Емкостной делитель: Емкостной делитель напряжения – что это такое? Объяснение термина

Емкостной делитель напряжения ⋆ diodov.net

Простейший емкостной делитель напряжения состоит из двух последовательно соединенных конденсаторов и используется для снижения величины U на отдельных элементах электрической цепи.

Делитель постоянного напряжения на конденсаторах чаще всего применяют многоуровневых инверторов напряжения, широко используемых как на электроподвижном составе, так и в других направлениях силовой электроники.

Главная сложность практического применения такой схемы (и всех подобных схем) заключается в невозможности обеспечения равномерного разряда конденсаторов, вследствие чего напряжения на них будет распределяться не поровну. Чем сильнее разряжен один конденсатор по сравнению с другим (иди с другими), тем большая разница в U будет на них, что наглядно отображает формула:

По этой причине подобные схемы крайне нестабильно работают и обязательно предусматривают узлов подзарядки конденсаторов с целью выравнивания напряжения на последних.

Емкостной делитель напряжения в цепи переменного тока

В радиоэлектронике в большей степени находят применение емкостные делители переменного напряжения.

Конденсатор, как и катушка индуктивности, относится к реактивному элементу, то есть потребляет реактивную мощность от источника переменного тока, в отличие от резистора, который является активным элементов и потребляет исключительно активную мощность.

Реактивный элемент

Здесь следует кратко пояснить разницу между активной и реактивной мощностями. Активная мощность выполняет полезную работу и реализуется только в том случае, когда ток и напряжение направлены в одном направлении и не отстают друг от друга, то есть находятся в одной фазе, что имеет место только на резисторе. На конденсаторе ток отстает от напряжения на угол φ = 90°. В результате чего ток напряжение находятся в противофазе, поэтому когда ток имеет максимальное значение напряжение равно нулю, а произведение этих двух величин дают мощность, которая в таком случае равна нулю, так как один из множителей равен нулю. Следовательно, мощность не потребляется.

Аналогичные процессы протекают и в цепи с катушкой индуктивности. Разница лишь в том, что на индуктивности i отстает от u на угол φ = 90°.

Реактивная мощность проявляется только в цепях переменного тока. Она составляет часть полной мощности и определяется по формуле:

Реактивная мощность в отличие от активной, не потребляется нагрузкой, а циркулирует между источником питания и нагрузкой. Поэтому конденсатора и катушка индуктивности являются реактивными элементами, не потребляющими активную мощность и по этой причине они практически не нагреваются.

Расчет сопротивления делителя напряжения на конденсаторах заключается в определении необходимых значений сопротивлений.

Сопротивление конденсатора X_C является величиной не постоянной и зависит от частоты переменного тока

f и емкости C:

Как видно из формулы, сопротивление снижается с увеличением частоты и емкости. Для постоянного тока, частота которого равна нулю, сопротивление стремится к бесконечности, поэтому, рассматриваемая далее схема емкостного делителя напряжения не применяется постоянном токе.

Для снижения величины u_вых, например в два раза, емкости C1 и C2 должны быть равны. Универсальные формулами для определения выходных u_вых1 и u_вых2 в зависимости от входного и емкостей C1 и C2 имеют вид, аналогичный для резисторных делителей:

Поскольку частота переменного тока для всех конденсаторов одинакова, то формулу можно упростить:

Индуктивный делитель напряжения

В качестве делителей переменного напряжения также, но гораздо реже, применяют катушки индуктивности, которые относятся к реактивным элементам. Однако, в отличие от конденсаторов, которые являются накопителями электрического поля, катушки индуктивности накапливают магнитное поле.

Индуктивное сопротивление зависит от индуктивности L и частоты переменного тока f. С ростом этих параметров сопротивление катушки переменному току возрастает.

X_L = 2πfL.

Упрощенный вариант формулы:

 

Как вы наверняка уже заметили, чтобы рассчитать емкостной делитель напряжения достаточно знать емкости конденсаторов, а индуктивный делитель – индуктивности.

Еще статьи по данной теме

Емкостные делители напряжения | Электрические аппараты | Обладнання

Страница 53 из 54

23.3. ЕМКОСТНЫЕ ДЕЛИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

Помимо электромагнитных ТН для понижения высокого напряжения могут быть использованы емкостные делители. Принципиальная схема подобного устройства, понижающего напряжение сети 500 кВ, приведена на рис. 23.9. Делитель Д состоит из конденсаторной батареи С1 и конденсатора С2.
В чисто емкостной цепочке (цепь ТН АХХ разомкнута) напряжение U$ делится обратно пропорционально значениям емкостей. Емкость С2 на порядок больше С1, и ток цепочки определяется конденсатором С1. Емкость С2 выбирается так, чтобы напряжение на ней Uc2 находилось в пределах 4—12 кВ. Для дальнейшего понижения напряжение через реактор Р подается на ТН нормального исполнения и низкой стоимости. Нагрузка, имеющая номинальное напряжение 1-00 В, включается на вторичную обмотку этого трансформатора напряжения.
Если в схеме отсутствует реактор Р, то с ростом нагрузки уменьшается входное сопротивление трансформатора напряжения и выходное напряжение начинает падать. Если реактор настроен в резонанс с емкостью С1+С2 при частоте сети / = 50 Гц, то выходное напряжение мало зависит от нагрузки.

 

Рис. 23.9. Емкостный делитель

Для выявления основных свойств делителя примем, что ТН идеальный и погрешности не вносит. Если пренебречь током холостого хода трансформатора напряжения, то схема рис. 23.9 может быть преобразована в схему рис. 23.10. Трансформатор и нагрузку можно заменить сопротивлением нагрузки Z’v приведенным к первичной обмотке трансформатора напряжения.

Рис. 23.10. Упрощенная расчетная схема емкостного делителя

 

При КЗ на вторичной стороне появятся перенапряжения на конденсаторе С2, которые могут привести к его пробою. Для ограничения этих перенапряжений параллельно конденсатору С2 ставится разрядник или используется аппарат защиты от КЗ в цепи нагрузки.
При использовании в качестве конденсатора С1 конденсаторной бумагомасляной изоляции проходных изоляторов мощность полезной нагрузки ограничивается из-за малости емкости С1. Так, при номинальном напряжении Uном=10 кВ мощность нагрузки составляет 15 В-А.

