Divisore di tensione capacitivo

In questo post impariamo come funzionano i circuiti divisori di tensione capacitivi nei circuiti elettronici, attraverso formule ed esempi risolti.

Di: Dhrubajyoti Biswas

Che cos'è una rete di divisori di tensione

Parlando di un circuito divisore di tensione, è importante notare che la tensione nel circuito divisore viene equamente distribuita tra tutti i componenti esistenti associati alla rete, sebbene la capacità possa variare in base alla costituzione dei componenti.

Un circuito divisore di tensione può essere costruito da componenti reattivi o anche da resistori fissi.

Tuttavia, quando si confrontano i divisori di tensione capacitivi, i divisori resistivi rimangono inalterati con la variazione della frequenza di alimentazione.

Lo scopo di questo documento è fornire una comprensione dettagliata dei divisori di tensione capacitivi. Ma per ottenere maggiori informazioni, è fondamentale dettagliare la reattanza capacitiva e il suo effetto sui condensatori a varie frequenze.

Un condensatore è costituito da due piastre conduttive, poste parallelamente l'una all'altra che sono inoltre separate da un isolante. Queste due piastre hanno una carica positiva (+) e un'altra negativa (-).

Quando un condensatore viene caricato completamente tramite corrente CC, il dielettrico [comunemente chiamato isolante] blocca il flusso di corrente attraverso le piastre.

Un'altra caratteristica importante di un condensatore rispetto a un resistore è: un condensatore immagazzina energia sulle piastre conduttive durante la carica, cosa che il resistore non fa, poiché tende sempre a rilasciare l'energia in eccesso sotto forma di calore.

Ma l'energia immagazzinata da un condensatore viene trasmessa ai circuiti ad esso collegati durante il suo processo di scarica.

Questa caratteristica di un condensatore per immagazzinare la carica è indicata come reattanza, e ulteriormente indicata come reattanza capacitiva [Xc] per la quale Ohm è l'unità di misura standard per la reattanza.

Un condensatore scarico quando è collegato a un alimentatore CC, la reattanza rimane bassa nella fase iniziale.

Una parte sostanziale della corrente scorre attraverso il condensatore per un breve intervallo, il che costringe le piastre conduttive a caricarsi rapidamente e questo alla fine inibisce qualsiasi ulteriore passaggio di corrente.

Come il condensatore blocca la CC?

In un resistore, una rete in serie di condensatori quando il periodo di tempo raggiunge una grandezza di 5RC, le piastre conduttive del condensatore si caricano completamente, il che significa che la carica ricevuta dal condensatore è uguale alla tensione di alimentazione, il che interrompe qualsiasi ulteriore flusso di corrente.

Inoltre, la reattanza del condensatore in questa situazione sotto l'influenza della tensione continua raggiunge lo stato massimo [mega-ohm].

Condensatore in alimentazione AC

Per quanto riguarda l'uso della corrente alternata [AC] per caricare un condensatore, in cui il flusso di corrente AC è sempre polarizzato alternativamente, il condensatore che riceve il flusso è soggetto a una carica e scarica costante attraverso le sue piastre.

Ora, se abbiamo un flusso di corrente costante, dobbiamo anche determinare il valore di reattanza per limitare il flusso.

Fattori per determinare il valore della resistenza capacitiva

Se diamo uno sguardo indietro alla capacità, scopriremo che la quantità di carica sulle piastre conduttive di un condensatore è proporzionale al valore della capacità e della tensione.

Ora, quando un condensatore riceve il flusso di corrente da un ingresso CA, la tensione di alimentazione subisce un cambiamento costante nel suo valore, che invariabilmente cambia il valore delle piastre in modo troppo proporzionale.

Consideriamo ora una situazione in cui un condensatore contiene un valore di capacità più elevato.

In questa situazione la resistenza R consuma più tempo per caricare il condensatore τ = RC. Ciò implica che se la corrente di carica scorre per un periodo di tempo più lungo, la reattanza registra un valore Xc inferiore, a seconda della frequenza specificata.

Allo stesso modo, se il valore della capacità è inferiore in un condensatore, per caricare il condensatore è necessario un tempo RC più breve.

Questo tempo più breve causa il flusso di corrente per un periodo di tempo più breve, il che si traduce in un valore di reattanza relativamente più piccolo, Xc.

È quindi evidente che con correnti più elevate il valore della reattanza rimane piccolo e viceversa.

E quindi la reattanza capacitiva è sempre inversamente proporzionale al valore di capacità del condensatore.

XC ∝ -1 C.

È fondamentale notare che la capacità non è l'unico fattore per analizzare la reattanza capacitiva.

Con una bassa frequenza della tensione CA applicata, la reattanza si sviluppa più tempo in base alla costante di tempo RC assegnata. Inoltre, blocca anche la corrente, indicando un valore più alto di reattanza.

Allo stesso modo, se la frequenza applicata è alta, la reattanza consente un ciclo di tempo minore per il processo di carica e scarica.

