Χωρητικό διαχωριστικό τάσης

Σε αυτήν την ανάρτηση μαθαίνουμε πώς λειτουργούν τα κυκλώματα διαχωριστικού τάσης χωρητικότητας σε ηλεκτρονικά κυκλώματα, μέσω τύπων και λυμάτων.

Από: Dhrubajyoti Biswas

Τι είναι ένα δίκτυο διαχωριστή τάσης

Μιλώντας για ένα κύκλωμα διαχωριστή τάσης, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η τάση στο κύκλωμα διαχωριστή κατανέμεται εξίσου μεταξύ όλων των υπαρχόντων εξαρτημάτων που σχετίζονται με το δίκτυο, αν και η χωρητικότητα μπορεί να διαφέρει ανάλογα με τη συγκρότηση των εξαρτημάτων.

Ένα κύκλωμα διαχωριστή τάσης μπορεί να κατασκευαστεί από αντιδραστικά εξαρτήματα ή ακόμη και από σταθερές αντιστάσεις.

Ωστόσο, όταν συγκρίνονται με χωρητικούς διαχωριστές τάσης, οι αντιστάτες διαιρέτες παραμένουν ανεπηρέαστοι από την αλλαγή της συχνότητας στην παροχή.

Ο σκοπός αυτού του εγγράφου είναι να παρέχει μια λεπτομερή κατανόηση των χωρητικών διαχωριστικών τάσης. Αλλά για να αποκτήσετε περισσότερη εικόνα, είναι ζωτικής σημασίας να προσδιορίσετε την χωρητική αντίδραση και την επίδρασή της στους πυκνωτές σε ποικίλες συχνότητες.

Ένας πυκνωτής αποτελείται από δύο αγώγιμες πλάκες, τοποθετημένες παράλληλα μεταξύ τους οι οποίες διαχωρίζονται επιπλέον με έναν μονωτή. Αυτές οι δύο πλάκες έχουν ένα θετικό (+) και ένα άλλο αρνητικό (-) φορτίο.

Όταν ένας πυκνωτής φορτίζεται πλήρως μέσω ρεύματος DC, το διηλεκτρικό [γνωστό ως μονωτής] εμποδίζει τη ροή ρεύματος κατά μήκος των πλακών.

Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό ενός πυκνωτή σε σύγκριση με μια αντίσταση είναι: Ένας πυκνωτής αποθηκεύει ενέργεια στις αγώγιμες πλάκες κατά τη διάρκεια της φόρτισης, την οποία η αντίσταση δεν έχει, καθώς τείνει πάντα να απελευθερώνει υπερβολική ενέργεια ως θερμότητα.

Αλλά η ενέργεια που αποθηκεύεται από έναν πυκνωτή μεταφέρεται στα κυκλώματα που συνδέονται με αυτόν κατά τη διαδικασία εκφόρτισης.

Αυτό το χαρακτηριστικό ενός πυκνωτή για την αποθήκευση της φόρτισης αναφέρεται ως αντιδραστικότητα και περαιτέρω αναφέρεται ως χωρητική αντίδραση [Xc] για την οποία το Ohm είναι η τυπική μονάδα μέτρησης για την αντίδραση.

Ένας αποφορτισμένος πυκνωτής όταν συνδέεται σε τροφοδοτικό DC, η αντίδραση παραμένει χαμηλή στο αρχικό στάδιο.

Ένα σημαντικό μέρος του ρεύματος ρέει μέσω του πυκνωτή για μικρό χρονικό διάστημα, το οποίο αναγκάζει τις αγώγιμες πλάκες να φορτίζονται γρήγορα, και αυτό τελικά αναστέλλει οποιαδήποτε περαιτέρω διέλευση ρεύματος.

Πώς αποκλείει ο πυκνωτής DC;

Σε μια αντίσταση, δίκτυο σειρών πυκνωτών όταν η χρονική περίοδος φτάσει σε μέγεθος 5RC, οι αγώγιμες πλάκες του πυκνωτή φορτίζονται πλήρως, πράγμα που σημαίνει ότι η φόρτιση που λαμβάνει ο πυκνωτής είναι ίση με την παροχή τάσης, η οποία σταματά οποιαδήποτε περαιτέρω ροή ρεύματος.

Επιπλέον, η αντίδραση του πυκνωτή σε αυτήν την κατάσταση υπό την επίδραση της τάσης DC φτάνει στη μέγιστη κατάσταση [mega-ohms].

Πυκνωτής σε τροφοδοσία AC

Όσον αφορά τη χρήση εναλλακτικού ρεύματος [AC] για τη φόρτιση ενός πυκνωτή, όπου η ροή ρεύματος εναλλασσόμενου ρεύματος είναι πάντα εναλλάξ πολική, ο πυκνωτής που δέχεται τη ροή υποβάλλεται σε συνεχή φόρτιση και εκφόρτιση στις πλάκες του.

Τώρα εάν έχουμε συνεχή ροή ρεύματος τότε πρέπει επίσης να προσδιορίσουμε την τιμή αντίδρασης για να περιορίσουμε τη ροή.

