Kapasitiivinen jännitteenjakaja

Kapasitiivinen jännitteenjakaja

Tässä viestissä opitaan kuinka kapasitiiviset jännitteenjakajapiirit toimivat elektronisissa piireissä kaavojen ja ratkaistujen esimerkkien avulla.

Kirjoittaja: Dhrubajyoti Biswas



Mikä on jännitteenjakajaverkko

Jännitteenjakajapiiristä puhuttaessa on tärkeää huomata, että jakajapiirin jännite jakautuu tasaisesti kaikkien verkkoon liittyvien olemassa olevien komponenttien kesken, vaikka kapasiteetti voi vaihdella komponenttien rakenteen mukaan.

Jännitteenjakajapiiri voidaan rakentaa reaktiivisista komponenteista tai jopa kiinteistä vastuksista.

Kapasitiivisiin jännitteenjakajiin verrattaessa resistiiviset jakajat eivät kuitenkaan vaikuta syöttötaajuuden muutokseen.



Tämän artikkelin tarkoituksena on antaa yksityiskohtainen käsitys kapasitiivisista jännitteenjakajista. Mutta paremman käsityksen saamiseksi on tärkeää yksityiskohtaisesti kertoa kapasitiivinen reaktanssi ja sen vaikutus kondensaattoreihin vaihtelevilla taajuuksilla.

Kondensaattori on valmistettu kahdesta toisiinsa rinnakkain sijoitetusta johtavasta levystä, jotka on lisäksi erotettu eristeellä. Näillä kahdella levyllä on yksi positiivinen (+) ja toinen negatiivinen (-) varaus.

Kun kondensaattori ladataan täyteen DC-virran kautta, dielektrinen [yleisesti käytetty eriste] häiritsee virtausta levyjen yli.



Toinen tärkeä kondensaattorin ominaisuus verrattuna vastukseen on: Kondensaattori varaa energiaa johtaviin levyihin varauksen aikana, jota vastus ei tee, koska se pyrkii aina vapauttamaan ylimääräisen energian lämpönä.

Kondensaattorin varastoima energia välitetään piireihin, jotka on kytketty siihen purkausprosessin aikana.

Tätä varauksen varastointikondensaattorin ominaisuutta kutsutaan reaktanssiksi ja edelleen kapasitiiviseksi reaktioksi [Xc], jonka Ohm on vakiomittausyksikkö reaktanssille.

Poistettu kondensaattori, kun se on kytketty tasavirtalähteeseen, reaktanssi pysyy alhaisena alkuvaiheessa.

Huomattava osa virrasta virtaa kondensaattorin läpi lyhyen jakson ajan, mikä pakottaa johtavat levyt latautumaan nopeasti, ja tämä lopulta estää virran jatkokäynnin.

Kuinka kondensaattori estää DC: n?

Vastuksen, kondensaattorisarjan verkossa, kun aikajakso saavuttaa 5RC: n suuruuden, kondensaattorin johtavat levyt latautuvat täyteen, mikä tarkoittaa, että kondensaattorin vastaanottama varaus on yhtä suuri kuin jännitesyöttö, joka pysäyttää mahdollisen virran edelleen.

Lisäksi kondensaattorin reaktanssi tässä tilanteessa tasajännitteen vaikutuksesta saavuttaa maksimitilan [mega-ohmia].

Kondensaattori vaihtovirtalähteessä

Mitä tulee vaihtovirran [AC] käyttämiseen kondensaattorin lataamiseen, jolloin vaihtovirtavirta on aina vuorotellen polarisoitunut, virtausta vastaanottavalle kondensaattorille suoritetaan jatkuva lataus ja purkaus levyjen yli.

Jos nykyinen virtaus on vakio, meidän on myös määritettävä reaktanssiarvo virtauksen rajoittamiseksi.

Tekijät kapasitiivisen vastuksen arvon määrittämiseksi

Jos katsomme taaksepäin kapasitanssia, huomaamme, että kondensaattorin johtavien levyjen varauksen määrä on verrannollinen kapasitanssin ja jännitteen arvoon.

Kun kondensaattori saa virran AC-tulosta, jännitesyöttö käy läpi arvon jatkuvan muutoksen, joka muuttaa levyn arvoa poikkeuksetta liian suhteellisesti.

Tarkastellaan nyt tilannetta, jossa kondensaattori sisältää suuremman kapasitanssin arvon.

Tässä tilanteessa vastus R kuluttaa enemmän aikaa kondensaattorin lataamiseen τ = RC. Tämä tarkoittaa, että jos latausvirta kulkee pidemmän ajanjakson, reaktanssi tallentaa pienemmän arvon Xc määritetystä taajuudesta riippuen.

Jos kondensaattorin kapasitanssiarvo on pienempi, kondensaattorin lataaminen vaatii lyhyemmän RC-ajan.

Tämä lyhyempi aika aiheuttaa virran virtauksen lyhyemmälle aikavälille, mikä johtaa suhteellisen pienempään reaktanssiarvoon Xc.

Siksi on ilmeistä, että suuremmilla virroilla reaktanssin arvo pysyy pienenä ja päinvastoin.

Ja siten kapasitiivinen reaktanssi on aina kääntäen verrannollinen kondensaattorin kapasitanssiarvoon.

XC ∝ -1 C.

On tärkeää huomata, että kapasitanssi ei ole ainoa tekijä kapasitiivisen reaktanssin analysoimiseksi.

Kun vaihtovirtajännitettä käytetään matalalla taajuudella, reaktanssi saa enemmän aikaa kehittyneen RC-aikavakion perusteella. Lisäksi se myös estää virran osoittaen korkeamman reaktanssin arvon.

Vastaavasti, jos käytetty taajuus on korkea, reaktanssi sallii pienemmän aikajakson lataus- ja purkausprosessille.

