تقسیم ولتاژ با خازن را پایه ای یاد بگیریم

مقدمه :

امروز در سایت ایران پاور میخواهیم شما را با مدار معروف تقسیم ولتاژ با خازن به صورت دقیق تری آشنا کنیم.مدارهای تقسیم ولتاژ ممکن است از عناصر پسیو مانند خازن درست ساخته شوند دقیقا به همان آسانی ای که تقسیم ولتاژ با مقاومت هایی با مقادیر ثابت انجام میشوند.در یک مدار تقسیم کننده ولتاژ ، ولتاژ منبع تغذیه یا ولتاژ مدار بین تمامی عناصر مناسب با ظرفیت آن ها تقسیم میشوند. ساختار تقسیم ولتاژ خازنی دقیقا مانند تقسیم ولتاژ مقاومتی میتواند عمل کند.اما مانند مقاومت ها ، تقسیم ولتاژ خازنی تقسیم ولتاژ خازنی با تغییر فرکانس دچار اختلال نمیشود چرا که تمامی المان ها تاثیر تغییر فرکانس را مشاهده میکنند.

همانطور که میدانید خازن عنصریست که انرژی الکتریکی را بین دو صفحه الکتریکی ذخیره میکند.یک خازن دو صفحه دارد و این دو صفحه توسط مواد ایزوله یا غیر هادی از یکدیگر جدا میشوند که به آن “دی الکتریک” گفته میشود.بار الکتریکی مثبت بر روی یک صفحه و بار الکتریکی منفی بر روی صفحه دیگر ذخیره میشوند.(منظورمان همان محل تجمع الکترون هاست.)

همچنین بخوانید : جزوه آزمایشگاه الکترونیک صنعتی

راکتانس خازن :

هنگامی که جریان DC به خازن اعمال میشود ، خازن بطور کامل شارژ میشود.ماده ی دی الکتریک بین دو صفحه به عنوان یک عایق عمل کرده و با عبور جریان بیشتر مخالفت میکند.این تقابل برای عبور جریان از طریق خازن ، واکنش پذیری یا راکتانس (XC) یک خازن نامیده می شود.راکتانس خازن نیز در واحد اهم همواره بیان میشود.خازن کاملاً شارژ به عنوان منبع انرژی عمل می کند ، زیرا یک خازن انرژی را ذخیره می کند و آن را به اجزای مدار تخلیه می کند.

اگر جریان AC روی خازن اعمال شود ، خازن به طور مداوم جریان را از طریق صفحات آن تخلیه می کند.در این زمان خازن دارای واکنش متناوب است که به فرکانس منبع تغذیه بستگی دارد.

همانطور که می دانید بار ذخیره شده در خازن به ولتاژ منبع تغذیه و ظرفیت خازن بستگی دارد. به همین دلیل، راکتانس نیز به برخی پارامترها بستگی دارد ، اکنون پارامترهایی را می بینیم که بر میزان واکنش خازن تأثیر می گذارند.

همچنین بخوانید : محاسبات هسته فریت و هرآنچه لازم است راجب هسته فریت بدانید

اگر یک خازن مقدار ظرفیت کمی داشته باشد ، زمان لازم برای شارژ آن کمتر است. (همان ثابت زمانی RC که در درس مدار1 در دانشگاه مطالعه کردید.) همچنین برای خازن های با ظرفیت بزرگتر این ثابت RC بزرگ تر است.بنابراین مشاهده میشود خازن با ظرفیت بزرگتر دارای مقدار راکتانس کمتریست و خازن با ظرفیت کوچکتر مقدار راکتانس بیشتر. به عبارت دیگر :

X_c ∝ 1/c

اگر فرکانس جریان اعمال شده کم باشد ، مدت زمان شارژ خازن افزایش می یابد ، این نشان می دهد که مقدار راکتانس زیاد است.همچنین اگر فرکانس جریان اعمال شده به خازن زیاد باشد ، راکتانس کاهش خواهد یافت.از این رو می توانیم مشاهده کنیم که راکتانس یک خازن با معکوس با فرکانس متناسب است یعنی : 

X_c ∝ 1/f

هنگامی که یک خازن کامل تخلیه شده به منبع تغذیه DC مانند باتری متصل میشود ، راکتانس خازن در ابتدا بسیار کم است و حداکثر جریان از درون خازن عبور میکند و فرآیند شارژ  آن نیز به صورت تابع نمایی انجام میشود.

همچنین بخوانید : جزوه الکترونیک قدرت 2 سال 98-99

فرمول راکتانس :

که در آن :

Xc :راکتانس خازنی بر  حسب اهم

π : عدد ثابت برابر با 3.142

C : مقدار ظرفیت خازن برحسب فاراد

همچنین بخوانید : جزوه سیم پیچی ترانسفورماتور و ماشین dc

توزیع ولتاژ در خازن های سری :

حال که دیدیم در یک خازن مخالفت با جریان های شارژ و تخلیه یک نه تنها با مقدار خازن آن بلکه با فرکانس آن تعیین می شود ، اجازه دهید ببینیم که چگونه این پارامتر های فرکانس و ظرفیت دو خازن متصل در سری که یک تقسیم ولتاژ خازنی دارند بر ولتاژ آن ها تأثیر می گذارد.

