Circuitele de divizare a tensiunii pot fi construite din componente reactive la fel de ușor cum pot fi construite din rezistoare de valoare fixă. Dar, la fel ca rezistoarele, o rețea divizoare de tensiune capacitivă nu este afectată de schimbările frecvenței de alimentare, chiar dacă aceasta utilizează condensatoare care sunt elemente reactive, deoarece fiecare condensator din lanțul serie este afectat în mod egal de schimbările frecvenței.

Un condensator se opune fluxului de curent la fel ca un rezistor, dar spre deosebire de un rezistor care își disipează energia nedorită sub formă de căldură, un condensator stochează energie pe plăcile sale atunci când se încarcă și eliberează sau dă înapoi energia în circuitul conectat atunci când se descarcă.

Această abilitate a unui condensator de a se opune sau de a "reacționa" împotriva fluxului de curent prin stocarea sarcinii pe plăcile sale se numește "reactanță", și întrucât această reactanță se referă la un condensator se numește, prin urmare, reactanță capacitivă (Xc) măsurată în Ohm.

Atunci când un condensator complet descărcat este conectat la o sursă DC, cum ar fi o baterie, reactanța condensatorului este inițial extrem de scăzută, iar curentul de circuit maxim curge prin condensator pentru o perioadă scurtă de timp, pe măsură ce plăcile condensatoarelor se încarcă exponențial.

După o perioadă de timp egală cu aproximativ 5RC sau 5 constante de timp, plăcile condensatorului sunt complet încărcate egalizând tensiunea de alimentare și nu mai curge curent. În acest moment, reactanța condensatorului la fluxul de curent DC este la maximul ei, în regiunea megohmi, aproape un circuit deschis, și de aceea condensatoarele blochează DC.

Acum, dacă conectăm condensatorul la o sursă de alimentare cu curent alternativ (AC) care inversează în mod continuu polaritatea, efectul asupra condensatorului este că plăcile sale sunt încărcate și descărcate continuu în raport cu tensiunea de alimentare alternantă aplicată. Acest lucru înseamnă că un curent de încărcare și descărcare intră mereu în și din plăcile condensatoarelor și dacă avem un flux de curent, trebuie să avem și o valoare de reactanță pentru a se opune. Dar ce valoare ar fi și ce factori determină valoarea reactanței capacitive?

În tutorialul despre capacitate și sarcină, am văzut că cantitatea de sarcină (Q) prezentă pe plăcile condensatoarelor este proporțională cu valoarea aplicată a tensiunii și a capacității condensatorului. Pe măsură ce tensiunea de alimentare alternativă aplicată (Vs) se modifică în mod constant în valoare, sarcina plăcilor trebuie, de asemenea, să se schimbe în valoare.

Dacă condensatorul are o valoare de capacitate mai mare, atunci pentru o anumită rezistență R durează mai mult pentru a încărca condensatorul la τ = RC, ceea ce înseamnă că curentul de încărcare curge pentru o perioadă mai lungă de timp. O capacitate mai mare are ca rezultat o valoare mică a reactanței Xc pentru o anumită frecvență.

De asemenea, dacă condensatorul are o valoare mică a capacității, atunci este necesară o constantă de timp RC mai scurtă pentru a încărca condensatorul, ceea ce înseamnă că curentul va curge pentru o perioadă mai scurtă de timp. O capacitate mai mică are ca rezultat o valoare mai mare a reactanței Xc. Atunci, putem vedea că curenții mai mari înseamnă reactanță mai mică, iar curenții mai mici înseamnă reactanță mai mare. Prin urmare, reactanța capacitivă este invers proporțională cu valoarea capacității condensatorului, X_C α^-1 C .

Capacitatea, însă, nu este singurul factor care determină reactanța capacitivă. Dacă curentul alternativ aplicat este la o frecvență joasă, reactanța are mai mult timp să se acumuleze pentru o anumită constantă de timp RC și se opune curentului indicând o valoare mare a reactanței. De asemenea, dacă frecvența aplicată este ridicată, între ciclurile de încărcare și descărcare nu există prea mult timp pentru ca reactanța să se acumuleze și să se opună curentului, rezultând un debit de curent mai mare, indicând o reactanță mai mică.

Atunci putem vedea că un condensator este o impedanță și magnitudinea acestei impedanțe este dependentă de frecvență. Astfel, frecvențele mai mari înseamnă reactanță mai mică, iar frecvențele mai mici înseamnă reactanță mai mare. Prin urmare, reactanța capacitivă Xc (impedanța sa complexă) este invers proporțională atât cu capacitatea, cât și cu frecvența, iar ecuația standard pentru reactanța capacitivă este dată de:

Formula reactanței capacitive

unde:
Xc = reactanța capacitivă în ohmi, (Ω)
π (pi) = o constantă numerică de 3,142 (sau 22 ÷ 7)
ƒ = frecvența în Hertz, (Hz)
C = Capacitate în Farad, (F)

Distribuția tensiunii pe condensatoare serie

Acum că am văzut cum opoziția față de curenții de încărcare și descărcare a unui condensator este determinată nu numai de valoarea capacității sale, ci și de frecvența alimentării, vă permite să aruncați o privire asupra modului în care aceasta afectează două condensatoare conectate în serie formând un circuit divizor de tensiune capacitiv.

