Mahtuvuslik pinge jagaja

Selles postituses õpime valemite ja lahendatud näidete abil, kuidas mahtuvuslikud pingejagurite ahelad toimivad elektroonilistes ahelates.

Autor: Dhrubajyoti Biswas

Mis on pingejaoturi võrk

Rääkides pingejaguri ahelast, on oluline märkida, et jaoturahelas jaguneb pinge võrdselt kõigi võrguga seotud olemasolevate komponentide vahel, ehkki võimsus võib komponentide ülesehituse järgi varieeruda.

Pingejaguri vooluahelat saab ehitada reaktiivkomponentidest või isegi fikseeritud takistitest.

Kui aga võrrelda mahtuvuslike pingejaguritega, ei mõjuta takistuslikud jaoturid toiteallika sageduse muutumist.

Selle artikli eesmärk on anda üksikasjalik ülevaade mahtuvuslikest pingejaguritest. Kuid suurema ülevaate saamiseks on ülitähtis üksikasjalikult kirjeldada mahtuvuslikku reaktantsit ja selle mõju erineva sagedusega kondensaatoritele.

Kondensaator on valmistatud kahest üksteisega paralleelselt paigutatud juhtivast plaadist, mis on lisaks eraldatud isolaatoriga. Nendel kahel plaadil on üks positiivne (+) ja teine ​​negatiivne (-) laeng.

Kui kondensaator laetakse täielikult alalisvoolu kaudu, segab dielektrik [rahva seas nimetatakse isolaatoriks] voolu voolu üle plaatide.

Teine oluline kondensaatori omadus võrreldes takistiga on: kondensaator salvestab laadimise ajal juhtivatele plaatidele energiat, mida takisti seda ei tee, kuna see kipub alati eraldama liigset energiat soojusena.

Kuid kondensaatori salvestatud energia suunatakse vooluahelatesse, mis on selle tühjendusprotsessi ajal sellega ühendatud.

Seda kondensaatori omadust laengu salvestamiseks nimetatakse reaktantsiks ja edaspidi kapasitiivseks reaktsiooniks [Xc], mille puhul Ohm on reaktantsi standardne mõõtühik.

Tühjendatud kondensaator, kui see on ühendatud alalisvoolu toiteallikaga, jääb reaktants algstaadiumis madalaks.

Oluline osa voolust voolab kondensaatori kaudu lühikese ajavahemiku jooksul, mis sunnib juhtivaid plaate kiiresti laadima ja see pärsib lõpuks voolu edasise läbipääsu.

Kuidas kondensaator blokeerib alalisvoolu?

Takisti, kondensaatori seeriavõrgus, kui ajavahemik jõuab 5RC suuruseni, laetakse kondensaatori juhtivad plaadid täielikult, mis tähendab, et kondensaatori vastuvõetud laeng võrdub pingega, mis peatab edasise voolu.

Pealegi jõuab kondensaatori reaktants selles olukorras alalispinge mõjul maksimaalsesse olekusse [mega-oomi].

Kondensaator vahelduvvoolu toites

Mis puutub kondensaatori laadimiseks vahelduvvoolu [AC] kasutamisse, kus vahelduvvoolu voog on alati vaheldumisi polariseeritud, siis voolu vastuvõtvale kondensaatorile toimub pidev laadimine ja tühjendamine kogu selle plaatide ulatuses.

Kui meil on püsiv vooluhulk, peame voolu piiramiseks määrama ka reaktantsiväärtuse.

Faktorid mahtuvusliku takistuse väärtuse määramiseks

Kui vaatame mahtuvust tagasi, leiame, et kondensaatori juhtivate plaatide laengu maht on võrdeline mahtuvuse ja pinge väärtusega.

Nüüd, kui kondensaator saab vahelduvvoolu sisendist voolu, läbib pingeallikas oma väärtuse pideva muutuse, mis muudab plaatide väärtust alati liiga proportsionaalselt.

Vaatleme nüüd olukorda, kus kondensaator sisaldab mahtuvuse suuremat väärtust.

Selles olukorras kulub takistus R kondensaatori laadimiseks rohkem aega τ = RC. See tähendab, et kui laadimisvool voolab pikemat aega, registreerib reaktants väiksema väärtuse Xc, sõltuvalt määratud sagedusest.

Kui kondensaatori mahtuvus on väiksem, nõuab kondensaatori laadimine lühemat RC-aega.

See lühem aeg põhjustab voolu lühema ajavahemiku jooksul, mille tulemuseks on suhteliselt väiksem reaktantsväärtus Xc.

Seetõttu on ilmne, et suurema voolu korral jääb reaktantsi väärtus väikeseks ja vastupidi.

Ja seega on mahtuvuslik reaktants alati pöördvõrdeline kondensaatori mahtuvuse väärtusega.

XC ∝ -1 C.

Oluline on märkida, et mahtuvus ei ole ainus tegur, et analüüsida mahtuvuslikku reaktanti.

Rakendatud vahelduvpinge madala sageduse korral saab reaktants eraldatud RC ajakonstandi põhjal rohkem aega. Lisaks blokeerib see ka voolu, näidates reaktantsi suuremat väärtust.

