Cầu chia áp bằng tụ điện có thể được cấu tạo từ các tụ điện dễ dàng như chúng có thể được cấu tạo từ các điện trở có giá trị cố định.
Nhưng cũng giống như mạch điện trở, mạng phân áp điện dung không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của tần số nguồn cung cấp mặc dù chúng sử dụng tụ điện, là phần tử phản kháng, vì mỗi tụ điện trong chuỗi nối tiếp bị ảnh hưởng như nhau bởi sự thay đổi của tần số nguồn cung cấp.
Nhưng trước khi chúng ta có thể xem xét Cầu chia áp bằng tụ điện chi tiết hơn, chúng ta cần hiểu thêm một chút về điện kháng và cách nó ảnh hưởng đến tụ điện ở các tần số khác nhau.
Trong hướng dẫn đầu tiên của chúng tôi về Tụ điện , chúng tôi đã thấy rằng tụ điện bao gồm hai bản dẫn điện song song được ngăn cách bởi một chất cách điện và có điện tích dương ( + ) trên một bản và điện tích âm ( – ) ngược lại trên bản kia. Chúng ta cũng thấy rằng khi được kết nối với nguồn điện một chiều (dòng điện một chiều), khi tụ điện được sạc đầy, chất cách điện (được gọi là chất điện môi) sẽ chặn dòng điện chạy qua nó.
Tụ điện chống lại dòng điện giống như một điện trở, nhưng không giống như một điện trở tiêu tán năng lượng không mong muốn của nó dưới dạng nhiệt, một tụ điện lưu trữ năng lượng trên các bản của nó khi nó sạc và giải phóng hoặc trả lại năng lượng cho mạch được kết nối khi nó phóng điện.
Khả năng chống lại hoặc “phản ứng” của tụ điện chống lại dòng điện bằng cách lưu trữ điện tích trên các bản của nó được gọi là “điện kháng”, và vì điện trở này liên quan đến tụ điện nên được gọi là dung kháng ( Xc ), và giống như điện trở, điện trở là cũng được đo bằng Ohm.
Khi một tụ điện đã xả hoàn toàn được nối qua nguồn điện một chiều như pin hoặc nguồn điện, điện trở của tụ điện ban đầu cực kỳ thấp và dòng điện cực đại chạy qua tụ điện trong một khoảng thời gian rất ngắn khi các bản tụ điện tích điện theo cấp số nhân.
Sau một khoảng thời gian bằng khoảng “5RC” hoặc 5 hằng số thời gian, các bản của tụ điện được sạc đầy bằng điện áp nguồn và không có dòng điện nào chạy thêm. Tại thời điểm này, điện trở của tụ điện với dòng điện một chiều là cực đại trong vùng mega-ohms, gần như là một mạch hở, và đây là lý do tại sao tụ điện chặn dòng điện một chiều.
Bây giờ nếu chúng ta kết nối tụ điện với nguồn điện xoay chiều (dòng điện xoay chiều) liên tục đảo cực, thì tác động lên tụ điện là các tấm của nó liên tục nạp và phóng điện trong mối quan hệ với điện áp nguồn xoay chiều đã đặt. Điều này có nghĩa là một dòng điện nạp và phóng điện luôn chạy vào và ra khỏi các tấm tụ điện, và nếu chúng ta có dòng điện thì chúng ta cũng phải có một giá trị của điện trở để chống lại nó. Nhưng nó sẽ là giá trị nào và những yếu tố nào quyết định giá trị của điện trở điện dung.
Trong phần hướng dẫn về Điện dung và Điện tích, chúng ta đã thấy rằng lượng điện tích, ( Q ) hiện diện trên các bản tụ điện tỷ lệ với giá trị điện áp và điện dung của tụ điện. Khi điện áp cung cấp xoay chiều được đặt vào, ( Vs ) liên tục thay đổi về giá trị, điện tích trên các tấm cũng phải thay đổi về giá trị.