Погрешность по напряжению достигает 5 %, а угловая погрешность доходит до 5°. В настоящее время в релейной защите высоковольтных линий широко используются сигналы высокой частоты. Релейная защита, работающая на высокой частоте (блок ВЧ, рис. 23.9), связана с линией высокого напряжения через конденсатор С1. Сигналы высокой частоты подаются в линию высокого напряжения и воспринимаются устройством, расположенным в другой точке линии. Для таких защит разработаны специальные конденсаторы большой емкости. Эти конденсаторы используются в емкостном делителе и дают возможность увеличить мощность нагрузки до 1000 В-А. Для того чтобы не пропускать токи высокой частоты, в цепь ТН устанавливается высокочастотный заградитель 3, играющий роль фильтра. Емкостный делитель может быть использован также для отбора больших мощностей (многих киловольт-ампер) вместо понижающих силовых трансформаторов.
В СССР выпускаются емкостные делители мощностью до 300 В-А первого класса точности. Исследования показали возможность создания делителей класса точности 0,2.
В конструкции реакторов и ТН предусмотрена возможность регулирования параметров для компенсации технологических разбросов по емкости конденсаторов делителя.

Индуктивность реактора регулируется изменением воздушного зазора в магнитопроводе и с помощью отводов обмотки. В ТН с помощью отводов обмотки регулируется коэффициент трансформации.
Сравнение стоимости емкостного делителя и каскадных ТН показывает, что делители целесообразно применять при напряжениях выше 110 кВ. При напряжениях 400 кВ и выше стоимость емкостного делителя примерно в 2 раза ниже стоимости каскадного ТН. При напряжении ниже 110 кВ использование делителя не дает ощутимого экономического эффекта.
Наличие конденсаторов делителя и нелинейных индуктивностей создает возможность феррорезонансных явлений не только на основной, но и на низших частотах (субгармониках) .

В результате таких явлений могут возникать перенапряжения, опасные для изоляции, а также ложные срабатывания защиты. Возможно даже повреждение присоединяемых приборов. В настоящее время разработано много схем, эффективно ограничивающих эти перенапряжения.
Работа делителя зависит также от изменения частоты измеряемого напряжения, так как при этом возможны нарушения условия резонанса между реактором и конденсаторами.

23.4. ВЫБОР ТРАНСФОРМАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Номинальное напряжение первичной обмотки ТН должно соответствовать номинальному напряжению сети, в которую он включается. Если ТН включается между фазой и землей — то номинальному фазному напряжению.
Номинальное вторичное напряжение ТН должно соответствовать номинальному напряжению нагрузки.
Нагрузка должна быть равномерно распределена по фазам ТН. Суммарная нагрузка на фазу ТН должна быть меньше допустимой при заданных классе точности и коэффициенте мощности.

Сечение проводников, соединяющих ТН с нагрузкой, должно быть таким, чтобы падение напряжения на них составляло доли процента номинального вторичного напряжения.

Делители напряжения емкосные

Заголовок: 

ДЕЛИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ ЕМКОСНЫЕ

Делители напряжения ёмкостные используются для понижения высокого напряжения. Делители напряжения входят в состав емкостных трансформаторов с напряжением 110, 220, 330, 500, 750 кВт. Делители ёмкостные состоят из конденсаторов, которые обеспечивают понижение высоковольтного напряжения для питания электромагнитного устройства и осуществляющих высокочастотную связь на частотах от 24 до 1000 кГц по линиям электропередач переменного тока с частотой 50 Гц. Конденсаторы и делители напряжения изготавливаются по государственным стандартам, имеют международный стандарт ISO 9001:2000. Вся продукция конденсаторного завода проходит испытания в испытательном центре, аккредитованном в системе аккредитации РК №KZ.И.07.0665. Сочетание цены закупки ДНЕ и КПД в трансформаторах напряжения указывает, что делители целесообразно применять при напряжениях выше 110 кВ. При напряжениях 400 кВт и выше стоимость емкостного делителя примерно в 2 раза ниже стоимости каскадного трансформатора напряжения.

 

При напряжении ниже 110 кВт использование делителя напряжения не дает ощутимого экономического эффекта. Наличие конденсаторов делителя создает возможность в ЛЭП феррорезонансных явлений на основных и низших частотах (суб гармониках). В результате таких явлений могут возникать перенапряжения, которое может привести сгоранию изоляции и ложных срабатываний защиты ДНЕ. А так же возможно повреждение приборов, при не соблюдении схем подключения делителей емкостных теряет эффективное ограничение эти перенапряжений. Работа делителя напряжения зависит от изменения частоты тока измеряемого напряжения, возможны нарушения условия резонанса напряжения тока. Делители напряжения удовлетворяют требованиям ГОСТА 1983-2001 и ТУ 3414-009-05758055-05 и МЭК 358.

Делители напряжения состоят из конденсаторов, обеспечивающих понижение высокого напряжения, питание электромагнитного устройства и осуществляющих высокочастотную связь на частотах от 36 до 750 кГц в линиях электропередач переменного тока частоты 50 Гц. Длина пути утечки внешней изоляции делителей соответствует степени загрязнения 1 и 2 (Б) по ГОСТ 9920-89. Делители напряжения выдерживают суммарную механическую нагрузку на изгиб в соответствии с требованиями ГОСТ 1983-2001. Делители в сейсмостойком исполнении выдерживают 7 баллов по шкале MSK-64. Делитель предназначен для установки на бак электромагнитного устройства.

Делители напряжения ёмкостные (ДНЕ) имеют две комплектации емкостных трансформаторов

ДОСИ – делитель напряжения для отбора мощности связи измерительных цепей, имеет промежуточное напряжение для всех классов 12,064 кВт. Климатическое исполнения конденсаторов УХЛ1 по ГОСТ 15150.

СМАИ – конденсатор в фарфоровой армированной покрышкой, конденсатор связи для устройств средств измерения, конденсатор связи для устройств отбора мощности и средств измерения. Делители напряжения емкостные комплектуются конденсаторами СМАОИ-110/v3 (166/v3, 188/v3) и СМАИ-110/v3 (166/v3, 188/v3). ДОСИ на напряжение 500 и 750 кВт снабжаются электростатическим экраном.

Наше предложение

Компания ООО «Росрезинотехника» предлагает свои услуги в сфере реализации делителей напряжения емкостных, стандартного исполнения и не стандартного с отступлениями в сторону требований заказчика. Вся продукция сертифицирована в соответствия с международным стандартом действительным на территориях стран СНГ.