Inoltre, riceve anche un flusso di corrente più elevato durante il processo, il che porta a una reattanza inferiore.

Quindi questo dimostra che l'impedenza (reattanza CA) di un condensatore e la sua grandezza dipendono dalla frequenza. Pertanto, una frequenza più alta si traduce in una reattanza inferiore e viceversa, e quindi si può concludere che la reattanza capacitiva Xc è inversamente proporzionale alla frequenza e alla capacità.

La suddetta teoria della reattanza capacitiva può essere riassunta con la seguente equazione:

Xc = 1 / 2πfC

Dove:

· Xc = reattanza capacitiva in ohm, (Ω)


· Π (pi) = una costante numerica di 3,142 (o 22 ÷ 7)


· Ƒ = Frequenza in Hertz, (Hz)


· C = Capacità in Farad, (F)

Divisore di tensione capacitivo

Questa sezione avrà lo scopo di fornire una spiegazione dettagliata di come la frequenza di alimentazione influisce su due condensatori collegati back to back o in serie, meglio definiti come circuiti divisori di tensione capacitivi.

Circuito divisore di tensione capacitivo

Per illustrare il funzionamento di un partitore di tensione capacitivo, facciamo riferimento al circuito sopra. Qui, C1 e C2 sono in serie e collegati a un'alimentazione CA di 10 volt. Essendo in serie entrambi i condensatori ricevono la stessa carica, Q.

Tuttavia, la tensione rimarrà diversa e dipende anche dal valore della capacità V = Q / C.

Considerando la Figura 1.0, il calcolo della tensione ai capi del condensatore può essere determinato in diversi modi.

Un'opzione è scoprire l'impedenza totale del circuito e la corrente del circuito, cioè tracciare il valore della reattanza capacitiva su ciascun condensatore e quindi calcolare la caduta di tensione su di essi. Per esempio:

ESEMPIO 1

Come da Figura 1.0, con C1 e C2 rispettivamente di 10uF e 20uF, calcolare le cadute di tensione rms che si verificano ai capi del condensatore in una situazione di tensione sinusoidale di 10 volt rms @ 80Hz.

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

Reattanza capacitiva totale

Xc (totale) = 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

Corrente nel circuito

I = E / Xc = 10V / 290Ω

La tensione scende in serie per entrambi i condensatori. Qui il partitore di tensione capacitivo viene calcolato come:

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

Se i valori dei condensatori differiscono, il condensatore di valore più piccolo può quindi caricarsi a una tensione maggiore rispetto a quello di valore più grande.

Nell'esempio 1, la carica di tensione registrata è 6,9 e 3,1 rispettivamente per C1 e C2. Ora, poiché il calcolo si basa sulla teoria della tensione di Kirchoff, quindi la tensione totale scende per il singolo condensatore è uguale al valore della tensione di alimentazione.

NOTA:

Il rapporto di caduta di tensione per i due condensatori che è collegato al circuito divisore di tensione capacitivo in serie rimane sempre lo stesso anche se c'è una frequenza in alimentazione.

Quindi come da Esempio 1, 6,9 e 3,1 volt sono gli stessi, anche se la frequenza di alimentazione è massimizzata da 80 a 800Hz.

ESEMPIO 2

Come trovare la caduta di tensione del condensatore utilizzando gli stessi condensatori usati nell'esempio 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 (totale) = 10 / 2,9 = 3,45 Amp

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

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

Poiché il rapporto di tensione rimane lo stesso per entrambi i condensatori, con l'aumentare della frequenza di alimentazione, il suo impatto è visto sotto forma di una diminuzione della reattanza capacitiva combinata, nonché per l'impedenza totale del circuito.

Un'impedenza ridotta provoca un flusso di corrente più elevato, ad esempio, la corrente del circuito a 80Hz è di circa 34,5mA, mentre a 8kHz potrebbe esserci un aumento di 10 volte dell'alimentazione di corrente, cioè intorno a 3,45A.

Quindi si può concludere che il flusso di corrente attraverso il partitore di tensione capacitivo è proporzionale alla frequenza, I ∝ f.

Come discusso sopra, i divisori capacitivi che coinvolgono una serie di condensatori collegati, fanno cadere tutti la tensione CA.

Per conoscere la corretta caduta di tensione i divisori capacitivi prendono il valore della reattanza capacitiva di un condensatore.

Pertanto, non funziona come divisore per la tensione CC, poiché in CC i condensatori arrestano e bloccano la corrente, il che causa un flusso di corrente nullo.

I divisori possono essere utilizzati nei casi in cui l'alimentazione è guidata dalla frequenza.

Esiste un'ampia gamma di utilizzo elettronico del partitore di tensione capacitivo, dal dispositivo di scansione delle impronte digitali agli oscillatori Colpitts. È anche ampiamente preferito come alternativa economica per trasformatori di rete in cui vengono impiegati partitori di tensione capacitivi per far cadere una corrente di rete elevata.