Освоение емкостных делителей напряжения: Проектирование, теория и практические применения

Емкостные делители напряжения все более растут в популярности; вы найдете их используемыми во многих электрических проектах, таких как генераторы Колпитца, среди других.

Однако, прежде чем решить использовать емкостной делитель напряжения, вы должны четко понимать, как они работают.

Эта статья определяет емкостные делители напряжения и правило делителя напряжения. Вы также посмотрите на различные схемы емкостного делителя напряжения и больше.

Что такое емкостной делитель напряжения?

Делитель напряжения

Источник: Wikipedia

Емкостной делитель напряжения — это схема, которая принимает разность потенциального напряжения и разделяет ее на две, сохраняя постоянное соотношение напряжения.

Кроме того, емкостной делитель обычно будет иметь пару конденсаторов в линию друг с другом.

Основная цель этой схемы — распределять различные количества напряжений другим частям схемы в соответствии с законом Ома:

V=IR

Где; V представляет напряжение, I означает ток, а R сопротивление.

Например, когда у вас есть источник питания 12 вольт, вы размещаете четыре конденсатора последовательно друг с другом (и все они 1мкФ). Тогда конденсаторы дадут выходное напряжение 6 вольт, что составляет половину от 12 вольт.

Что такое правило делителя напряжения?

Делитель напряжения

Источник: Wikimedia Commons.

В среднем, входное напряжение разделяется через элементы, когда пара элементов схемы взаимосвязаны последовательно.

Точно так же, когда вы связываете некоторые элементы схемы параллельно, ток также разделится по компонентам.

Следовательно, мы используем правило делителя тока для параллельных схем, а для последовательной схемы мы используем правило делителя напряжения при анализе схемы.

Правило делителя напряжения, другое имя — правило потенциального делителя, играет критическую роль в анализе схем, так как помогает нам рассчитать индивидуальное напряжение элементов.

В зависимости от элементов, используемых в схеме, правило делителя напряжения будет попадать в три категории.

А именно;

• Индуктивный делитель напряжения
• Емкостной делитель напряжения
• Резистивный делитель напряжения

Давайте посмотрим внимательнее на каждый из вышеперечисленных.

Правило делителя напряжения для резистивных схем

Чтобы понять резистивное правило делителя напряжения, давайте используем схему с парой резисторов, соединенных последовательно с источником напряжения.

Поскольку вы соединили резисторы последовательно, они (резисторы) оба имеют одинаковое количество тока, протекающего через них.

Резисторы

Однако резисторы имеют контрастное напряжение; входное напряжение схемы разделено на пару резисторов. Кроме того, сопротивление напрямую влияет на количество индивидуального напряжения.

Ниже приведена схема, которую вы можете использовать для дальнейшего понимания:

Резистивная схема

Из приведенной выше схемы резисторы R₁ и R₂ соединены последовательно с V_S (источником напряжения). Источник напряжения обеспечивает общий ток 1 ампер.

Тем не менее, дизайнер закрепил все элементы последовательно; следовательно, будет петля, и ток, движущийся через них, останется постоянным на 1 ампер.

Теперь для расчета суммарного напряжения вы можете использовать формулу;

V_S = V_R1 + V_R2 … (1)

Где,

V_R1 представляет напряжение через резистор R₁ и V_R2 представляет напряжение через резистор R₂. Кроме того, все предоставленное напряжение разделено между этими двумя резисторами. Таким образом, вы можете получить суммарное напряжение, сложив V_R1 и V_R2.

Следуя закону Ома;

V_R1= IR₁+IR₂…. (2)

Таким образом из уравнений (1) и (2);

V_S= IR₁+IR₂

V_S= I(R₁+R₂)

Далее, подставьте значение из первого тока в уравнение (2)

V_R1 = IR₁

Точно так же

V_R2 = IR₂

Таким образом, правило делителя напряжения резистивной схемы противоречит правилу делителя тока.

Правило делителя напряжения для индуктивных схем

Когда вы соединяете три или более индуктивности в схеме в последовательном режиме, ток, протекающий через индуктивности, остается постоянным. Тем не менее, источник напряжения распределяется по всем индуктивностям.

Индуктивности

Следовательно, вы можете использовать правило делителя напряжения индуктивностей для расчета количества напряжения в индивидуальной индуктивности.

Индуктивная схема

Дизайнер соединил обе индуктивности L₁ и L₂ в последовательном режиме из приведенной выше схемы. Кроме того, V_L1 представляет напряжение через L₁, и аналогично V_L2 представляет напряжение через L₂. V_S показывает напряжение питания.

Чтобы найти V_L1 и V_L2, мы используем правило делителя напряжения индуктивностей. Как вы уже знаете, уравнение для напряжения индуктивности;

Где L_eq равно суммарной индуктивности схемы, инженер соединил индуктивности последовательно в нашей примерной схеме. Таким образом, суммарная индуктивность — это комбинация двух индуктивностей;

L_eq = L₁+ L₂

Из уравнения (3);

Напряжение через индуктивность L₁;

Аналогично, напряжение через индуктивность L₂;

Таким образом, мы можем заключить, что правило делителя напряжения индуктивности похоже на резисторы.

