednotlivý kondenzátor rovná hodnotě napájecího napětí.

POZNÁMKA:

Poměr poklesu napětí pro dva kondenzátory, které jsou připojeny k sériovému obvodu kapacitního děliče napětí, zůstává vždy stejný, i když je v napájení frekvence.

Proto je podle příkladu 1 6,9 a 3,1 voltů stejné, i když je napájecí frekvence maximalizována od 80 do 800 Hz.

PŘÍKLAD 2

Jak zjistit pokles napětí kondenzátoru pomocí stejných kondenzátorů použitých v příkladu 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 (celkem) = 10 / 2,9 = 3,45 A.

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

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

Vzhledem k tomu, že poměr napětí zůstává stejný pro oba kondenzátory, se zvyšující se napájecí frekvencí se jeho dopad projevuje ve formě snížení kombinované kapacitní reaktance i celkové impedance obvodu.

Snížená impedance způsobí vyšší tok proudu, například obvodový proud při 80 Hz je kolem 34,5 mA, zatímco při 8 kHz může dojít k 10násobnému zvýšení dodávky proudu, což je kolem 3,45 A.

Lze tedy dojít k závěru, že tok proudu přes kapacitní dělič napětí je úměrný frekvenci I ∝ f.

Jak bylo uvedeno výše, kapacitní děliče, které zahrnují řadu připojených kondenzátorů, všechny snižují střídavé napětí.

Chcete-li zjistit správný pokles napětí, berou kapacitní děliče hodnotu kapacitní reaktance kondenzátoru.

Proto nefunguje jako rozdělovače stejnosměrného napětí, protože v DC kondenzátory zastavují a blokují proud, což způsobuje nulový tok proudu.

Rozdělovače lze použít v případech, kdy je napájení poháněno frekvencí.

Existuje široká škála elektronického využití kapacitního děliče napětí, od zařízení pro snímání prstů po oscilátory Colpitts. Je také značně preferován jako levná alternativa pro síťový transformátor, kde se používá kapacitní dělič napětí k poklesu vysokého síťového proudu.