Capacitieve spanningsdeler

In dit bericht leren we hoe capacitieve spanningsdelercircuits werken in elektronische circuits, door middel van formules en opgeloste voorbeelden.

Door: Dhrubajyoti Biswas

Wat is een spanningsdeler-netwerk

Over een spanningsdelercircuit gesproken, het is belangrijk op te merken dat de spanning in het delercircuit gelijkmatig wordt verdeeld over alle bestaande componenten die aan het netwerk zijn gekoppeld, hoewel de capaciteit kan variëren op basis van de samenstelling van de componenten.

Een spanningsdelercircuit kan worden opgebouwd uit reactieve componenten of zelfs uit vaste weerstanden.

In vergelijking met capacitieve spanningsdelers blijven de resistieve delers echter onaangetast door de frequentieverandering in de voeding.

Het doel van dit artikel is om een ​​gedetailleerd begrip te geven van capacitieve spanningsdelers. Maar om meer inzicht te krijgen, is het essentieel om capacitieve reactantie en het effect ervan op de condensatoren bij verschillende frequenties in detail te beschrijven.

Een condensator is gemaakt van twee geleidende platen die parallel aan elkaar zijn geplaatst en die bovendien zijn gescheiden met een isolator. Deze twee platen hebben een positieve (+) en een andere negatieve (-) lading.

Wanneer een condensator volledig wordt opgeladen via gelijkstroom, blokkeert het diëlektricum [in de volksmond isolator] de stroom die over de platen stroomt.

Een ander belangrijk kenmerk van een condensator in vergelijking met een weerstand is: Een condensator slaat energie op op de geleidende platen tijdens het opladen, wat de weerstand niet doet, omdat het altijd de neiging heeft om overtollige energie af te geven als warmte.

Maar de energie die wordt opgeslagen door een condensator wordt tijdens het ontladingsproces doorgegeven aan de circuits die ermee zijn verbonden.

Dit kenmerk van een condensator om de lading op te slaan wordt reactantie genoemd, en verder aangeduid als capacitieve reactantie [Xc], waarvoor Ohm de standaard meeteenheid is voor reactantie.

Een ontladen condensator bij aansluiting op een gelijkstroomvoeding, de reactantie blijft in de beginfase laag.

Een substantieel deel van de stroom vloeit gedurende een korte tijdspanne via de condensator, waardoor de geleidende platen snel worden opgeladen, en dit verhindert uiteindelijk elke verdere doorgang van stroom.

Hoe de condensator gelijkstroom blokkeert?

In een weerstand, condensatorreeksnetwerk wanneer de tijdsperiode een grootte van 5RC bereikt, worden de geleidende platen van de condensator volledig opgeladen, wat betekent dat de door de condensator ontvangen lading gelijk is aan de spanningstoevoer, die elke verdere stroom stopt.

Verder bereikt de reactantie van de condensator in deze situatie onder invloed van de gelijkspanning de maximale toestand [mega-ohm].

Condensator in AC-voeding

Met betrekking tot het gebruik van wisselstroom [AC] om een ​​condensator op te laden, waarbij de wisselstroom altijd afwisselend gepolariseerd is, wordt de condensator die de stroom ontvangt, onderworpen aan een constante lading en ontlading over zijn platen.

Als we nu een constante stroom hebben, moeten we ook de reactantiewaarde bepalen om de stroom te beperken.

Factoren om de waarde van capacitieve weerstand te bepalen

Als we terugkijken op de capaciteit, zullen we zien dat de hoeveelheid lading op de geleidende platen van een condensator evenredig is met de waarde van de capaciteit en de spanning.

Wanneer een condensator nu stroom krijgt van een AC-ingang, ondergaat de spanningstoevoer een constante verandering in zijn waarde, waardoor de waarde van de platen altijd te proportioneel verandert.

Laten we nu eens kijken naar een situatie waarin een condensator een hogere capaciteitswaarde heeft.

In deze situatie verbruikt de weerstand R meer tijd om de condensator τ = RC op te laden. Dit houdt in dat als de laadstroom gedurende een langere tijd stroomt, de reactantie een kleinere waarde Xc registreert, afhankelijk van de gespecificeerde frequentie.

Identiek is dat als de capaciteitswaarde kleiner is in een condensator, het opladen van de condensator een kortere RC-tijd vereist.

Deze kortere tijd zorgt ervoor dat de stroom voor een kortere tijdspanne stroomt, wat resulteert in een relatief kleinere reactantiewaarde, Xc.

Daarom is het duidelijk dat bij hogere stromen de waarde van de reactantie klein blijft en vice versa.

En dus is capacitieve reactantie altijd omgekeerd evenredig met de capaciteitswaarde van de condensator.

XC ∝ -1 C.

Het is essentieel op te merken dat capaciteit niet de enige factor is om capacitieve reactantie te analyseren.

Met een lage frequentie van de toegepaste wisselspanning, krijgt de reactantie meer tijdontwikkeling op basis van de toegewezen RC-tijdconstante. Verder blokkeert het ook de stroom, wat een hogere reactantie aangeeft.

Evenzo, als de toegepaste frequentie hoog is, staat de reactantie een kortere tijdcyclus toe voor het laden en ontladen.

