在了解电容分压器之前

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       分压电路可以由无功元件构成,就像它们可以由固定值电阻器构成一样容易。

 

       但是,就像电阻电路一样,电容分压器网络即使使用电容器(电抗元件),也不受电源频率变化的影响,因为串联链中的每个电容器均受电源频率变化的同等影响。

 

       但是在更详细地研究电容性分压器电路之前,我们需要更多地了解电容性电抗以及它如何影响不同频率下的电容器。

 

       在有关电容器的第一篇教程中,我们看到电容器由两个平行的导电板组成,这些导电板被绝缘体隔开,并且在一个板上具有正(+)电荷,在另一个板上具有相反的负(-)电荷。我们还看到,当连接到DC(直流)电源时,一旦电容器充满电,绝缘体(称为电介质)就会阻止流过电容器的电流。

 

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       电容器就像电阻器一样抵抗电流流动,但是与电阻器以热量形式耗散其多余能量的电阻器不同,电容器在充电时将能量存储在其极板上,在放电时将能量释放或释放回连接的电路中。

 

       电容器通过将电荷存储在其极板上来抵抗或抵抗电流流动的这种能力称为“电抗”,因此,由于该电抗与电容器有关,因此称为电容电抗(Xc),像电阻一样,电抗为也以欧姆为单位。

 

       当完全放电的电容器跨接在直流电源(例如电池或电源)两端时,电容器的电抗最初非常低,并且最大的电路电流会在很短的时间内流过电容器,因为电容器极板呈指数充电状态。

 

       在大约等于“ 5RC”或5个时间常数的时间段后,电容器的极板充满电,等于电源电压,并且没有其他电流流动。在这一点上,电容器对直流电流的电抗在兆欧范围内达到最大值,几乎是开路,这就是电容器阻止直流电的原因。

 

       现在,如果我们将电容器连接到一个极性连续反转的AC(交流)电源,则对电容器的影响是,其极板与施加的交流电源电压有关,在不断地充放电。这意味着充放电电流总是流入和流出电容器极板,并且如果我们有电流流过,我们还必须有一个电抗值来对抗它。但是它将是什么值,什么因素决定了电容电抗的值。

 

       在有关电容和电荷的教程中,我们看到电容器板上存在的电荷量(Q)与电容器的施加电压和电容值成正比。随着所施加的交流电源电压(Vs)的值不断变化,板上的电荷也必须变化。

 

       如果电容器具有较大的电容值,则对于给定的电阻R,当τ= RC时,电容器需要花费更长的时间充电,这意味着充电电流流动的时间更长。对于给定的频率,较高的电容会导致电抗Xc的值变小。

 

       同样,如果电容器的电容值较小,则需要较短的RC时间常数给电容器充电,这意味着电流将流经较短的时间。较小的电容会导致较高的电抗值Xc。然后我们可以看到,较大的电流表示较小的电抗,较小的电流表示较大的电抗。因此,电容电抗与电容器的电容值X C  ∝ -1  C 成反比。

 

       然而,电容并不是决定电容电抗的唯一因素。如果施加的交流电处于低频状态,则对于给定的RC时间常数,电抗具有更多的建立时间,并且与表示电抗值较大的电流相反。同样,如果施加的频率较高,则在充电和放电周期之间几乎没有时间让电抗累积并与电流对立,从而导致较大的电流流动,从而表示电抗较小。

 

       然后我们可以看到电容器是一个阻抗,并且该阻抗的大小与频率有关。因此,较大的频率表示较小的电抗,较小的频率表示较大的电抗。因此,电容电抗 Xc(复阻抗)与电容和频率成反比,电容电抗的标准方程式为:

 

       电容电抗公式

 

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       Xc =欧姆电抗,(Ω)

       π(pi)= 3.142的数值常数

       ƒ =赫兹频率(Hz)

       C =法拉电容(F)

 

       串联电容器的电压分布

 

       既然我们已经看到了如何不仅通过电容器的电容值而且通过电源频率来确定电容器的充电和放电电流的相反方向,让我们看一下这如何影响串联连接的两个电容器,形成一个电容分压器电路。

 

       电容分压器

 

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       考虑两个10伏交流电串联的两个电容器C1和C2。由于两个电容器是串联的,电荷Q上它们是相同的,但是在它们之间的电压将是不同的,与它们的静电电容值,V = Q / C。

 

       分压器电路可以由无功元件构成,就像它们可以由电阻器构成一样容易,因为它们都遵循分压器规则。以这种电容分压器电路为例。

 

       每个电容器上的电压可以通过多种方法来计算。一种方法是找到每个电容器的电容电抗值,总电路阻抗,电路电流,然后使用它们来计算电压降,例如:

 

       电容分压器示例1

 

       使用上述串联电路中的两个10uF和22uF电容器,计算在80Hz时承受10伏rms的正弦电压时,每个电容器两端的rms压降。

 

       10uF电容器的电容电抗

 

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       22uF电容器的电容电抗

 

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       串联电路的总容抗–请注意,串联的电抗就像串联的电阻一样加在一起。

 

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       要么:

 

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       电路电流

 

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       然后,串联电容分压器中每个电容器的压降为:

 

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       当电容器的值不同时,较小值的电容器将自己充电到比较大值的电容器更高的电压,在上面的示例中,这分别是6.9伏和3.1伏。由于基尔霍夫电压定律应用于此以及每串联连接电路,所述单独的电压降的总和将是值等于电源电压,V 小号和6.9 + 3.1确实不等于10伏。

 

       注意,在串联电容分压器电路中连接的两个电容器两端的电压降比率将始终保持相同,而与电源频率无关。然后,即使电源频率从如图所示的80Hz增加到8000Hz,在我们的简单示例中,高于6.9伏和3.1伏的两个电压降也将保持不变。

 

       电容分压器示例2

 

       使用相同的两个电容器,计算8,000Hz(8kHz)时的电容性压降。

 

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       尽管两个电容器上的电压比可以保持不变,但随着电源频率的增加,组合电容电抗会降低,因此总电路阻抗也会降低。阻抗的减小导致更多的电流流动。例如,在80Hz时,我们计算出上述电路电流约为34.5mA,但在8kHz时,电源电流增加至3.45A,是原来的100倍。因此,流经电容分压器的电流与频率或I ∝ƒ成正比。

 

       在这里我们已经看到,电容分压器是一个串联电容器网络,每个电容器两端都有一个交流电压降。由于电容性分压器使用电容器的电容性电抗值来确定实际的电压降,因此它们只能用于频率驱动的电源,因此不能用作直流分压器。这主要是由于电容器阻塞了DC,因此没有电流流过。

 

       电容分压器电路被用于各种电子应用中,从Colpitts振荡器到电容式触摸屏,当人的手指触摸触摸屏时,它们会改变输出电压;在降低高压时,它可作为市电变压器的廉价替代品,例如在使用低压电子设备或IC等的市电连接的电路中。

 

       因为我们现在知道,两个电容器的电抗随频率(以相同的速率)变化,所以电容性分压器电路上的分压将始终保持不变,从而保持稳定的分压器。

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