ЕМКОСТНОЙ ДЕЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Изобретение относится к технике измерений высоких импульсных напряжений и может быть использовано для регистрации высоковольтных импульсов наносекундной длительности.

Известен емкостный делитель напряжения (Патент №1151095 РФ, МПК G01R 15/04. Емкостный делитель импульсов высокого напряжения наносекундной и субнаносекундной длительности. Желтов К.А., Петренко А.Н. 3530361/21. Заявлено 29.12.82. Опубликовано 20.04.1996), установленный на внешнем кондукторе высоковольтной передающей линии и содержащий высоковольтное и низковольтное плечи. Емкость конденсатора низковольтного плеча образована внутренним кондуктором (измерительным электродом делителя) низкоомной конической коаксиальной линии и заземленным внешним кондуктором передающей высоковольтной линии. Емкость конденсатора высоковольтного плеча образована плоскостью торца внутреннего кондуктора конической линии и внутренним кондуктором высоковольтной передающей линии (высоковольтным электродом).

Недостатками данного делителя являются невозможность использования его в высоковольтных устройствах с газовой изоляцией, находящейся под высоким давлением, в вакуумных камерах, а также малая длительность регистрируемых импульсов (всего несколько наносекунд).

Наиболее близким к заявляемому является емкостный делитель напряжения (Зайцев В.И., Олейник Г.М., Ямпольский И.Р. Наносекундный датчик напряжения // ПТЭ. 1984. №2. С. 109-111), содержащий герметичный корпус. Низковольтное плечо делителя содержит низкоиндуктивный фольговый конденсатор, выполненный в виде трехслойной ленты (две полосы алюминиевой фольги, разделенные фторопластовой пленкой), уложенной гармошкой за один оборот вокруг измерительного электрода. Один вывод конденсатора соединен с измерительным электродом делителя, другой вывод соединен с его корпусом. Высоковольтное плечо образовано емкостью между высоковольтным электродом и измерительным электродом делителя.

Недостатками этого делителя также является невозможность использования его в линиях с газовой изоляцией, находящейся под высоким давлением, вакуумных камерах, низкая технологичность изготовления и недостаточное временное разрешение (около 2 нс) для работ с генераторами высоковольтных импульсов длительностью менее 2 нс.

При создании данного изобретения решалась задача создания емкостного делителя высоких напряжений для регистрации наносекундных импульсов напряжения в высоковольтных устройствах с любым видом изолирующей среды.

Техническим результатом является расширение эксплуатационных возможностей делителя за счет обеспечения его работы в жидком диэлектрике, в газе, находящемся под высоким давлением, и возможности изменения емкости фольгового конденсатора, а также за счет повышения технологичности его сборки и ремонта и улучшения временного разрешения.

Дополнительным техническим результатом является повышение термостойкости делителя, что дает возможность работы делителя в условиях повышенных температур и вакуума.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным емкостным делителем напряжения, содержащим металлический корпус, высоковольтное и низковольтное плечи, высоковольтное плечо образовано емкостью между высоковольтным электродом и измерительным электродом делителя, низковольтное плечо выполнено в виде многослойного фольгового конденсатора, один вывод конденсатора соединен с измерительным электродом делителя, другой вывод соединен с его корпусом, корпус делителя выполнен герметичным, новым является то, что корпус делителя выполнен разъемным и состоит из патрубка и крышки, при этом в корпусе дополнительно установлен узел передачи сигнала в измерительный тракт, причем узел представляет собой однородную передающую линию, состоящую из высокочастотного разъема и пар наружных и внутренних коаксиальных проводников, соединенных с использованием цанговых контактов, а в одной из пар между разъемом и измерительным электродом герметично установлен керамический диск, высокочастотный разъем установлен в крышке, многослойный фольговый конденсатор выполнен в виде чередующихся потенциальных и заземленных кольцевых шайб из фольги, между которыми проложены диэлектрические кольцевые шайбы, измерительный электрод закреплен на торце патрубка, имеет Т-образное сечение и содержит дисковый участок, обращенный к высоковольтному электроду, а также стержневой выступ, подключенный к узлу передачи сигнала в измерительный тракт, внутренняя поверхность патрубка содержит приторцевой цилиндрический участок, потенциальные шайбы надеты с натягом на стержневой выступ, а заземленные шайбы вставлены с натягом в цилиндрический участок патрубка.

Кроме того, заземленные шайбы содержат, по меньшей мере, три радиальных выступа, радиальные выступы образованы лысками на боковой поверхности шайб.

Диэлектрические кольцевые шайбы могут быть выполнены из лавсановой пленки толщиной 0.02-0.05 мм.

Диэлектрические кольцевые шайбы могут быть выполнены из слюды толщиной 0.02-0.05 мм.

Потенциальные шайбы надеты с натягом на стержневой выступ по посадке H8/z8, и заземленные шайбы вставлены с натягом в цилиндрический участок патрубка по посадке H8/z8.

Потенциальные и заземленные шайбы выполнены из нержавеющего металла или имеют нержавеющее покрытие.

Керамический диск выполнен из корундовой керамики.

Выполнение корпуса делителя разъемным, из патрубка и крышки, позволяет расположить фольговый конденсатор низковольтного плеча в патрубке вплотную к измерительному электроду, а высокочастотный разъем и узел передачи сигнала в крышке, что дает возможность оперативно и многократно производить разборку и ремонт делителя в случае пробоя или механического повреждения изоляции и обкладок конденсатора низковольтного плеча, а также при необходимости изменять емкость конденсатора. Расположение конденсатора низковольтного плеча вплотную к измерительному электроду необходимо для обеспечения максимального временного разрешения делителя при регистрации импульсов наносекундной длительности.

Установка в корпусе дополнительного узла, представляющего собой однородную передающую линию, состоящую из высокочастотного разъема и пар наружных и внутренних коаксиальных проводников, соединенных с использованием цанговых контактов, позволяет улучшить временное разрешение за счет передачи высокочастотного регистрируемого сигнала с вывода фольгового конденсатора низковольтного плеча в измерительный тракт без искажений, а также осуществлять быстрое и качественное подключение к делителю кабелей, передающих регистрируемый сигнал на осциллограф или другое средство регистрации. При этом протяженность передающей линии может многократно превышать поперечные размеры делителя, что дает возможность размещать измерительный электрод и фольговый конденсатор низковольтного плеча в самых труднодоступных местах. Применение цанговых соединений значительно облегчает процесс разборки и сборки делителя.