Nếu tụ điện có giá trị điện dung lớn hơn, thì với điện trở nhất định, R thì thời gian sạc tụ là τ = RC lâu hơn, nghĩa là dòng điện chạy trong thời gian dài hơn. Điện dung cao hơn dẫn đến giá trị nhỏ của điện kháng, Xc với một tần số nhất định.
Tương tự như vậy, nếu tụ điện có giá trị điện dung nhỏ, thì cần một hằng số thời gian RC ngắn hơn để sạc tụ điện, nghĩa là dòng điện sẽ chạy trong một khoảng thời gian ngắn hơn. Điện dung nhỏ hơn dẫn đến giá trị điện kháng cao hơn, Xc. Sau đó, chúng ta có thể thấy rằng dòng điện lớn hơn có nghĩa là điện kháng nhỏ hơn, và dòng điện nhỏ hơn có nghĩa là điện kháng lớn hơn. Do đó, cảm kháng tỉ lệ nghịch với giá trị điện dung của tụ điện là X C ∝ -1 C.
Tuy nhiên, điện dung không phải là yếu tố duy nhất quyết định điện trở điện dung. Nếu dòng điện xoay chiều được đặt ở tần số thấp, thì điện kháng có nhiều thời gian hơn để tích lũy trong một hằng số thời gian RC nhất định và chống lại dòng điện chỉ ra một giá trị lớn của điện kháng. Tương tự như vậy, nếu tần số áp dụng cao, có rất ít thời gian giữa chu kỳ sạc và xả để điện kháng hình thành và chống lại dòng điện dẫn đến dòng điện lớn hơn, cho thấy điện kháng nhỏ hơn.
Sau đó, chúng ta có thể thấy rằng một tụ điện là một trở kháng và độ lớn của trở kháng này phụ thuộc vào tần số. Vì vậy, tần số lớn hơn có nghĩa là điện kháng nhỏ hơn, và tần số nhỏ hơn có nghĩa là điện kháng lớn hơn. Do đó, Dung kháng , Xc (trở kháng phức của nó) tỷ lệ nghịch với cả điện dung và tần số và phương trình chuẩn cho điện kháng được đưa ra là:
Công thức dung kháng
- Ở đâu:
- Xc = Dung kháng bằng Ohms, (Ω)
- π (pi) = 3,142
- ƒ = Tần số tính bằng Hertz, (Hz)
- C = Điện dung tính bằng Farads, (F)
Cầu chia áp bằng tụ điện nối tiếp
Bây giờ chúng ta đã thấy sự đối lập giữa dòng sạc và dòng xả của tụ điện được xác định như thế nào không chỉ bởi giá trị điện dung của nó mà còn bởi tần số của nguồn cung cấp, hãy xem điều này ảnh hưởng như thế nào đến hai tụ điện mắc nối tiếp tạo thành một bộ chia điện dung. mạch điện.
Cầu chia áp bằng tụ điện
Xét hai tụ điện C1 và C2 mắc nối tiếp qua nguồn điện xoay chiều có cường độ 10 vôn. Khi hai tụ nằm trong series, phí Q trên chúng là như nhau, nhưng điện áp trên chúng sẽ khác nhau và liên quan đến các giá trị điện dung của họ, như V = Q / C .
Các mạch phân áp có thể được cấu tạo từ các thành phần phản kháng dễ dàng như chúng có thể được cấu tạo từ các điện trở vì cả hai đều tuân theo quy tắc phân áp. Lấy ví dụ như mạch phân áp điện dung này.
Điện áp trên mỗi tụ điện có thể được tính theo một số cách. Một trong những cách như vậy là tìm giá trị điện dung của mỗi tụ điện, tổng trở của mạch, cường độ dòng điện của mạch và sau đó sử dụng chúng để tính điện áp rơi, ví dụ:
Ví dụ về chia áp bằng tụ điện số 1
Mắc vào hai tụ điện 10uF và 22uF trong đoạn mạch nối tiếp trên, hãy tính hiệu điện thế rms giảm trên mỗi tụ khi chịu một hiệu điện thế hình sin 10 vôn có tần số 80Hz.