Lisäksi se saa myös suuremman virran prosessin aikana, mikä johtaa pienempään reaktanssiin.

Joten tämä osoittaa, että kondensaattorin impedanssi (AC-reaktanssi) ja sen suuruus riippuu taajuudesta. Siksi korkeampi taajuus johtaa pienempään reaktanssiin ja päinvastoin, ja siten voidaan päätellä, että kapasitiivinen reaktanssi Xc on kääntäen verrannollinen taajuuteen ja kapasitanssiin.

Mainittu kapasitiivisen reaktanssin teoria voidaan tiivistää seuraavalla yhtälöllä:

Xc = 1 / 2πfC

Missä:

· Xc = kapasitiivinen reaktanssi ohmina, (Ω)


· Π (pi) = numeerinen vakio 3,142 (tai 22 ÷ 7)


· Ƒ = taajuus hertseinä, (Hz)


· C = kapasitanssi faradeissa, (F)

Kapasitiivinen jännitteenjakaja

Tämän osan tarkoituksena on antaa yksityiskohtainen selitys siitä, kuinka syöttötaajuus vaikuttaa kahteen taaksepäin tai sarjaan kytkettyyn kondensaattoriin, joita kutsutaan paremmin kapasitiiviseksi jännitteenjakajapiiriksi.

Kapasitiivinen jännitteenjakajapiiri selitetty

Kapasitiivinen jännitteenjakajapiiri

Kapasitiivisen jännitteenjakajan toiminnan havainnollistamiseksi viitataan yllä olevaan piiriin. Tässä C1 ja C2 ovat sarjassa ja kytketty 10 voltin vaihtovirtalähteeseen. Sarjassa ollessaan molemmat kondensaattorit saavat saman latauksen, Q.

Jännite pysyy kuitenkin erona ja se riippuu myös kapasitanssin arvosta V = Q / C.

Kun otetaan huomioon kuva 1.0, kondensaattorin jännitteen laskenta voidaan määrittää eri tavoin.

Yksi vaihtoehto on selvittää piirin kokonaisimpedanssi ja piirivirta, eli jäljittää kapasitiivisen reaktanssin arvo kullakin kondensaattorilla ja laskea sitten jännitehäviö niiden yli. Esimerkiksi:

ESIMERKKI 1

Kuvan 1.0 mukaisesti, kun C1 ja C2 ovat 10uF ja 20uF, lasketaan tehollisarvoiset jännitehäviöt, jotka tapahtuvat kondensaattorin yli sinimuotoisen jännitteen ollessa 10 volttia rms 80Hz.

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

Kokonaiskapasitiivinen reaktanssi

Xc (yhteensä) = 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

Virta piirissä

I = E / Xc = 10 V / 290Ω

Jännite laskee sarjaan molemmille kondensaattoreille. Tässä kapasitiivinen jännitteenjakaja lasketaan seuraavasti:

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

Jos kondensaattorien arvot eroavat toisistaan, pienemmän arvon kondensaattori voi sitten latautua suurempaan jännitteeseen verrattuna suureen arvoon.

Esimerkissä 1 kirjattu jännite on 6,9 & 3,1 C1: lle ja C2: lle. Koska laskelma perustuu Kirchoffin jänniteoriaan, yksittäisten kondensaattoreiden kokonaisjännitehäviöt ovat yhtä suuria kuin syöttöjännitteen arvo.

HUOMAUTUS:

Sarjan kapasitiiviseen jännitteenjakajapiiriin kytkettyjen kahden kondensaattorin jännitteen pudotussuhde pysyy aina samana, vaikka syöttötaajuus olisi.

Siksi esimerkin 1 mukaisesti 6,9 ja 3,1 volttia ovat samat, vaikka syöttötaajuus olisi maksimoitu 80-800 Hz.

ESIMERKKI 2

Kuinka löytää kondensaattorin jännitehäviö samoilla kondensaattoreilla, joita käytetään esimerkissä 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 (yhteensä) = 10 / 2,9 = 3,45 ampeeria

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

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

Koska jännitesuhde pysyy samana molemmilla kondensaattoreilla, syöttötaajuuden kasvaessa, sen vaikutus näkyy yhdistetyn kapasitiivisen reaktanssin pienenemisenä sekä piirin kokonaisimpedanssina.

Pienennetty impedanssi aiheuttaa suuremman virran, esimerkiksi piirivirta 80 Hz: llä on noin 34,5 mA, kun taas 8 kHz: n jännitesyöttö voi olla 10 kertaa suurempi, mikä on noin 3,45 A.

Joten voidaan päätellä, että virran virta kapasitiivisen jännitteenjakajan kautta on verrannollinen taajuuteen If.

Kuten edellä keskusteltiin, kapasitiiviset jakajat, joihin liittyy useita kondensaattoreita, ne kaikki pudottavat vaihtojännitteen.

Oikean jännitehäviön selvittämiseksi kapasitiiviset jakajat ottavat kondensaattorin kapasitiivisen reaktanssin arvon.

Siksi se ei toimi tasajännitteen jakajina, koska tasavirrassa kondensaattorit pysäyttävät ja estävät virran, mikä aiheuttaa nollavirran.

Jakajia voidaan käyttää tapauksissa, joissa syöttöä ohjaa taajuus.

Kapasitiivisen jännitteenjakajan sähköinen käyttö on laajaa, sormiskannauslaitteesta Colpitts-oskillaattoreihin. Se on myös suositeltava laajasti halpana vaihtoehtona verkkomuuntajalle, jossa kapasitiivista jännitteenjakajaa käytetään korkeaan verkkovirtaan.




Edellinen: Yksinkertaisin Quadcopter Drone Circuit Seuraava: Moottoroitu aurinkosuojapiiri