Kapasitif Gerilim Bölücü

Bu yazıda, kapasitif voltaj bölücü devrelerin, formüller ve çözülmüş örnekler aracılığıyla elektronik devrelerde nasıl çalıştığını öğreniyoruz.

Kursu veren: Dhrubajyoti Biswas

Gerilim Bölücü Ağ nedir

Bir voltaj bölücü devresinden bahsedersek, bölücü devredeki voltajın ağ ile ilişkili tüm mevcut bileşenler arasında eşit olarak dağıtıldığına dikkat etmek önemlidir, ancak kapasite bileşenlerin yapısına bağlı olarak değişebilir.

Reaktif bileşenlerden veya hatta sabit dirençlerden voltaj bölücü bir devre oluşturulabilir.

Bununla birlikte, kapasitif voltaj bölücülerle karşılaştırıldığında, direnç bölücüler, besleme frekansındaki değişimden etkilenmeden kalır.

Bu makalenin amacı, kapasitif voltaj bölücüler hakkında ayrıntılı bir anlayış sağlamaktır. Ancak daha fazla bilgi edinmek için, kapasitif reaktansı ve bunun çeşitli frekanslarda kapasitörler üzerindeki etkisini detaylandırmak çok önemlidir.

Bir kondansatör, birbirine paralel yerleştirilmiş ve ek olarak bir yalıtkanla ayrılmış iki iletken plakadan yapılmıştır. Bu iki plakanın bir pozitif (+) ve başka bir negatif (-) yükü vardır.

Bir kapasitör, DC akım yoluyla tamamen şarj edildiğinde, dielektrik [popüler olarak yalıtıcı olarak adlandırılır] plakalar boyunca akım akışını sıkıştırır.

Bir dirence kıyasla bir kapasitörün bir diğer önemli özelliği şudur: Bir kapasitör, her zaman fazla enerjiyi ısı olarak dışarı atma eğiliminde olduğu için, şarj sırasında iletken plakalar üzerinde enerji depolar, ancak direnç bunu yapmaz.

Ancak bir kapasitör tarafından depolanan enerji, deşarj işlemi sırasında kendisine bağlı devrelere aktarılır.

Yükü depolamak için bir kapasitörün bu özelliği reaktans olarak adlandırılır ve ayrıca Ohm'un reaktans için standart ölçü birimi olduğu Kapasitif Reaktans [Xc] olarak adlandırılır.

Bir DC güç kaynağına bağlandığında boşalmış bir kapasitör, ilk aşamada reaktans düşük kalır.

Akımın önemli bir kısmı, kondansatör üzerinden kısa bir süre boyunca akar, bu da iletken plakaların hızlı bir şekilde yüklenmesine neden olur ve bu, sonunda herhangi bir akım geçişini engeller.

Kondansatör DC'yi Nasıl Engeller?

Bir dirençte, kapasitör serisi şebekede, zaman periyodu 5RC büyüklüğe ulaştığında, kapasitörün iletken plakaları tamamen şarj olur, bu da kapasitör tarafından alınan yükün voltaj beslemesine eşit olduğunu gösterir ve bu da daha fazla akım akışını durdurur.

Ayrıca, DC gerilimin etkisi altında bu durumda kapasitörün reaktansı maksimum duruma [mega-ohm] ulaşır.

AC beslemede kondansatör

Bir kondansatörü şarj etmek için alternatif akım [AC] kullanma ile ilgili olarak, burada AC akım akışı her zaman alternatif olarak polarize edilir, akışı alan kondansatör plakaları boyunca sabit bir şarj ve deşarj işlemine tabi tutulur.

Şimdi, sabit akım akışımız varsa, akışı sınırlamak için reaktans değerini de belirlememiz gerekir.

Kapasitif direncin değerini belirleyen faktörler

Kapasitansa tekrar bakarsak, bir kapasitörün iletken plakalarındaki yük miktarının, kapasitans ve voltaj değeriyle orantılı olduğunu bulacağız.

Şimdi, bir kapasitör bir AC girişinden akım akışı aldığında, voltaj kaynağı, değerinde sabit bir değişimden geçer ve bu da plakaların değerini her zaman çok orantılı olarak değiştirir.

Şimdi, bir kapasitörün daha yüksek kapasitans değeri içerdiği bir durumu ele alalım.

Bu durumda R direnci, τ = RC kapasitörünü şarj etmek için daha fazla zaman harcar. Bu, şarj akımının daha uzun bir süre boyunca akması durumunda, reaktansın belirtilen frekansa bağlı olarak daha küçük bir Xc değeri kaydettiği anlamına gelir.

Aynı şekilde, kapasitans değeri bir kapasitörde daha küçükse, kapasitörün şarj edilmesi için daha kısa RC süresi gerekir.

Bu daha kısa süre, daha kısa bir süre boyunca akımın akışına neden olur ve bu da nispeten daha küçük reaktans değeri Xc ile sonuçlanır.

Bu nedenle, daha yüksek akımlarda reaktansın değerinin küçük kaldığı ve bunun tersi olduğu açıktır.

Ve böylece kapasitif reaktans, kapasitörün kapasitans değeriyle her zaman ters orantılıdır.

XC ∝ -1 C.

Kapasitansın, kapasitif reaktansı analiz etmek için tek faktör olmadığını unutmamak çok önemlidir.

Düşük bir AC voltaj frekansı uygulandığında, reaktans, tahsis edilen RC zaman sabitine bağlı olarak daha fazla zaman alır. Ayrıca, akımı bloke ederek daha yüksek reaktans değerini belirtir.