Divizor capacitiv de tensiune

Considerați cele două condensatoare C1 și C2 conectate în serie la o sursă alternativă de 10 volți. Deoarece cele două condensatoare sunt în serie, sarcina Q pe ele este aceeași, dar tensiunile pe ele vor fi diferite și legate de valorile lor capacitate, deoarece V = Q/C.

Circuitele de divizare a tensiunii pot fi construite din componente reactive la fel de ușor precum ele pot fi construite din rezistoare, deoarece ambele respectă regula de divizare a tensiunii.

Tensiunea pe fiecare condensator poate fi calculată în mai multe moduri. O astfel de modalitate constă în găsirea valorii reactanței capacitive a fiecărui condensator, a impedanței totale a circuitului, a curentului de circuit și apoi a utilizării acestora pentru a calcula căderea de tensiune, de exemplu:

Divizor de tensiune capacitiv. Exemplul nr. 1

Utilizând cele două condensatoare de 10μF și 22μF în circuitul serie de mai sus, calculați căderile de tensiune RMS pe fiecare condensator atunci când sunt supuse unei tensiuni sinusoidale de 10 volți rms la 80Hz.

Reactanța capacitivă a condensatorului de 10 μF

Reactanța capacitivă a condensatorului de 22 μF

Reactanța capacitivă totală a circuitului serie - Rețineți că reactanțele în serie sunt adunate împreună, la fel ca rezistoarele în serie.

sau:

Atunci, căderea de tensiune pe fiecare condensator din divizorul de tensiune capacitiv serie va fi:

Când valorile condensatoarelor sunt diferite, condensatorul de valoare mai mică se va încărca la o tensiune mai mare decât condensatorul de valoare mai mare, iar în exemplul nostru de mai sus acest lucru a fost de 6,9 ​​și, respectiv, 3,1 volți. Deoarece legea de tensiune Kirchhoff se aplica la fiecare circuit conectat serie, suma totală a căderilor individuale de tensiune va fi egală cu valoarea tensiunii de alimentare VS și, într-adevăr, 6,9+3,1= 10 volți.

Rețineți că rapoartele căderilor de tensiune pe cele două condensatoare conectate într-un circuit serie, divizor de tensiune capacitiv, vor rămâne întotdeauna aceleași indiferent de frecvența de alimentare. Atunci, cele două căderi de tensiune de 6,9 ​​V și 3,1 V de mai sus vor rămâne aceleași, chiar dacă frecvența de alimentare este mărită de la 80 Hz la 8000 Hz după cum se arată mai jos.

Divizor capacitiv de tensiune. Exemplul nr. 2

Folosind aceleași două condensatoare, calculați căderea de tensiune capacitivă la 8000Hz (8kHz).

În timp ce rapoartele de tensiune dintre cele două condensatoare pot să rămână neschimbate, deoarece frecvența de alimentare crește, reactanța capacitivă combinată scade, și deci și impedanța circuitului total. Această reducere a impedanței determină curgerea unui curent mai mare. De exemplu, la 80Hz am calculat curentul circuitului de mai sus de aproximativ 34,5mA, dar la 8kHz, curentul de alimentare a crescut la 3,45A, de 100 de ori mai mult. Prin urmare, curentul care trece printr-un divizor de tensiune capacitiv este proporțional cu frecvența sau I α ƒ.

Am văzut aici că un divizor de condensatoare este o rețea de condensatoare conectate în serie, fiecare având o cădere de tensiune AC pe el. Deoarece divizoarele de tensiune capacitive utilizează valoarea reactanței capacitive a unui condensator pentru a determina căderea efectivă a tensiunii, ele pot fi utilizate numai ca surse comandate în frecvență și, ca atare, nu funcționează ca divizoare de tensiune DC. Acest lucru se datorează faptului că condensatoarele blochează DC și, prin urmare, nu curge curent.

Circuitele capacitive de divizare a tensiunii sunt utilizate într-o varietate de aplicații electronice, de la oscilatoare Colpitts până la ecrane capacitive sensibile la atingere, care își schimbă tensiunea de ieșire atunci când sunt atinse de un deget al persoanei, pentru a fi utilizate ca înlocuitori ieftini pentru transformatoarele de rețea la scăderea tensiunilor mari, deoarece în circuitele conectate la rețeaua de alimentare se folosesc electronică de joasă tensiune sau IC-uri etc.

Deoarece, așa cum știm acum, reactanța ambelor condensatoare se schimbă cu frecvență (la aceeași rată), astfel încât divizarea tensiunii pe un circuit capacitiv divizor de tensiune va rămâne întotdeauna aceeași, păstrând un divizor constant de tensiune.