Герметичная установка изолирующего керамического диска в одной из пар между разъемом и измерительным электродом обеспечивает возможность работы делителя при наличии высокого давления (до 5 МПа и выше) газового или жидкого диэлектрика со стороны измерительного электрода. Такая возможность обусловлена высокой механической прочностью, например, корундовой керамики типа ВК94-1. При этом керамический диск с припаянными к нему коаксиальными проводниками является участком передающей линии, что позволяет осуществлять передачу проходящего через него наносекундного импульса без искажений.

Наличие стержневого выступа у измерительного электрода Т-образного сечения и приторцевого цилиндрического участка патрубка дает возможность обеспечить электрическое соединение потенциальных и заземленных кольцевых шайб из фольги с измерительным электродом и корпусом делителя соответственно за счет того, что потенциальные шайбы надеты с натягом на стержневой выступ, а заземленные шайбы вставлены с натягом в цилиндрический участок патрубка. Величина натяга определяется посадкой Н8/z8, которая одновременно обеспечивает качественный контакт сопрягаемых деталей и отсутствие их заклинивания при разборке делителя. Дисковый участок измерительного электрода образует емкость между измерительным и высоковольтным электродами, достаточную для регистрации высоковольтного импульса с малым уровнем помех.

В отличие от делителя по прототипу, фольговый конденсатор содержит в качестве изоляции между обкладками диэлектрические плоские кольцевые шайбы. При сборке конденсатора шайбы подвергаются только сжатию и не испытывают усилий изгиба или другого вида деформации. Поэтому в заявляемом делителе могут применяться диэлектрические шайбы как из пластических пленок (фторопласт, лавсан, полипропилен и т.д.), так и из сравнительно хрупких материалов, например из слюды. Слюда выдерживает без разрушения высокие температуры, что позволяет применять заявляемый делитель в условиях повышенных температур и производить его отжиг для работы в условиях вакуума в ускорительных трубках или других вакуумных устройствах.

Таким образом, в данном изобретении реализуется указанный технический результат.

На фиг. 1 показана конструкция заявляемого емкостного делителя напряжения.

На фиг. 2 показана конструкция фольгового конденсатора в заявляемом емкостном делителе напряжения.

На фиг. 3 показана осциллограмма напряжения, зарегистрированная при помощи заявляемого делителя. Развертка по горизонтали – 2 нс/деление.

На чертежах обозначены следующие элементы:

1 – заземленный корпус высоковольтного устройства;

2 – высоковольтный электрод;

3 – измерительный электрод:

4 – патрубок;

5, 6 – изоляторы;

7 – дисковый торцевой участок измерительного электрода;

8 – стержневой выступ измерительного электрода;

9 – цанговый контакт;

10 – высокочастотный разъем BNC-7026;

11 – пары наружных и внутренних коаксиальных проводников;

12 – керамический диск;

13 – крышка;

14, 15, 16 – цанговые контакты:

17 – многослойный фольговый конденсатор;

18 – потенциальные кольцевые шайбы из фольги;

19 – заземленных кольцевые шайбы из фольги;

20 – диэлектрические кольцевые шайбы;

21 – приторцевой цилиндрический участок патрубка;

22 – изолирующая среда.

Заявляемый емкостный делитель напряжения установлен на заземленном корпусе 1 высоковольтного устройства и служит для регистрации импульсов высокого напряжения на высоковольтном электроде 2. Делитель содержит измерительный электрод 3, установленный в патрубке 4 между изоляторами 5 и 6. Дисковый торцевой участок 7 измерительного электрода 3 обращен к высоковольтному электроду 2 и образует с ним емкость высоковольтного плеча. С обратной стороны измерительный электрод 3 имеет стержневой выступ 8, подключенный посредством цангового контакта 9 к узлу передачи сигнала, состоящему из высокочастотного разъема 10 и трех пар 11 наружных и внутренних коаксиальных проводников. Средняя пара выполнена с керамическим диском 12, герметично впаянным в радиальный зазор между проводниками. Волновое сопротивление всех трех пар и сопротивление разъема равны 50 Ом. Узел передачи сигнала расположен в крышке 13. Для простоты операций отсоединения крышки от патрубка и замены разъема используются цанговые контакты 14, 15 и 16.

Между измерительным электродом 3 и патрубком 4 корпуса делителя включен многослойный фольговый конденсатор 17, выполненный в виде чередующихся потенциальных кольцевых шайб 18 и заземленных шайб 19 из фольги, между которыми проложены диэлектрические кольцевые шайбы 20. Потенциальные шайбы надеты с натягом на стержневой выступ 6 измерительного электрода, а заземленные шайбы вставлены с натягом в цилиндрический участок 21 патрубка 4.

Принцип работы заявляемого емкостного делителя заключается в делении напряжения, поданного на электрод 2, между емкостями высоковольтного и низковольтного плеч обратно пропорционально величине этих емкостей. Высоковольтное плечо образовано емкостью между измерительным электродом 3 и высоковольтным электродом 2 (около 0.05 пФ), низковольтное плечо – емкостью конденсатора 17, которая может варьироваться в широких пределах (от 0 до десятков нанофарад) путем изменения количества фольговых и изоляционных кольцевых шайб. Соответственно, коэффициент деления может быть равным примерно 10⁴-10⁵. Сигнал, полученный после деления высоковольтного импульса, поступает на высокочастотный разъем BNC-7026, к которому подключается измерительный кабель с сопротивлением 50 Ом.

Благодаря низкой индуктивности конденсатора 17, малому времени пробега сигнала по его обкладкам (доли наносекунды), а также тому, что сигнал с конденсатора 17 непосредственно поступает на узел передачи сигнала, представляющий собой однородную линию сопротивлением 50 Ом, обеспечивается лучшее временное разрешение по сравнению с делителем по прототипу.

При помощи заявляемого делителя напряжения была произведена регистрация импульсов напряжения зарядки формирующей линии в мегавольтном ускорителе (в качестве изолирующей среды 22 был использован азот под давлением 4 МПа) и получена осциллограмма напряжения, показанная на фиг. 3. Передний фронт импульса соответствует зарядке линии, срез – ее быстрой разрядке. Длительность среза не превышает 0.7 нс, что в три раза меньше, чем на осциллограмме, полученной при помощи делителя по прототипу.