Benzer şekilde, uygulanan frekans yüksekse, reaktans, şarj etme ve boşaltma işleminin gerçekleşmesi için daha az zaman döngüsü sağlar.

Ayrıca, işlem sırasında daha yüksek akım akışı alır ve bu da daha düşük reaktansa yol açar.

Bu, bir kapasitörün empedansının (AC reaktansı) ve büyüklüğünün frekansa bağlı olduğunu kanıtlar. Bu nedenle, daha yüksek frekans daha düşük reaktansla sonuçlanır ve bunun tersi de geçerlidir ve bu nedenle Kapasitif Reaktans Xc'nin frekans ve kapasitans ile ters orantılı olduğu sonucuna varılabilir.

Söz konusu kapasitif reaktans teorisi, aşağıdaki denklem ile özetlenebilir:

Xc = 1 / 2πfC

Nerede:

· Xc = Ohm cinsinden Kapasitif Reaktans, (Ω)


· Π (pi) = 3,142'lik bir sayısal sabit (veya 22 ÷ 7)


· Ƒ = Hertz cinsinden Frekans, (Hz)


· C = Faradlarda Kapasitans, (F)

Kapasitif Gerilim Bölücü

Bu bölüm, besleme frekansının arka arkaya veya seri olarak bağlanan iki kapasitörünü nasıl etkilediğine ilişkin ayrıntılı bir açıklama sunmayı amaçlayacaktır, bu da kapasitif voltaj bölücü devresi olarak daha iyi adlandırılacaktır.

Kapasitif Gerilim Bölücü Devresi

Kapasitif bir voltaj bölücünün çalıştığını göstermek için yukarıdaki devreye bakalım. Burada C1 ve C2 seridir ve 10 voltluk bir AC güç kaynağına bağlıdır. Seri olarak her iki kondansatör de aynı şarjı alıyor, Q.

Bununla birlikte, voltaj farklı kalacaktır ve aynı zamanda V = Q / C kapasitans değerine de bağlıdır.

Şekil 1.0 göz önüne alındığında, kapasitördeki voltajın hesaplanması farklı yollarla belirlenebilir.

Bir seçenek, toplam devre empedansını ve devre akımını bulmaktır, yani her bir kapasitördeki kapasitif reaktansın değerini izlemek ve ardından bunlar arasındaki voltaj düşüşünü hesaplamaktır. Örneğin:

ÖRNEK 1

Şekil 1.0'a göre, sırasıyla 10 uF ve 20 uF'lik C1 ve C2 ile, 10 volt rms @ 80Hz'lik bir sinüzoidal voltaj durumunda kapasitör boyunca meydana gelen rms voltaj düşüşlerini hesaplayın.

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

Toplam Kapasitif Reaktans

Xc (toplam) = 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

Devredeki akım

Ben = E / Xc = 10V / 290Ω

Voltaj, her iki kondansatör için seri olarak düşer. Burada kapasitif voltaj bölücü şu şekilde hesaplanır:

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

Kondansatörlerin değerleri farklıysa, daha küçük değerli kondansatör, büyük değerli olana kıyasla daha yüksek bir voltaja şarj edebilir.

Örnek 1'de, kaydedilen voltaj yükü sırasıyla C1 ve C2 için 6,9 ve 3,1'dir. Artık hesaplama Kirchoff’un voltaj teorisine dayandığından, tek kapasitör için toplam voltaj düşüşleri besleme voltajı değerine eşittir.

NOT:

Seri kapasitif gerilim bölücü devresine bağlı iki kapasitör için gerilim düşüş oranı, beslemede bir frekans olsa bile her zaman aynı kalır.

Bu nedenle, Örnek 1'e göre, besleme frekansı 80'den 800 Hz'e maksimize edilmiş olsa bile 6.9 ve 3.1 volt aynıdır.

ÖRNEK 2

Örnek 1'de kullanılan aynı kapasitörler kullanılarak kapasitör voltaj düşüşü nasıl bulunur?

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 (toplam) = 10 / 2,9 = 3,45 Amper

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

Ve Vc2 = I x Xc2 = 3.45A x 0.9 Ω = 3.1V

Gerilim oranı, artan besleme frekansı ile her iki kapasitör için aynı kaldığından, etkisi birleşik kapasitif reaktansın yanı sıra toplam devre empedansında bir azalma şeklinde görülür.

Azaltılmış bir empedans daha yüksek akım akışına neden olur, örneğin, 80Hz'deki devre akımı yaklaşık 34.5mA iken, 8kHz'de akım beslemesinde 10 kat artış olabilir, yani 3.45A civarında.

Dolayısıyla, kapasitif voltaj bölücü üzerinden akım akışının frekansla orantılı olduğu sonucuna varılabilir, I ∝ f.

Yukarıda tartışıldığı gibi, bağlı kapasitör serilerini içeren kapasitif bölücüler, hepsi AC voltajını düşürür.

Doğru voltaj düşüşünü bulmak için kapasitif bölücüler, bir kapasitörün kapasitif reaktans değerini alır.

Bu nedenle, DC voltaj için bölücü olarak çalışmaz, çünkü DC'de kapasitörler akımı durdurur ve bloke eder, bu da sıfır akım akışına neden olur.

Bölücüler, beslemenin frekansla yönlendirildiği durumlarda kullanılabilir.

Parmak tarama cihazından Colpitts Osilatörlerine kadar çok çeşitli elektronik kapasitif voltaj bölücü kullanımı vardır. Yüksek şebeke akımını düşürmek için kapasitif gerilim bölücünün kullanıldığı şebeke trafosu için ucuz alternatif olarak da yaygın olarak tercih edilmektedir.