Παράγοντες για τον προσδιορισμό της τιμής της χωρητικής αντίστασης

Αν ρίξουμε μια ματιά στην χωρητικότητα θα διαπιστώσουμε ότι το ποσό φόρτισης στις αγώγιμες πλάκες ενός πυκνωτή είναι ανάλογο με την τιμή της χωρητικότητας και της τάσης.

Τώρα, όταν ένας πυκνωτής λαμβάνει ρεύμα από μια είσοδο εναλλασσόμενου ρεύματος, η παροχή τάσης περνά από μια σταθερή αλλαγή στην τιμή του, η οποία αλλάζει πάντοτε την τιμή των πλακών πολύ αναλογικά.

Ας εξετάσουμε τώρα μια κατάσταση όπου ένας πυκνωτής περιέχει υψηλότερη τιμή χωρητικότητας.

Σε αυτήν την περίπτωση, η αντίσταση R καταναλώνει περισσότερο χρόνο για να φορτίσει τον πυκνωτή τ = RC. Αυτό σημαίνει ότι εάν το ρεύμα φόρτισης ρέει για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, η αντίδραση καταγράφει μια μικρότερη τιμή Xc, ανάλογα με την καθορισμένη συχνότητα.

Ομοίως εάν η τιμή χωρητικότητας είναι μικρότερη σε έναν πυκνωτή, τότε για τη φόρτιση του πυκνωτή απαιτεί μικρότερο χρόνο RC.

Αυτός ο μικρότερος χρόνος προκαλεί τη ροή του ρεύματος για μικρότερο χρονικό διάστημα, το οποίο έχει ως αποτέλεσμα συγκριτικά μικρότερη τιμή αντίδρασης, Xc.

Επομένως, είναι προφανές ότι με υψηλότερα ρεύματα η τιμή της αντιδραστικότητας παραμένει μικρή και το αντίστροφο.

Και έτσι η χωρητική αντίδραση είναι πάντα αντιστρόφως ανάλογη με την τιμή χωρητικότητας του πυκνωτή.

XC ∝ -1 C.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η χωρητικότητα δεν είναι ο μοναδικός παράγοντας για την ανάλυση της χωρητικής αντίδρασης.

Με χαμηλή συχνότητα εφαρμοζόμενης τάσης εναλλασσόμενου ρεύματος, η αντίδραση αυξάνει περισσότερο χρόνο με βάση την κατανεμημένη σταθερά χρόνου RC. Επιπλέον, μπλοκάρει επίσης το ρεύμα, δείχνοντας υψηλότερη τιμή αντίδρασης.

Ομοίως, εάν η εφαρμοζόμενη συχνότητα είναι υψηλή, η αντίδραση επιτρέπει μικρότερο χρονικό κύκλο για τη διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης.

Επιπλέον, λαμβάνει επίσης υψηλότερη ροή ρεύματος κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, η οποία οδηγεί σε χαμηλότερη αντίδραση.

Έτσι αυτό αποδεικνύει ότι η σύνθετη αντίσταση (αντίδραση AC) ενός πυκνωτή και το μέγεθος του εξαρτάται από τη συχνότητα. Επομένως, η υψηλότερη συχνότητα οδηγεί σε χαμηλότερη αντίδραση και το αντίστροφο, και έτσι μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι το Capacitive Reactance Xc είναι αντιστρόφως ανάλογο της συχνότητας και της χωρητικότητας.

Η εν λόγω θεωρία χωρητικής αντίδρασης μπορεί να συνοψιστεί με την ακόλουθη εξίσωση:

Xc = 1 / 2πfC

Που:

· Xc = Χωρητική αντίδραση σε Ohms, (Ω)


· Π (pi) = μια αριθμητική σταθερά 3,142 (ή 22 ÷ 7)


· Ƒ = Συχνότητα σε Hertz, (Hz)


· C = Χωρητικότητα σε Farads, (F)

Χωρητικό διαχωριστικό τάσης

Αυτή η ενότητα θα στοχεύει να παρέχει μια λεπτομερή εξήγηση σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο η συχνότητα τροφοδοσίας επηρεάζει δύο πυκνωτές συνδεδεμένους πλάτη ή σε σειρά, που καλούνται καλύτερα ως χωρητικό κύκλωμα διαχωριστή τάσης.

Κύκλωμα διαχωριστικού χωρητικής τάσης

Για να απεικονίσουμε τη χωρητική χωρητική τάση, ας αναφερθούμε στο παραπάνω κύκλωμα. Εδώ, τα C1 και C2 είναι σε σειρά και συνδέονται με τροφοδοτικό AC 10 volt. Όντας σε σειρά και οι δύο πυκνωτές λαμβάνουν την ίδια φόρτιση, Q.

Ωστόσο, η τάση θα παραμείνει διαφορετική και εξαρτάται επίσης από την τιμή της χωρητικότητας V = Q / C.

Λαμβάνοντας υπόψη το Σχήμα 1.0, ο υπολογισμός της τάσης στον πυκνωτή μπορεί να προσδιοριστεί με διαφορετικούς τρόπους.