Расчет делителя напряжения на резисторах, конденсаторах и индуктивностях – Help for engineer

Расчет делителя напряжения на резисторах, конденсаторах и индуктивностях

Делитель напряжения используется в электрических цепях, если необходимо понизить напряжение и получить несколько его фиксированных значений. Состоит он из двух и более элементов (резисторов, реактивных сопротивлений). Элементарный делитель можно представить как два участка цепи, называемые плечами. Участок между положительным напряжением и нулевой точкой – верхнее плечо, между нулевой и минусом – нижнее плечо.

Делитель напряжения на резисторах может применятmся как для постоянного, так и для переменного напряжений. Применяется для низкого напряжения и не предназначен для питания мощных машин. Простейший делитель состоит из двух последовательно соединенных резисторов:

На резистивный делитель напряжения подается напряжение питающей сети U, на каждом из сопротивлений R1 и R2 происходит падение напряжения. Сумма U1 и U2 и будет равна значению U.

В соответствии с законом Ома (1):

Падение напряжения будет прямо пропорционально значению сопротивления и величине тока. Согласно первому закону Кирхгофа, величина тока, протекающего через сопротивления одинакова. С чего следует, что падение напряжения на каждом резисторе (2,3):

Тогда напряжение на всем участке цепи (4):

Отсюда определим, чему равно значение тока без включения нагрузки (5):

Если подставить данное выражение в (2 и 3), то получим формулы расчета падения напряжения для делителя напряжения на резисторах (6, 7):

Необходимо упомянуть, что значения сопротивлений делителя должны быть на порядок или два (все зависит от требуемой точности питания) меньше, чем сопротивление нагрузки. Если же это условие не выполняется, то при приведенном расчете подаваемое напряжение будет посчитано очень грубо.

Для повышения точности необходимо сопротивление нагрузки принять как параллельно подсоединенный резистор к делителю. А также использовать прецизионные (высокоточные) сопротивления.

Онлайн подбор сопротивлений для делителя

Пусть источник питания выдает 24 В постоянного напряжения, примем, что величина сопротивления нагрузки переменная, но минимальное значение равно 15 кОм. Необходимо рассчитать параметры резисторов для делителя, выходное напряжение которого равно 6 В.

Таким образом, напряжения: U=24 B, U₂=6 В; сопротивление резисторов не должно превышать 1,5 кОм (в десять раз меньше значения нагрузки). Принимаем R1=1000 Ом, тогда используя формулу (7) получим:

выразим отсюда R₂:

Зная величины сопротивления обоих резисторов, найдем падение напряжения на первом плече (6):

Ток, который протекает через делитель, находится по формуле (5):

Схема делителя напряжения на резисторах рассчитана выше и промоделирована:

Использование делителя напряжения очень неэкономичный, затратный способ понижения величины напряжения, так как неиспользуемая энергия рассеивается на сопротивлении (превращается в тепловую энергию). КПД очень низкий, а потери мощности на резисторах вычисляются формулами (8,9):

По заданным условиям, для реализации схемы делителя напряжения необходимы два резистора:

		1. R1=1 кОм, P1=0,324 Вт.
		2. R2=333,3 Ом, P2=0,108 Вт.

Полная мощность, которая потеряется:

---

Делитель напряжения на конденсаторах применяется в схемах высокого переменного напряжения, в данном случае имеет место реактивное сопротивление.

Сопротивление конденсатора рассчитывается по формуле (10):

		где С – ёмкость конденсатора, Ф;
		f – частота сети, Гц.

Исходя из формулы (10), видно, что сопротивление конденсатора зависит от двух параметров: С и f. Чем больше ёмкость конденсатора, тем сопротивление его ниже (обратная пропорциональность). Для ёмкостного делителя расчет имеет такой вид (11, 12):

Еще один делитель напряжения на реактивных элементах – индуктивный, который нашел применение в измерительной технике. Сопротивление индуктивного элемента при переменном напряжении прямо пропорционально величине индуктивности (13):

где L – индуктивность, Гн.

Падение напряжения на индуктивностях (14,15):

Недостаточно прав для комментирования

Емкостный делитель – напряжение – Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3

Емкостный делитель – напряжение

Cтраница 3

Принцип действия емкостного делителя напряжения ( рис. 6 – 9) заключается в следующем.  [32]

Принцип действия емкостного делителя напряжения ( рис. 6 – 7) заключается в следующем. Если между проводом линии и землей включить несколько последовательно соединенных конденсаторов, то напряжение линии относительно земли ( фазное напряжение) распределится между конденсаторами обратно пропорционально их емкости.  [33]

Применяемые на выключателях емкостные делители напряжения также должны отвечать весьма высоким техническим требованиям. Прежде всего конструктивное исполнение конденсаторов должно быть таково, чтобы они выдерживали не только наибольшие напряжения, которые могут возникнуть на отдельных блоках шунтирующего резистора в процессе отключения выключателя, либо напряжения, адекватные испытательным воздействиям на выключатели данного класса напряжений; помимо этого, они должны выдерживать и наибольшие напряжения, которые могут возникнуть на одном или нескольких дуго-гасительных разрывах, контакты которых при выключении смыкаются последними. Координация изоляции выключателя должна быть такой, чтобы уровень изоляции конденсаторов соответствовал электрической прочности одного дугогасительного разрыва, находящегося в полностью отключенном положении, а эта прочность, в свою очередь, была выше напряжения перекрытия изоляции по наружной поверхности.  [34]

Для чего служат резисторные и емкостные делители напряжения и как их рассчитывают.  [35]

При применении на выключателе емкостного делителя напряжения коэффициент неравномерности распределения напряжения может определяться на промышленной частоте, но когда для этой цели выбраны резисторы, измерения следует осуществлять при заданной частоте восстанавливающегося напряжения, так как сопротивление резисторов не зависит от частоты.  [36]

На более высоких частотах используются емкостные делители напряжения, градуировка которых не должна зависеть от частоты.  [38]

Таким образом, коэффициенты передачи емкостных делителей напряжения и тока являются вещественными величинами не зависящими от частоты.  [40]

Особенностью схемы Колпитца является наличие емкостного делителя напряжения, который определяет коэффициент обратной связи по напряжению.  [42]

Прибор работает в комплекте с емкостным делителем напряжения.  [43]

Конденсаторы С и С2 контура образуют емкостный делитель напряжения, действующего между точками аб. Схема с такой емкостной связью находит применение в диапазоне длинных волн.  [45]

Страницы:      1    2    3    4    5

Делители напряжения емкостные в фарфоровых покрышках на напряжение 110–750 кВ

Каталог силовых конденсаторов Купить конденсатор

Предназначены для работы в составе емкостных трансформаторов напряжения классов напряжений 110, 220, 330, 500 и 750 кВ класса точности 0,2.