Samamoodi, kui rakendatav sagedus on kõrge, võimaldab reaktants väiksemat laadimis- ja tühjenemisperioodi.

Pealegi saab see protsessi käigus ka suuremat vooluhulka, mis viib madalama reaktantsini.

See tõestab, et kondensaatori impedants (vahelduvvoolu reaktants) ja selle suurus sõltuvad sagedusest. Seetõttu annab kõrgem sagedus madalama reaktantsi ja vastupidi ning seega võib järeldada, et mahtuvuslik reaktsioon Xc on pöördvõrdeline sageduse ja mahtuvusega.

Nimetatud mahtuvusliku reaktantsi teooria võib kokku võtta järgmise võrrandiga:

Xc = 1 / 2πfC

Kus:

· Xc = mahtuvuslik reaktsioon oomides (Ω)


· Π (pi) = numbriline konstant 3,142 (või 22 ÷ 7)


· Ƒ = sagedus hertsides (Hz)


· C = mahtuvus faraadides, (F)

Mahtuvuslik pinge jagaja

Selle osa eesmärk on anda üksikasjalik selgitus selle kohta, kuidas toitesagedus mõjutab kahte tagasi või järjestikku ühendatud kondensaatorit, mida paremini nimetatakse mahtuvuslikuks pingejaguriks.

Mahtuvuslik pingejaoturi ahel

Mahtuvusliku pingejaguri toimimise illustreerimiseks viidakem ülaltoodud vooluringile. Siin on C1 ja C2 järjestikku ja ühendatud vahelduvvoolu toiteallikaga 10 volti. Sarjas olles saavad mõlemad kondensaatorid sama laengu, Q.

Kuid pinge jääb erinevaks ja see sõltub ka mahtuvuse väärtusest V = Q / C.

Võttes arvesse joonist 1.0, saab kondensaatori pinge arvutamise erineval viisil kindlaks määrata.

Üks võimalus on välja selgitada vooluahela kogu takistus ja voolu vool, st jälgida iga kondensaatori mahtuvusliku reaktantsi väärtust ja seejärel arvutada nende pingelang. Näiteks:

NÄIDE 1

Nagu joonisel 1.0 on arvutatud, kui C1 ja C2 on vastavalt 10uF ja 20uF, arvutage kondensaatori efektiivväärtused, mis esinevad üle kondensaatori sinusoidaalse pinge korral 10 volti ruutkeskmiselt 80 Hz.

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

Kogu mahtuvuslik reaktsioon

Xc (kokku) = 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

Vooluringis

I = E / Xc = 10 V / 290Ω

Mõlema kondensaatori pinge langeb järjestikku. Siin arvutatakse mahtuvuslik pingejagur järgmiselt:

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

Kui kondensaatorite väärtused erinevad, saab väiksema väärtusega kondensaator laadida siis suurema pingega võrreldes suurema väärtusega.

Näites 1 on registreeritud pingelaeng C1 ja C2 korral vastavalt 6,9 ja 3,1. Kuna arvutus põhineb Kirchoffi pingeteoorial, võrdub individuaalse kondensaatori kogupinge langus toitepinge väärtusega.

MÄRGE:

Pinge languse suhe kahe kondensaatori jaoks, mis on ühendatud järjestikuse mahtuvusliku pingejaguri ahelaga, jääb alati samaks ka siis, kui toiteallikas on sagedus.

Seetõttu on näite 1 kohaselt 6,9 ja 3,1 volti samad, isegi kui toitesagedus on maksimaalselt 80–800 Hz.

NÄIDE 2

Kuidas leida kondensaatori pingelangus samade näites 1 kasutatud kondensaatorite abil?

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 (kokku) = 10 / 2,9 = 3,45 amprit

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

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

Kuna pinge suhe jääb mõlema kondensaatori jaoks samaks, suureneb toitesageduse korral selle mõju nii kombineeritud mahtuvusliku reaktantsi kui ka kogu ahela impedantsi vähenemise näol.

Vähendatud impedants põhjustab suurema voolu, näiteks vooluahela vool 80Hz juures on umbes 34,5mA, samas kui 8kHz juures võib voolutoit kasvada 10 korda, see on umbes 3,45A.

Seega võib järeldada, et voolu maht läbi mahtuvusliku pingejaoturi on võrdeline sagedusega I ∝ f.

Nagu eespool arutletud, langevad mahtuvuslikud jagurid, mis hõlmavad ühendatud kondensaatorite rida, kõik vahelduvpinge.

Õige pingelanguse väljaselgitamiseks võtavad mahtuvuslikud jaoturid kondensaatori mahtuvusliku reaktantsi väärtuse.

Seetõttu ei tööta see alalispinge jaoturina, kuna alalisvoolu korral kondensaatorid peatavad ja blokeerivad voolu, mis põhjustab nullvoolu.

Jaotureid saab kasutada juhtudel, kui toiteallikat juhib sagedus.

Mahtuvuslikke pingejagureid on elektrooniliselt palju kasutatud, alates sõrme skaneerimisseadmest kuni Colpitti ostsillaatoriteni. Samuti eelistatakse seda laialdaselt võrgutrafo jaoks odava alternatiivina, kus suure vooluvoolu langetamiseks kasutatakse mahtuvuslikku pingejaoturit.