Divisor de tensió capacitiva

En aquest post aprenem com funcionen els circuits divisors de tensió capacitius en circuits electrònics, mitjançant fórmules i exemples resolts.

Per: Dhrubajyoti Biswas

Què és una xarxa divisòria de tensió

Parlant d’un circuit divisor de tensió, és important tenir en compte que el voltatge del circuit divisor es distribueix de manera igual entre tots els components existents associats a la xarxa, tot i que la capacitat pot variar en funció de la constitució dels components.

Es pot construir un circuit divisor de tensió a partir de components reactius o fins i tot a partir de resistències fixes.

No obstant això, quan es compara amb els divisors de tensió capacitius, els divisors resistius no es veuen afectats amb el canvi de freqüència de subministrament.

L’objectiu d’aquest article és proporcionar una comprensió detallada dels divisors de tensió capacitius. Però per obtenir més informació, és vital detallar la reactància capacitiva i el seu efecte sobre els condensadors a freqüències variades.

Un condensador està format per dues plaques conductores, col·locades paral·leles entre si que se separen addicionalment amb un aïllant. Aquestes dues plaques tenen una càrrega positiva (+) i una altra negativa (-).

Quan un condensador es carrega completament mitjançant corrent continu, el dielèctric (popularment anomenat aïllant) encalla el flux de corrent a través de les plaques.

Una altra característica important d’un condensador en comparació amb una resistència és: Un condensador emmagatzema energia a les plaques conductores durant la càrrega, cosa que la resistència no, ja que sempre tendeix a alliberar l’excés d’energia com a calor.

Però l'energia emmagatzemada per un condensador es passa als circuits que hi estan connectats durant el seu procés de descàrrega.

Aquesta característica d'un condensador per emmagatzemar la càrrega es coneix com a reactància i, a més, es denomina Reactància capacitiva [Xc] per a la qual Ohm és la unitat de mesura estàndard de la reactància.

Un condensador descarregat quan es connecta a una font d'alimentació de CC, la reactància es manté baixa en l'etapa inicial.

Una part substancial del corrent flueix a través del condensador durant un curt període de temps, cosa que obliga a que les plaques conductores es carreguin ràpidament, i això eventualment inhibeix qualsevol altre pas de corrent.

Com es bloqueja el condensador de CC?

En una xarxa de sèries de resistències, quan el període de temps arriba a una magnitud de 5RC, les plaques conductores del condensador es carreguen completament, cosa que significa que la càrrega rebuda pel condensador és igual a la subministrament de tensió, que atura qualsevol flux de corrent.

A més, la reactància del condensador en aquesta situació sota la influència del voltatge continu arriba a l'estat màxim [megaohms].

Condensador de corrent altern

Pel que fa a l'ús de corrent altern [CA] per carregar un condensador, en el qual el flux de corrent altern sempre està polaritzat alternativament, el condensador que rep el flux està sotmès a una càrrega i descàrrega constants a través de les seves plaques.

Ara bé, si tenim un flux de corrent constant, també hem de determinar el valor de la reactància per restringir-ne el flux.

Factors per determinar el valor de la resistència capacitiva

Si fem una ullada enrere a la capacitat, trobarem que la quantitat de càrrega de les plaques conductores d’un condensador és proporcional al valor de la capacitat i la tensió.

Ara, quan un condensador obté un flux de corrent d'una entrada de CA, l'alimentació de tensió passa per un canvi constant en el seu valor, que invariablement canvia el valor de les plaques massa proporcionalment.

Ara considerem una situació en què un condensador conté un valor més alt de capacitat.

En aquesta situació, la resistència R consumeix més temps per carregar el condensador τ = RC. Això implica que si el corrent de càrrega flueix durant un període de temps més llarg, la reactància registra un valor menor Xc, depenent de la freqüència especificada.

De la mateixa manera, si el valor de la capacitat és menor en un condensador, per carregar el condensador es necessita un temps RC més curt.

Aquest temps més curt provoca el flux de corrent durant un període de temps més curt, el que resulta en un valor de reactància comparativament menor, Xc.

Per tant, és evident que amb corrents més elevats el valor de la reactància es manté petit i viceversa.

I, per tant, la reactància capacitiva sempre és inversament proporcional al valor de la capacitat del condensador.

XC ∝ -1 C.

És vital tenir en compte que la capacitat no és l’únic factor per analitzar la reactància capacitiva.

Amb una freqüència baixa de la tensió de CA aplicada, la reactància augmenta el temps en funció de la constant de temps assignada de RC. A més, també bloqueja el corrent, indicant un valor més alt de reactància.

De la mateixa manera, si la freqüència aplicada és alta, la reactància permet que es produeixi un cicle de temps menor per al procés de càrrega i descàrrega.

A més, també rep un major flux de corrent durant el procés, cosa que condueix a una reactància més baixa.