Правило делителя напряжения для емкостных схем

Давайте используем схему ниже для расчета правила делителя напряжения конденсатора.

Емкостная схема

Где;

Инженер закрепил пару конденсаторов последовательно с V_S, источником напряжения. Далее, источник напряжения разделен на два. Один идет через конденсатор C₁ и другой через конденсатор C₂.

Конденсаторы

Кроме того, V_C1 представляет напряжение через конденсатор C₁, а V_C2 означает напряжение через конденсатор C₂.

Таким образом, совокупная емкость составляет

Суммарный заряд, предоставляемый источником: Q = C_eq V_S, что по сути

Напряжение конденсатора C₁;

V_C1 = Q₁/ C₁

Напряжение конденсатора C₂;

V_C2 = Q₂ / C₂

Подводя итог, индивидуальное напряжение через конденсатор — это отношение противоположной емкости, умноженное на общую емкость и общее напряжение.

Формула емкостного делителя напряжения

Емкостной делитель напряжения — это схема, которая использует пару конденсаторов параллельно выходу и взаимосвязанных с переменным током (AC) входом.

Вы можете получить отношение входного и выходного напряжения, используя формулу;

V_out/V_in = 1/ (1+C_S/C_P)

Где;

• C_S представляет всю емкость всей последовательно соединенной конденсаторов.

• C_P представляет суммарную емкость каждого параллельно соединенного конденсатора.

Приведенная выше формула поставляет переменный ток (AC) сигнал с величиной, зависящей от V_in со смещением.

Однако смещение варьируется в отношении количества емкости C_S или C_P.

Схема емкостного делителя напряжения

 Схема емкостного делителя переменного тока

Формула X_C= 1/ (2πf_c) направляет разделение напряжения через индивидуальные конденсаторы в схеме емкостного делителя напряжения.

Даже так, для расчета количества напряжения, выделенного конденсаторам схемы, вам сначала нужно рассчитать импеданс конденсатора. Вы можете сделать это, используя вышеуказанную формулу.

После расчета импеданса вы можете затем использовать закон Ома, чтобы узнать количество напряжения, проходящего через каждый конденсатор.

Например:

Схема емкостного делителя переменного тока

Приведенная выше схема имеет два конденсатора и источник питания 120В переменного тока; следовательно, напряжение будет течь к обоим конденсаторам. Помните, что конденсаторы в последовательном режиме.

Теперь вы можете использовать простой делитель напряжения, чтобы узнать выделенное напряжение, где конденсатор 1мкФ получит в два раза больше напряжения.

Следовательно, в нашем случае это будет 80В, а конденсатор 2мкФ получит 40В

Схема емкостного делителя постоянного тока

Напряжение делится в схеме делителя постоянного тока в отношении формулы V=Q/C. Где напряжение противоположно симметрично значению емкости конденсатора.

По сути, конденсатор с более низкой емкостью получит более высокое напряжение. С другой стороны, конденсатор с большей емкостью получит меньшее напряжение.

Например:

Схема емкостного делителя постоянного тока

Приведенные выше схемы поставляют постоянное напряжение 15В, что означает, что 15 вольт будет течь через пару конденсаторов.

Напряжение будет течь к обоим конденсаторам так, чтобы при суммировании оно равнялось источнику питания 15В.

Предполагая, что конденсаторы имеют аналогичный заряд, вы можете рассчитать напряжение из их значений емкости.

Учитывая, что значение конденсатора 1мкФ составляет половину значения конденсатора 2мкФ, напряжение первого конденсатора будет в два раза больше второго.

Следовательно, напряжение конденсатора 1мкФ будет 10 вольт, а напряжение конденсатора 2мкФ будет 5 вольт.

Преимущества и недостатки емкостного делителя напряжения

Делители напряжения полезны, но у них тоже есть плюсы и минусы, как и у всех других изобретений.

Преимущества

• Минимальные потери тепла
• Доступные
• Работают либо на постоянном токе (DC), либо на переменном токе (AC)
• Низкая стоимость установки
• Зависят от частоты

Недостатки

• Работают исключительно на легком переменном токе
• Довольно тяжелые
• Перегрев снижает рабочую эффективность
• Некоторые делители напряжения дороги в установке и будут работать только с переменным током.

Использование емкостного делителя напряжения

Как упоминалось ранее, емкостные делители напряжения имеют многочисленные применения. Некоторые из них включают:

• Делитель напряжения может снизить напряжение и позволить измерение высокоуровневого напряжения.
• Делители напряжения внутри микроконтроллера помогают измерять сопротивление датчика.

Микроконтроллер

• Делитель напряжения работает как сдвигатель логического уровня при интерфейсировании различных рабочих напряжений.

Резюме

После прочтения этой статьи мы надеемся определить схему емкостного делителя и объяснить правило делителя напряжения.

Лучше бы понять различные преимущества и недостатки емкостного делителя напряжения.

Если вам требуется дополнительная информация по теме, пожалуйста, свяжитесь с нами.