تقسیم ولتاژ خازنی (تقسیم ولتاژ با خازن):

دو خازن قرار گرفته به صورت سری C1 و C2 را در نظر بگیرید که به یک منبع تغذیه 10 ولت متصل است.به دلیل اینکه دو خازن بصورت سری متصل شده اند مقدار بار Q آن ها یکسان است اما ولتاژ دو سر آن ها متفاوت خواهد بود چرا که میدانیم V = Q/C.

همچنین بخوانید : چطور میتوان دریل 220 ولت را به ژنراتور 250 ولت تبدیل کرد؟

ولتاژ موجود در هر خازن به چند روش قابل محاسبه است. یکی از این روشها یافتن مقدار راکتانس هر خازن ، امپدانس کل مدار ، جریان مدار و سپس استفاده از آنها برای محاسبه افت ولتاژ است ، به عنوان مثال:

همچنین بخوانید : یکسوساز نیم موج

مثال اول :

با استفاده از دو خازن 10 و 22 فاراد موجود در مدار تصویر قبل مقدار ولتاژ موثر (RMS) هر خازن را حساب کنید در صورتی که ولتاژی که این خازن ها را تغذیه میکند برابر با 10 ولت rms بوده و فرکانس آن 80 هرتز است.(سینوسی)

راکتانس خازن 10 میکرو فاراد برابر است با :

راکتانس خازن دوم 22 میکرو فارادی نیز برابر است با :

بنابراین مقدار کل راکتانس در مدار سری برابر است با :

یا به عبارت دیگر :

جریان مدارتقسیم ولتاژ با خازن برابر است با :

بنابراین ولتاژ قرار گرفته بر روی هر خازن سری عبارت است از : 

هنگامی که مقدار خازن ها متفاوت است ، خازن با مقدار کوچک تر خود را تا ولتاژ بالاتری شارژ میکند نسبت به خازن کوچک تر.و در این مثال ولتاژ خازن ها 6.9 و 3.1 ولت شد.بر طبق قانون ولتاژ کیرشهف مجموع ولتاژ عناصر قرار گرفته در حالت سری با ولتاژ تغذیه آن ها برابر خواهد بود.(6.9+3.1 ولت)

توجه داشته باشید که نسبت ولتاژ بین خازن قرار گرفته در مدار تقسیم ولتاژ با خازن فارغ از فرکانسی که آن ها را تغذیه میکند ثابت خواهد بود.در این مثال حتی اگر فرکانس منبع تغذیه از 80 هرتز به 8 گیلوهرتز نیز تغییر کند ، نسبت ولتاژ این دو خازن 6.9 به 3.1 خواهد ماند.

همچنین بخوانید : ولتاژ مد مشترک در اینورتر چیست؟

تقسیم ولتاژ خازنی مثال دوم : 

فرض کنیم فرکانس تغذیه این دو خازن به 8 کیلوهرتز تغییر کند.

در حالی که نسبت ولتاژ در دو خازن ممکن است یکسان باقی بماند ، با افزایش فرکانس منبع تغذیه ، میزان راکتانس خازنی ترکیب خازن ها کاهش می یابد و بنابراین نیز امپدانس مدار کل نیز کاهش می یابد. این کاهش امپدانس باعث جریان بیشتر می شود. به عنوان مثال ، در 80Hz ما جریان مدار بالا را حدود 34.5mAA محاسبه کردیم ، اما در 8kHz ، جریان منبع تغذیه به 100 برابر آن یعنی 3.45 آمپر افزایش یافته است. بنابراین ، جریان از طریق تقسیم ولتاژ خازنی متناسب با فرکانس  است.

I ∝ ƒ

خلاصه :

مدار تقسیم ولتاژ با خازن AC بسته به مقدار خازن آنها ، ولتاژ منبع تغذیه را در تمام خازن ها توزیع می کند. این افت ولتاژ برای خازنها برای هر فرکانس ولتاژ منبع تغذیه یکسان است. یعنی افت ولتاژ در خازنها از نظر فرکانس مستقل هستند. اما جریان جاری به فرکانس بستگی دارد و همچنین این دو به طور مستقیم با یکدیگر متناسب هستند.
اما در مدارهای تقسیم ولتاژ DC ، محاسبه افت ولتاژ در خازن ها کار ساده ای نیست زیرا بستگی به مقدار راکتانس دارد ، زیرا خازن ها پس از شارژ کامل جریان DC را عبور نمیدهند.

کاربردها :

مدارهای تقسیم ولتاژ خازنی در انواع کاربردهای الکترونیکی اعم از اسیلاتور کولپیتس تا صفحه های نمایشی خازنی که ولتاژ خروجی آن ها در هنگام لمس شدن توسط انگشت اشخاص تغییر میکند و همچنین مدارات متصل به آی سی ها که نیازمند ولتاژ پایین برای عملکرد هستند نیز بسیار استفاده میشود.

 

نظرات خود را در مورد این پست با ما در میان بگذارید.