Обозначение делителя	Напряжение делителя, кВ		Емкость делителя, нФ	Обозначение конденсатора	Емкость конд-в, нФ		Кол-во конд-в на делитель, шт.	Масса делителя, кг
	между выводами высокого и низкого напряжения	между пром-ным выводом и выводом низкого напряжения			между выводами высокого и низкого напр-ния	между пром-ным выводом и выводом низкого напр-ния
НЕБ-110 УХЛ1; Т1	110/√3	12,064	18,00	СОИБ-110/√3 УХЛ1; Т1	18,00	94,75	1	290
НЕБ-220 УХЛ1; Т1	220/√3		9,00	СОИБ-110/√3 УХЛ1; Т1			1	580
				СИБ-110/√3 УХЛ1; Т1		—	1
НЕ-330 УХЛ1; Т1	330/√3		7,00	СОИ-165/√3 УХЛ1; Т1	14,00	110,55	1
				СИ-165/√3 УХЛ1; Т1		—	1
НЕБ-330 УХЛ1; Т1				СОИБ-165/√3 УХЛ1; Т1		110,55	1
				СИБ-165/√3 УХЛ1; Т1		—	1
НЕ-500 УХЛ1; Т1	500/√3		4,50	СОИ-166/√3 УХЛ1; Т1	13,50	107,68	1	990
				СИ-166/√3 УХЛ1; Т1		—	2
НЕБ-500 УХЛ1; Т1				СОИБ-166/√3 УХЛ1; Т1		107,68	1	1175
				СИБ-166/√3 УХЛ1; Т1		—	2
НЕ-750 УХЛ1; Т1	750/√3		3,00	СОИ-188/√3 УХЛ1; Т1	12,00	107,68	1	1320
				СИ-188/√3 УХЛ1; Т1		—	3
НЕБ-750 УХЛ1; Т1				СОИБ-188/√3 УХЛ1; Т1		107,68	1	1565
				СИБ-188/√3 УХЛ1; Т1		—	3

Удовлетворяют требованиям ТУ 3414-009-05758055-05 и МЭК 60358-1.
Делители состоят из конденсаторов, обеспечивающих понижение высокого напряжения, питание электромагнитного устройства и осуществляющих высокочастотную связь на частотах от 36 до 1100 кГц в линиях электропередачи переменного тока частоты 50 Гц. Длина пути утечки внешней изоляции делителей соответствует степени загрязнения I и II* (Б) по ГОСТ 9920-89. Делители выдерживают суммарную механическую нагрузку на изгиб в соответствии с требованиями ГОСТ 1983-2001. Делитель предназначен для установки на бак электромагнитного устройства.

Диэлектрик конденсаторов делителей – пленочный, пропитан трансформаторным маслом. Сейсмостойкость делителей 6 баллов по шкале MSK-64.

По требованию заказчика могут быть изготовлены делители с сейсмостойкостью 9 баллов.

Калькулятор делителя напряжения

Это калькулятор делителя напряжения – всеобъемлющий, но простой инструмент, который поможет вам оценить выходной сигнал (то есть напряжение), полученный в одном делителе напряжения. Читайте дальше, чтобы узнать, что такое делитель напряжения, узнать основную формулу делителя напряжения и то, как она распространяется на различные уравнения для различных типов делителей напряжения, а также узнайте, как можно получить некоторую долю входного напряжения, применяя правило делителя напряжения.Кроме того, ознакомьтесь с многочисленными применениями делителя напряжения как в базовых, так и в невероятно сложных системах и убедитесь, что электронные схемы не о чем беспокоиться!

Что такое делитель напряжения?

Простой делитель напряжения – это часть линейной схемы, которая изменяет входное напряжение ( В ₁ ) на выходное напряжение ( В 11 ) , которое представляет собой другое значение. Поскольку схема является пассивной, отношение В₂ / В никогда не превышает 1.Общий делитель напряжения представлен на этой простой схеме:

, где Z₁ и Z₂ – некоторые импедансы. Полные сопротивления могут быть связаны с сопротивлением R , емкостью C или индуктивностью L . Можно выделить несколько основных типов делителей напряжения, к которым применимо правило делителей напряжения:

1. Делитель резистивный, RR
2. Делитель емкостный, CC
3. Индуктивный делитель, LL
4. Делители RC и CR (также известные как фильтры RC, CR)
5. Делители RL и LR (также известные как фильтры RL, LR)
6. Делители CL и LC (также известные как фильтры CL, LC)

Линейка делителя напряжения

Принцип действия делителей напряжения заключается в том, что ток, проходящий через несколько последовательно соединенных элементов, является постоянным, но напряжение распределяется между ними каким-то образом .Чтобы найти точные значения, мы должны применить к нашей схеме закон Ома. Перед тем как это сделать, необходимо отметить один важный момент:

Состав РР – единственный, применимый к цепям постоянного тока . В этих случаях любой импеданс можно рассматривать как провод с нулевым сопротивлением, а емкости работают как разрыв в цепи, поэтому они имеют бесконечное сопротивление. В остальном все они используются в цепях переменного тока, и правило делителя напряжения применяется для максимального значения разности потенциалов.Также может быть полезно найти фазовый сдвиг для этих напряжений.

Формула делителя напряжения

Общее уравнение (или формула) делителя напряжения для импедансов выглядит следующим образом:

V₂ = Z₂ / (Z₁ + Z₂) * V₁ .

Напоминание: в целом, В₁ и В₂ соответствуют амплитудам сигналов , например синусоидальные. Если рассматривать только сопротивления, формула делителя напряжения естественным образом меняется на:

V₂ = R₂ / (R₁ + R₂) * V₁ .

Поскольку сопротивление не влияет на фазу сигнала, формула одинакова как для переменного, так и для постоянного тока. Сравниваются значения напряжения в данный момент. Как упоминалось ранее, остальные типы делителей предназначены для цепей переменного тока, поэтому давайте рассмотрим несколько примеров.