Per tant, això demostra que la impedància (reactància de corrent altern) d’un condensador i la seva magnitud depenen de la freqüència. Per tant, una freqüència més alta resulta en una reactància més baixa i viceversa, i per tant es pot concloure que la reactivitat capacitiva Xc és inversament proporcional a la freqüència i la capacitat.

L'esmentada teoria de la reactància capacitiva es pot resumir amb la següent equació:

Xc = 1 / 2πfC

On:

· Xc = Reactància capacitiva en ohms, (Ω)


· Π (pi) = una constant numèrica de 3,142 (o 22 ÷ 7)


· Ƒ = Freqüència en Hz, (Hz)


· C = Capacitància en Farads, (F)

Divisor de tensió capacitiva

Aquesta secció tindrà com a objectiu proporcionar una explicació detallada sobre com afecta la freqüència de subministrament a dos condensadors connectats d’esquena a esquena o en sèrie, denominats millor com a circuit divisor de tensió capacitiu.

Circuit divisor de tensió capacitiva

Per il·lustrar el funcionament d'un divisor de tensió capacitiu, referim-nos al circuit anterior. Aquí, C1 i C2 estan en sèrie i estan connectats a una font d'alimentació de CA de 10 volts. Estant en sèrie, els dos condensadors reben la mateixa càrrega, Q.

No obstant això, la tensió seguirà sent diferent i també depèn del valor de la capacitat V = Q / C.

Tenint en compte la figura 1.0, el càlcul de la tensió a través del condensador es pot determinar de diferents maneres.

Una opció és esbrinar la impedància total del circuit i el corrent del circuit, és a dir, traçar el valor de la reactància capacitiva de cada condensador i després calcular la caiguda de tensió a través d’ells. Per exemple:

EXEMPLE 1

Segons la figura 1.0, amb C1 i C2 de 10uF i 20uF respectivament, calculeu les caigudes de tensió RMS que es produeixen a través del condensador en una situació de tensió sinusoidal de 10 volts RMS @ 80Hz.

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

Reactància capacitiva total

Xc (total) = 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 = 290Ω

Corrent al circuit

I = E / Xc = 10V / 290Ω

La tensió cau en sèrie tant per al condensador. Aquí el divisor de tensió capacitiva es calcula com:

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

Si els valors dels condensadors difereixen, el condensador de menor valor es pot carregar a una tensió més alta en comparació amb el valor gran.

A l'exemple 1, la càrrega de tensió registrada és de 6,9 ​​i 3,1 per a C1 i C2 respectivament. Ara bé, ja que el càlcul es basa en la teoria de la tensió de Kirchoff, per tant, les caigudes de tensió totals per a un condensador individual són iguals al valor de la tensió d’alimentació.

NOTA:

La relació de caiguda de tensió dels dos condensadors connectats al circuit divisor de tensió capacitiva de la sèrie sempre es manté fins i tot si hi ha una freqüència de subministrament.

Per tant, segons l'exemple 1, 6,9 i 3,1 volts són els mateixos, fins i tot si la freqüència de subministrament es maximitza de 80 a 800Hz.

EXEMPLE 2

Com es pot trobar la caiguda de tensió del condensador mitjançant els mateixos condensadors que s’utilitzen a l’exemple 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 (total) = 10 / 2,9 = 3,45 amperes

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

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

Com que la relació de tensió continua sent la mateixa per als condensadors, amb una freqüència d’alimentació creixent, el seu impacte es veu en forma de disminució de la reactància capacitiva combinada, així com per la impedància total del circuit.

Una impedància reduïda provoca un flux de corrent més alt, per exemple, el corrent del circuit a 80Hz és d’uns 34,5 mA, mentre que a 8 kHz pot haver-hi un augment de 10 vegades del subministrament de corrent, que és d’uns 3,45 A.

Per tant, es pot concloure que el flux de corrent a través del divisor de tensió capacitiu és proporcional a la freqüència, I ∝ f.

Com es va esmentar anteriorment, els divisors capacitius que impliquen sèries de condensadors connectats, tots cauen tensió CA

Per esbrinar la caiguda de tensió correcta, els divisors capacitius prenen el valor de la reactància capacitiva d’un condensador.

Per tant, no funciona com a divisors per a la tensió de corrent continu, ja que a CC els condensadors s’aturen i bloquegen el corrent, cosa que provoca un flux de corrent nul.

Els divisors es poden utilitzar en els casos en què el subministrament es basa en la freqüència.

Hi ha una àmplia gamma d’ús electrònic de divisors capacitius de tensió, des de dispositius d’escaneig de dits fins a oscil·ladors Colpitts. També es prefereix àmpliament com a alternativa econòmica per a transformadors de xarxa on s’utilitzen divisors capacitius de tensió per deixar caure un corrent de xarxa elevat.