Bovendien ontvangt het tijdens het proces ook een hogere stroom, wat leidt tot een lagere reactantie.

Dit bewijst dus dat de impedantie (AC-reactantie) van een condensator en de grootte ervan afhankelijk is van de frequentie. Daarom resulteert een hogere frequentie in een lagere reactantie en vice versa, en daarom kan worden geconcludeerd dat capacitieve reactantie Xc omgekeerd evenredig is met de frequentie en capaciteit.

De genoemde theorie van capacitieve reactantie kan worden samengevat met de volgende vergelijking:

Xc = 1 / 2πfC

Waar:

· Xc = capacitieve reactantie in ohm, (Ω)


· Π (pi) = een numerieke constante van 3,142 (of 22 ÷ 7)


· Ƒ = frequentie in hertz, (Hz)


· C = capaciteit in Farads, (F)

Capacitieve spanningsdeler

In dit gedeelte wordt geprobeerd een gedetailleerde uitleg te geven over hoe de frequentie van de voeding twee condensatoren beïnvloedt die rug aan rug of in serie zijn aangesloten, beter aangeduid als capacitieve spanningsdelercircuits.

Capacitief spanningsdelercircuit

Om de werking van een capacitieve spanningsdeler te illustreren, verwijzen we naar het bovenstaande circuit. Hier zijn C1 en C2 in serie geschakeld en aangesloten op een wisselstroomvoeding van 10 volt. Omdat ze in serie zijn, ontvangen beide condensatoren dezelfde lading, Q.

De spanning blijft echter anders en is ook afhankelijk van de waarde van capaciteit V = Q / C.

Gezien figuur 1.0 kan de berekening van de spanning over de condensator op verschillende manieren worden bepaald.

Een optie is om de totale circuitimpedantie en circuitstroom te achterhalen, d.w.z. om de waarde van capacitieve reactantie op elke condensator te traceren en vervolgens de spanningsval erover te berekenen. Bijvoorbeeld:

VOORBEELD 1

Zoals aangegeven in figuur 1.0, met C1 en C2 van respectievelijk 10uF en 20uF, berekent u rms-spanningsvallen die optreden over de condensator in een situatie van sinusvormige spanning van 10 volt rms @ 80Hz.

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

Totale capacitieve reactantie

Xc (totaal) = 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 6,88 uF = 290 Ω

Stroom in het circuit

Ik = E / Xc = 10V / 290Ω

De spanning daalt serieel voor zowel de condensator. Hier wordt de capacitieve spanningsdeler berekend als:

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

Als de waarden van de condensatoren verschillen, kan de condensator met een kleinere waarde opladen naar een hogere spanning in vergelijking met de grote waarde.

In Voorbeeld 1 is de geregistreerde spanningslading 6,9 & 3,1 voor respectievelijk C1 en C2. Omdat de berekening is gebaseerd op de spanningstheorie van Kirchoff, is de totale spanningsval voor de individuele condensator gelijk aan de voedingsspanningswaarde.

NOTITIE:

De spanningsvalverhouding voor de twee condensatoren die zijn aangesloten op een serie capacitieve spanningsdelercircuits blijft altijd hetzelfde, zelfs als er een frequentie in de voeding is.

Daarom zijn, zoals in Voorbeeld 1, 6,9 en 3,1 volt hetzelfde, zelfs als de voedingsfrequentie is gemaximaliseerd van 80 tot 800 Hz.

VOORBEELD 2

Hoe vind ik de spanningsval van de condensator met dezelfde condensatoren die in voorbeeld 1 zijn gebruikt?

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 (totaal) = 10 / 2,9 = 3,45 Amp

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

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

Omdat de spanningsverhouding hetzelfde blijft voor beide condensatoren, met toenemende voedingsfrequentie, wordt de impact ervan gezien in de vorm van een afname van de gecombineerde capacitieve reactantie, evenals voor de totale circuitimpedantie.

Een verminderde impedantie veroorzaakt een hogere stroomstroom, de circuitstroom bij 80 Hz is bijvoorbeeld ongeveer 34,5 mA, terwijl er bij 8 kHz een 10 keer zo grote stroomtoevoer kan zijn, dat wil zeggen ongeveer 3,45 A.

Er kan dus worden geconcludeerd dat de stroom van stroom via de capacitieve spanningsdeler evenredig is met de frequentie, I ∝ f.

Zoals hierboven besproken, laten de capacitieve verdelers die een reeks aangesloten condensatoren omvatten, alle wisselspanning vallen.

Om de juiste spanningsval te achterhalen, nemen de capacitieve delers de waarde van de capacitieve reactantie van een condensator.

Daarom werkt het niet als verdelers voor gelijkspanning, omdat in gelijkstroom de condensatoren stoppen en de stroom blokkeren, waardoor er geen stroom vloeit.

De verdelers kunnen worden gebruikt in gevallen waarin de voeding wordt aangedreven door frequentie.

Er is een breed scala aan elektronisch gebruik van capacitieve spanningsdeler, van vingerscanner tot Colpitts-oscillatoren. Het heeft ook veel de voorkeur als goedkoop alternatief voor een nettransformator waar een capacitieve spanningsdeler wordt gebruikt om hoge netstroom te laten vallen.