Уравнения емкостного и индуктивного делителя напряжения

Для делителя CC нам нужно использовать импедансы конденсаторов: Z = 1 / (j * ω * C) , где j – мнимое число, а ω – угловая частота переменного напряжения. .Подставляя исходное уравнение делителя напряжения этим выражением, получаем:

V₂ = Z₂ / (Z₁ + Z₂) * V₁ = (1 / (jωC₂)) / (1 / (jωC₁) + 1 / (jωC₂)) * V₁ ,

и умножая каждый член на jωC₁C₂ , получаем:

V₂ = C₁ / (C₁ + C₂) * V₁ .

Аналогичная процедура может быть проделана для делителей LL, где Z = j * ω * L . На этот раз выходное напряжение:

V₂ = Z₂ / (Z₁ + Z₂) * V₁ = jωL₂ / (jωL₁ + jωL₂) * V₁ .

Разделив числитель и знаменатель на jω , окончательная формула будет:

V₂ = L₂ / (L₁ + L₂) * V₁ .

В обоих случаях выходное напряжение синфазно относительно входной фазы .

Фильтры RC и CR

Цепи делителя напряжения, состоящие более чем из одного типа элементов, не так просто оценить, как предыдущие примеры. Нам приходится иметь дело с алгеброй комплексных чисел, но, поверьте, это выглядит более пугающим, чем есть на самом деле.

Для делителя RC мы можем расширить формулу делителя напряжения до:

V₂ = Z₂ / (Z₁ + Z₂) * V₁ = (1 / (jωC)) / (R + 1 / (jωC)) * V₁ = V₁ / (jωRC + 1) .

Результат – комплексное число, поэтому, чтобы оценить амплитуду выходного напряжения, мы должны найти его модуль:

| V₂ | = | V₁ / (jωRC + 1) | = | V₁ | / √ ((ωRC) ² + 1) .

Если частота увеличивается, выходная амплитуда напряжения уменьшается, поэтому эту схему также называют фильтром нижних частот .Фазовый сдвиг можно вычислить как арктангенс мнимой части, деленный на действительную часть нашего комплексного числа:

Δφ = атан (-ωRC) .

Аналогично можно найти амплитуду и фазовый сдвиг для цепи CR. Первый шаг – вычислить общую формулу для выходного напряжения:

V₂ = Z₂ / (Z₁ + Z₂) * V₁ = R / (R + 1 / (jωC)) * V₁ = jωRC / (jωRC + 1) * V₁ 900 11.

Его амплитуду можно определить как:

| V₂ | = | jωRC / (jωRC + 1) * V₁ | = ωRC / √ ((ωRC) ² + 1) * | V₁ | ,

, а фазовый сдвиг задается как:

Δφ = атан (1 / ωRC) .

На этот раз мы видим, что если частота стремится к 0, то же самое происходит с амплитудой В , а для высоких значений ω она остается такой же, как входное напряжение. Вывод состоит в том, что CR можно рассматривать как фильтр верхних частот .

Фильтры RL и LR

Цепи, содержащие резистивные и индуктивные элементы, мало чем отличаются от RC и CR, когда дело доходит до расчетов, но стоит повторять каждый шаг, чтобы понять все тонкие различия.

В случае фильтра RL мы можем начать, как обычно, с общей формулы делителя напряжения:

V₂ = Z₂ / (Z₁ + Z₂) * V₁ = jωL / (R + jωL) * V₁ .

Чтобы найти амплитуду выходного напряжения, нам нужно оценить модуль этого значения:

| V₂ | = | jωL / (R + jωL) * V₁ | = ωL / √ (R² + (ωL) ²) * | V₁ | ,

и его фазовый сдвиг:

Δφ = атан (R / ωL) .

Для делителя LR мы просто заменяем эти элементы, поэтому уравнение делителя напряжения дает:

V₂ = Z₂ / (Z₁ + Z₂) * V₁ = R / (R + jωL) * V₁ .

Еще раз мы можем определить амплитуду выходного напряжения и фазовый сдвиг:

| V₂ | = | R / (R + jωL) * V₁ | = R / √ (R² + (ωL) ²) * | V₁ | ,

Δφ = атан (-ωL / R) .

Взгляните на результаты; амплитуда В для фильтра RL очень похожа на CR, а амплитуда LR похожа на амплитуду напряжения RC. Как и их фазовые сдвиги. Это очень ценный результат, потому что оказывается, что фильтры RC и RL могут использоваться взаимозаменяемо, если они спроектированы в соответствующей конфигурации, а значения проводимости и индуктивности правильно отрегулированы .Это особенно полезно для схем, размер которых должен быть доведен до нанометрового масштаба, поскольку применение действительно небольших конденсаторов намного проще, чем создание крошечных катушек.

В любом случае, если у вас возникнут проблемы с вычислением свойств выходного сигнала, вы всегда можете вернуться к этим главам или просто попробовать наш калькулятор делителя напряжения! Выберите подходящий вариант, и результат отобразится моментально.

Выше было описано несколько пассивных фильтров, но правило делителя напряжения также может применяться к активным.

CL и LC как резонансные контуры

Мы могли бы выполнить те же вычисления для систем CL и LC, однако некоторые нелепые результаты могут произойти, если мы просто применим правило делителя напряжения. Мы можем заставить амплитуду выходного напряжения уходить в бесконечность! Это вызвано тем, что подключенные LC-элементы иногда называют резонансными контурами . Они используются для генерации и приема радиоволн, что наиболее эффективно на резонансной частоте , задаваемой как:

ω = 1 / √ (L * C) .

В более реалистичной картине мы должны учитывать также некоторое ненулевое сопротивление, поэтому проблема резонатных цепей описана в калькуляторе цепей RLC.

Использование делителя напряжения в более сложных схемах

То, что мы уже сделали, показывает, как делители напряжения работают в простейших возможных системах. Очевидно, вы можете представить, что в реальной жизни они практически нигде не используются, и, как правило, применяются более сложные схемы. Однако все полученные выше результаты могут быть полезны при упрощении более сложных.Например, всякий раз, когда вы можете обнаружить резисторы, включенные последовательно или параллельно, вы можете рассматривать их как единое сопротивление. Точно так же работают конденсаторы и соленоиды. Для смешанных компонентов он оценивается практически так же, но мы должны учитывать импедансы Z вместо R , C или L .