Μία επιλογή είναι να μάθετε τη συνολική σύνθετη αντίσταση κυκλώματος και το ρεύμα κυκλώματος, δηλαδή να εντοπίσετε την τιμή της χωρητικής αντίδρασης σε κάθε πυκνωτή και στη συνέχεια να υπολογίσετε την πτώση τάσης απέναντί ​​τους. Για παράδειγμα:

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 1

Σύμφωνα με το Σχήμα 1.0, με C1 και C2 των 10uF και 20uF αντίστοιχα, υπολογίστε τις πτώσεις τάσης rms που συμβαίνουν κατά μήκος του πυκνωτή σε μια κατάσταση ημιτονοειδούς τάσης 10 βολτ rms @ 80Hz.

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

Ολική χωρητική αντίδραση

Xc (σύνολο) = 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

Ρεύμα στο κύκλωμα

I = E / Xc = 10V / 290Ω

Η τάση πέφτει σειριακά και για τους δύο πυκνωτές. Εδώ ο διαχωριστής χωρητικής τάσης υπολογίζεται ως:

Vc1 = I x Xc1 = 34,5mA x 200Ω = 6,9V
Vc2 = I x Xc2 = 34.5mA x 90Ω = 3.1V

Εάν οι τιμές των πυκνωτών διαφέρουν, ο μικρότερος πυκνωτής τιμής μπορεί στη συνέχεια να φορτιστεί σε υψηλότερη τάση σε σύγκριση με τη μεγάλη τιμή.

Στο Παράδειγμα 1, το φορτίο τάσης που καταγράφεται είναι 6,9 & 3,1 για C1 και C2 αντίστοιχα. Τώρα, καθώς ο υπολογισμός βασίζεται στη θεωρία της Kirchoff για την τάση, επομένως η συνολική πτώση τάσης για μεμονωμένο πυκνωτή ισούται με την τιμή τάσης τροφοδοσίας.

ΣΗΜΕΙΩΣΗ:

Ο λόγος πτώσης τάσης για τους δύο πυκνωτές που είναι συνδεδεμένος στο κύκλωμα χωρητικού χωρητικού τάσης παραμένει πάντα ίδιος ακόμη και αν υπάρχει συχνότητα τροφοδοσίας.

Επομένως, σύμφωνα με το Παράδειγμα 1, 6,9 και 3,1 βολτ είναι τα ίδια, ακόμη και αν η συχνότητα τροφοδοσίας μεγιστοποιείται από 80 έως 800Hz.

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 2

Πώς μπορείτε να βρείτε την πτώση τάσης πυκνωτή χρησιμοποιώντας τους ίδιους πυκνωτές που χρησιμοποιούνται στο Παράδειγμα 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 (σύνολο) = 10 / 2,9 = 3,45 Amps

Επομένως, Vc1 = I x Xc1 = 3.45A x 2Ω = 6.9V

Και, Vc2 = I x Xc2 = 3.45A x 0.9 Ω = 3.1V

Καθώς ο λόγος τάσης παραμένει ο ίδιος και για τους δύο πυκνωτές, με αυξανόμενη συχνότητα τροφοδοσίας, η επίδρασή του φαίνεται με τη μορφή μείωσης της συνδυασμένης χωρητικής αντίδρασης, καθώς και για τη συνολική αντίσταση κυκλώματος.

Η μειωμένη σύνθετη αντίσταση προκαλεί υψηλότερη ροή ρεύματος, για παράδειγμα, το ρεύμα κυκλώματος στα 80Hz είναι περίπου 34,5mA, ενώ στα 8kHz μπορεί να υπάρχει 10 φορές αύξηση της παροχής ρεύματος, δηλαδή περίπου 3,45Α.

Έτσι μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι η ροή ρεύματος μέσω χωρητικού διαχωριστή τάσης είναι ανάλογη με τη συχνότητα, I-f.

Όπως συζητήθηκε παραπάνω, οι χωρητικοί διαιρέτες που περιλαμβάνουν σειρά συνδεδεμένων πυκνωτών, όλοι πέφτουν τάση AC.

Για να μάθετε τη σωστή πτώση τάσης, οι χωρητικοί διαιρέτες λαμβάνουν την τιμή της χωρητικής αντίδρασης ενός πυκνωτή.

Επομένως, δεν λειτουργεί ως διαχωριστικά για τάση DC, καθώς στο DC οι πυκνωτές συγκρατούν και μπλοκάρουν ρεύμα, το οποίο προκαλεί ροή μηδενικού ρεύματος.

Τα διαχωριστικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε περιπτώσεις όπου η τροφοδοσία καθοδηγείται από τη συχνότητα.

Υπάρχει ένα ευρύ φάσμα ηλεκτρονικής χρήσης χωρητικού διαχωριστικού τάσης, από τη συσκευή σάρωσης δακτύλων έως τους ταλαντωτές Colpitts. Προτιμάται επίσης εκτενώς ως φθηνή εναλλακτική λύση για μετασχηματιστή δικτύου όπου χρησιμοποιείται χωρητικός διαχωριστής τάσης για την πτώση του υψηλού ρεύματος δικτύου.