Dung kháng của tụ điện 10uF
Dung Kháng của tụ điện 22uF
Tổng dung kháng của đoạn mạch nối tiếp – Lưu ý rằng điện trở mắc nối tiếp được cộng với nhau giống như điện trở mắc nối tiếp.
hoặc là:
Dòng điện
Khi đó điện áp rơi trên mỗi tụ điện mắc nối tiếp với bộ phân áp điện dung sẽ là:
Khi các giá trị của tụ điện khác nhau, tụ điện có giá trị nhỏ hơn sẽ tự tích điện đến điện áp cao hơn so với tụ điện có giá trị lớn hơn, và trong ví dụ của chúng tôi ở trên, giá trị này tương ứng là 6,9 và 3,1 volt. Vì định luật điện áp Kirchhoff áp dụng cho mạch này và mọi mạch nối tiếp nối tiếp, nên tổng số lần giảm điện áp riêng lẻ sẽ bằng giá trị của điện áp nguồn, V S và 6,9 + 3,1 thực sự bằng 10 vôn.
Chú ý rằng tỉ số của hiệu điện thế giảm trên hai bản tụ điện mắc nối tiếp trong mạch phân áp điện dung nối tiếp sẽ luôn không đổi bất kể tần số nguồn cung cấp là bao nhiêu. Khi đó hai điện áp giảm 6,9 vôn và 3,1 vôn ở trên trong ví dụ đơn giản của chúng ta sẽ giữ nguyên ngay cả khi tăng tần số nguồn cung cấp từ 80Hz lên 8000Hz như hình vẽ.
Ví dụ về chia áp bằng tụ điện số 2
Mắc hai tụ điện giống nhau, hãy tính độ giảm điện dung ở tần số 8.000Hz (8kHz).
Trong khi tỷ lệ điện áp trên hai tụ điện có thể giữ nguyên, khi tần số nguồn cung cấp tăng lên, điện trở điện dung kết hợp giảm, và do đó, tổng trở của mạch cũng vậy. Việc giảm trở kháng này làm cho dòng điện chạy nhiều hơn. Ví dụ, ở tần số 80Hz, chúng tôi tính toán dòng điện mạch ở trên là khoảng 34,5mA, nhưng ở 8kHz, dòng điện cung cấp tăng lên 3,45A, gấp 100 lần. Do đó, dòng điện chạy qua một bộ phân áp điện dung tỷ lệ với tần số hoặc I ∝ ƒ .
Ở đây chúng ta đã thấy rằng một bộ chia tụ điện là một mạng lưới các tụ điện nối tiếp với nhau, mỗi tụ điện có điện áp xoay chiều đặt trên nó. Vì bộ phân áp điện dung sử dụng giá trị điện dung của tụ điện để xác định điện áp rơi thực tế, chúng chỉ có thể được sử dụng trên nguồn cung cấp điều khiển tần số và như vậy không hoạt động như bộ chia điện áp DC. Điều này chủ yếu là do các tụ điện chặn DC và do đó không có dòng điện chạy qua.
Các mạch phân chia điện áp điện dung được sử dụng trong nhiều ứng dụng điện tử khác nhau, từ Máy tạo dao động Colpitts, đến màn hình cảm ứng điện dung có thể thay đổi điện áp đầu ra của chúng khi bị người chạm vào ngón tay, được sử dụng như một chất thay thế rẻ tiền cho máy biến áp nguồn trong việc giảm điện áp cao như trong các mạch kết nối nguồn điện sử dụng điện tử điện áp thấp hoặc IC, v.v.
Bởi vì như chúng ta đã biết, điện trở của cả hai tụ điện thay đổi theo tần số (với cùng tốc độ), do đó, sự phân chia điện áp trên một mạch phân áp điện dung sẽ luôn giữ nguyên để giữ một bộ phân áp ổn định.