מחלק מתח קיבולי

בפוסט זה אנו למדים כיצד פועלים מעגלי מתח קיבולי במעגלים אלקטרוניים, באמצעות נוסחאות ודוגמאות פתורות.

מאת: דרובג'וטי ביסוואז

מהי רשת מחלקי מתח

אם כבר מדברים על מעגל מפריד מתח, חשוב לציין כי מתח במעגל מפריד מתפזר באותה מידה בין כל הרכיבים הקיימים הקשורים לרשת, אם כי הקיבולת עשויה להשתנות בהתאם לבניית הרכיבים.

מעגל מחלק מתח יכול להיות בנוי מרכיבים תגובתי או אפילו מנגדים קבועים.

עם זאת, כאשר משווים לחולקי מתח קיבוליים, מחיצות ההתנגדות נותרות לא מושפעות משינוי התדר בהיצע.

מטרת מאמר זה לספק הבנה מפורטת של מחיצות מתח קיבוליות. אך כדי לקבל יותר תובנה, חיוני לפרט תגובת קיבולית והשפעתה על הקבלים בתדרים מגוונים.

קבל עשוי משתי לוחות מוליכים, ממוקמים מקבילים זה לזה אשר מופרדים בנוסף באמצעות מבודד. לשתי הלוחות הללו מטען חיובי אחד (+) ועוד מטען שלילי (-).

כאשר קבל טעון במלואו באמצעות זרם זרם זרם DC, הדיאלקטרי [המכונה מבודד] תקע את זרימת הזרם על פני הלוחות.

מאפיין חשוב נוסף של קבלים בהשוואה לנגד הוא: קבלים אוגרים אנרגיה על הלוחות המוליכים במהלך המטען, אשר הנגד אינו עושה, מכיוון שהוא תמיד נוטה לשחרר אנרגיה עודפת כחום.

אך האנרגיה המאוחסנת על ידי קבלים מועברת למעגלים המחוברים אליו בתהליך הפריקה שלו.

מאפיין זה של קבלים לאחסון המטען מכונה תגובתיות, ומכונה עוד יותר ריאקטיביות קיבולית [Xc] שעבורו אוהם היא יחידת המידה הסטנדרטית לתגובה.

קבל משוחרר כאשר הוא מחובר לאספקת חשמל DC, התגובה נשארת נמוכה בשלב הראשוני.

חלק ניכר מהזרם זורם דרך הקבל לטווח קצר, שמאלץ את הלוחות המוליכים להיטען במהירות, ובסופו של דבר זה מעכב כל מעבר נוסף של הזרם.

איך קבלים חוסמים את DC?

בנגד, רשת סדרת קבלים כאשר פרק הזמן מגיע לעוצמה של 5RC, הלוחות המוליכים של הקבל טעונים במלואם, מה שמסמן את המטען שקיבל הקבל יהיה שווה לאספקת המתח, שעוצרת כל זרם זרם נוסף.

יתר על כן, תגובת הקבל במצב זה בהשפעת מתח DC מגיעה למצב מקסימלי [מגה-אוהם].

קבלים באספקת זרם חילופין

בקשר לשימוש בזרם חילופין [AC] לטעינת קבלים, כאשר זרם זרם ה- AC מקוטב תמיד לסירוגין, הקבל המקבל את הזרימה נתון לטעינה ופריקה מתמדת על פני לוחותיו.

עכשיו אם יש לנו זרימת זרם קבועה אז אנחנו צריכים גם לקבוע את ערך התגובה כדי להגביל את הזרימה.

גורמים לקביעת ערך ההתנגדות הקיבולית

אם נסתכל אחורה על הקיבול נגלה שכמות המטען בפלטות המוליכות של הקבל פרופורציונאלית לערך הקיבול והמתח.

כעת, כאשר קבל מקבל זרם זרם מכניסת AC, ספק המתח עובר שינוי קבוע בערכו, שמשנה תמיד את ערך הלוחות באופן פרופורציונאלי מדי.

עכשיו בואו ניקח בחשבון מצב שבו קבל מכיל ערך גבוה יותר של קיבול.

במצב זה ההתנגדות R צורכת זמן רב יותר לטעינת הקבל τ = RC. זה מרמז שאם זרם הטעינה זורם למשך זמן ארוך יותר התגובה רושמת ערך קטן יותר Xc, תלוי בתדר שצוין.

זהה אם ערך הקיבול קטן יותר בקבל, כדי לטעון את הקבל זה דורש זמן RC קצר יותר.

זמן קצר יותר זה גורם לזרימת הזרם לפרק זמן קצר יותר, מה שמביא לערך תגובתיות קטן יחסית, Xc.

לכן ניכר שעם זרמים גבוהים יותר ערך התגובה נותר קטן ולהיפך.

וכך תגובתיות קיבולית היא תמיד ביחס הפוך לערך הקיבול של הקבל.

XC ∝ -1 C.

חשוב לציין שקיבול אינו הגורם היחיד לניתוח תגובתיות קיבולית.

עם תדירות נמוכה של מתח AC המופעל, התגובה מקבלת יותר זמן להתפתח על בסיס קבוע הזמן RC שהוקצה. יתר על כן, זה גם חוסם את הזרם, מה שמעיד על ערך תגובתי גבוה יותר.

באופן דומה, אם התדירות המופעלת גבוהה, התגובה מאפשרת להתרחש מחזור זמן נמוך יותר לטעינה ופריקה.

יתר על כן, הוא גם מקבל זרימת זרם גבוהה יותר במהלך התהליך, מה שמוביל לתגובה נמוכה יותר.

אז זה מוכיח שהעכבה (תגובת AC) של קבל וגודלו תלויה בתדר. לכן, תדר גבוה יותר מביא לתגובה נמוכה יותר ולהיפך, ולכן ניתן להסיק כי תגובת קיבולית Xc היא ביחס הפוך לתדר ולקיבול.

את התיאוריה האמורה של תגובתיות קיבולית ניתן לסכם במשוואה הבאה:

Xc = 1 / 2πfC

איפה:

· Xc = ריאקטיביות קיבולית באוהם, (Ω)


· Π (pi) = קבוע מספרי של 3.142 (או 22 ÷ 7)


· Ƒ = תדר בהרץ, (הרץ)


· C = קיבול בפאראדס, (F)

מחלק מתח קיבולי

חלק זה ישאף לספק הסבר מפורט בנוגע לאופן שבו תדירות האספקה ​​משפיעה על שני קבלים המחוברים גב לגב או בסדרה, המכונים טוב יותר כמעגל מחלק מתח קיבולי.

מעגל מחלק מתח קיבולי

כדי להמחיש תפקוד של מחלק מתח קיבולי, נתייחס למעגל לעיל. כאן, C1 ו- C2 הם בסדרה ומחוברים לאספקת חשמל של 10 וולט. בהיותם בסדרה שני הקבלים מקבלים מטען זהה, ש.

עם זאת, המתח יישאר שונה והוא תלוי גם בערך הקיבול V = Q / C.

בהתחשב באיור 1.0, ניתן לקבוע את חישוב המתח על פני הקבל בדרכים שונות.

אפשרות אחת היא לגלות את עכבת המעגל הכוללת ואת זרם המעגל, כלומר לעקוב אחר ערך התגובה הקיבולית על כל קבלים ואז לחשב את ירידת המתח עליהם. לדוגמה:

דוגמה 1

לפי איור 1.0, עם C1 ו- C2 של 10uF ו- 20uF בהתאמה, חישבו טיפות מתח RMS המתרחשות על פני הקבל במצב של מתח סינוסי של 10 וולט RMS @ 80Hz.

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

ריאקטיביות קיבולית כוללת

Xc (סה'כ) = 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

זרם במעגל

אני = E / Xc = 10V / 290Ω

המתח יורד סדרתי עבור שני הקבלים. כאן מחוון המתח הקיבולי מחושב כ:

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

אם ערכי הקבלים שונים, הקבל בעל הערך הקטן יותר יכול לטעון למתח גבוה יותר בהשוואה לערך הגדול.

בדוגמה 1, מטען המתח שנרשם הוא 6.9 ו- 3.1 עבור C1 ו- C2 בהתאמה. כעת מכיוון שהחישוב מבוסס על תיאוריית המתח של קירשוף, לכן ירידת המתח הכוללת עבור קבלים בודדים שווה לערך מתח האספקה.

פתק:

יחס ירידת המתח עבור שני הקבלים המחוברים למעגל מחלק מתח קיבולי סדרתי נשאר תמיד זהה גם אם יש תדר בהספק.

לכן לפי דוגמה 1, 6.9 ו- 3.1 וולט זהים, גם אם תדר האספקה ​​מוגדל מ- 80 עד 800 הרץ.

דוגמא 2

כיצד למצוא את ירידת מתח הקבלים באמצעות אותם קבלים המשמשים בדוגמה 1?

Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 8000 x 10uF = 2 אוהם

Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 8000 x 22uF = 0.9 אוהם

אני = V / Xc (סה'כ) = 10 / 2.9 = 3.45 אמפר

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

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

מכיוון שיחס המתח נשאר זהה לשני הקבלים, עם תדר האספקה ​​הגובר, השפעתו נראית בצורה של ירידה בתגובה הקיבולית המשולבת, כמו גם בעכב המעגל הכולל.

עכבה מופחתת גורמת לזרימת זרם גבוהה יותר, למשל, זרם המעגל ב 80Hz הוא סביב 34.5mA, ואילו ב 8kHz עשויה להיות עלייה של פי 10 בהספק הנוכחי, כלומר סביב 3.45A.

אז ניתן להסיק שזרם הזרם דרך מחלק מתח קיבולי הוא פרופורציונאלי לתדר, I ∝ f.

כפי שנדון לעיל, המפרידים הקיבוליים הכוללים סדרת קבלים מחוברים, כולם מורידים מתח AC.

כדי לגלות את ירידת המתח הנכונה מחלקים הקיבוליים לוקחים את ערך התגובה הקיבולית של קבלים.

לכן, זה לא עובד כמפריד עבור מתח DC, מכיוון שב- DC הקבלים עוצרים וחוסמים זרם, מה שגורם לזרימת זרם אפסי.

ניתן להשתמש במפרידים במקרים בהם ההיצע מונע על ידי תדר.

יש מגוון רחב של שימוש אלקטרוני במחלק מתח קיבולי, ממכשיר סריקת אצבעות ועד מתנדים של קולפיטס. זה גם מועדף בהרחבה כחלופה זולה עבור שנאי חשמל שבו מחלק מתח קיבולי משמש לירידת זרם זרם גבוה.