Применение делителя напряжения

1. Одним из наиболее часто используемых устройств, которое работает благодаря концепции делителя напряжения, является потенциометр .Другое слово, описывающее этот элемент, - реостат. Обычно они состоят только из резистивных компонентов. Мы можем различать как аналоговые, так и цифровые, но, в любом случае, сопротивление можно выставить с высокой точностью . Некоторые из самых популярных типов потенциометров - это скользящие горшки, ножницы или подставки для большого пальца, которые различаются по размеру и структуре. Ключевым элементом является скользящий контакт, позволяющий регулировать выходное сопротивление .

2. Устройства измерения высокого напряжения - Оказывается, что можно измерить высокое напряжение, даже если прямое измерение может быть разрушительным для устройства.В таком случае удобно использовать делитель напряжения, чтобы понизить напряжение до безопасной области . Для исключительно высоких напряжений (скажем, выше 100 кВ) лучше использовать емкостные, а не резистивные.

3. Поиск неизвестного сопротивления - Можно ли найти какое-либо неизвестное сопротивление, если у вас есть только источник напряжения и другой резистор с известным сопротивлением? Вам повезло, если вы можете прочитать его цветовой код, но что, если его нет? Что ж, вы можете просто создать простую схему с обоими резисторами, расположенными последовательно, установить входное напряжение и измерить напряжение на желаемом резисторе .После этого просто вставьте все эти значения в калькулятор делителя напряжения, и все - тайна раскрыта. Вы всегда можете преобразовать общее уравнение делителя напряжения, чтобы найти R₂ как неизвестный параметр:

R₂ = V₂ / (V₁ - V₂) * R₁ .

Плюсы и минусы делителей напряжения

Некоторым из вас может быть интересно, почему люди измеряют неизвестное сопротивление с помощью делителя напряжения, когда они могут просто прочитать значение силы тока, протекающей через резистор при приложении внешнего напряжения - просто закон Ома.Что ж, в общем, для этих методов не должно быть значительной разницы, но мы должны знать, что сопротивление подавляющего большинства материалов зависит от температуры. Хуже того, эти зависимости различны для металлов, полупроводников или изоляторов.

Принимая во внимание металлы, их сопротивление увеличивается с повышением температуры, поэтому для определения сопротивления при некоторой стандартизированной температуре, например T = 25 ° C , мы должны найти тепловой коэффициент (TCR) материала.Это требует точного измерения температуры окружающей среды и выполнения некоторых расчетов, при этом надеясь, что за это время не было допущено никаких ошибок. Однако мы можем сделать это гораздо проще! Как вы уже догадались, можно использовать простой делитель напряжения!

В базовой версии у нас есть два резистора, и если они сделаны из одного материала, это означает, что их температурные зависимости сопротивления примерно такие же . Независимо от того, насколько велика разница температур, эти сопротивления изменяются примерно на один и тот же процент, скажем, на 5% на каждые 20 ° C.Но, , поскольку в общем случае формула делителя напряжения имеет отношение импедансов, любое относительное изменение будет отменено, и выходное напряжение не должно зависеть от температуры (или, по крайней мере, его влияние должно быть значительно уменьшено). Более того, если мы посмотрим на уравнение из предыдущего раздела, мы получим значение сопротивления, такое же, как первое при данной температуре - никаких дополнительных расчетов не требуется!

Во-вторых, делители напряжения удобно использовать при проектировании сложных электрических схем.Вместо использования нескольких отдельных источников напряжения, каждый из которых создает разный потенциал в системе, мы можем реализовать один источник и применить столько делителей напряжения, сколько нам нужно.

С другой стороны, мы должны осознавать тот факт, что чем длиннее провода в нашей цепи, тем больше вероятность падения напряжения. Что ж, это далеко не так для длинных промышленных кабелей, но все же, если нам нужно провести действительно точные измерения, этот фактор следует принять во внимание и, в идеале, уменьшить как можно больше.

Делитель тока

До сих пор мы были сосредоточены на обработке сигнала - в основном, на изменениях напряжения. Тем не менее, мы можем использовать аналогичную концепцию, которая рассматривает проблему с другой точки зрения - это называется текущим делителем.

Идея почти такая же, но вместо разделения входного напряжения на более мелкие части мы хотим разделить начальную силу тока и получить какое-то конкретное значение на выходе. Отличий всего несколько: во-первых, нам нужен источник тока вместо источника напряжения.Во-вторых, все импедансы (в простом случае, как обычно, два) должны быть расположены параллельно, а не последовательно. Собственно, все это принципиальные отличия. В этой схеме мы снова можем использовать закон Ома. Полученная формула:

Iₓ = Z / (Z + Zₓ) * Iᵢ .

Мы можем заметить интересный и ценный объект. Для делителя напряжения, чем выше выходное сопротивление, тем больше выходное напряжение, в то время как для делителя тока результат ведет себя наоборот .

Точно так же мы можем производить различные типы делителей тока, включая катушки и конденсаторы, и все они применимы для переменного тока, тогда как для постоянного тока работает только состав резисторов. В общих случаях можно оценить как амплитуду, так и фазовый сдвиг протекающего тока. Мы уверены, что после прочтения пошаговых решений этого калькулятора делителя напряжения вам не составит труда выполнить аналогичные вычисления.

Емкостный делитель напряжения | Самодельные проекты схем

В этом посте мы узнаем, как схемы емкостного делителя напряжения работают в электронных схемах, с помощью формул и решаемых примеров.

Автор: Dhrubajyoti Biswas

Что такое сеть делителя напряжения

Говоря о схеме делителя напряжения, важно отметить, что напряжение в цепи делителя равномерно распределяется между всеми существующими компонентами, связанными с сетью, хотя емкость может варьироваться в зависимости от состава компонентов.

Схема делителя напряжения может быть построена из реактивных компонентов или даже из постоянных резисторов.

Однако, по сравнению с емкостными делителями напряжения, резистивные делители остаются неизменными при изменении частоты в питании.

Цель данной статьи - дать подробное представление о емкостных делителях напряжения. Но для более глубокого понимания важно детализировать емкостное реактивное сопротивление и его влияние на конденсаторы на различных частотах.

Конденсатор состоит из двух параллельно расположенных токопроводящих пластин, которые дополнительно разделены изолятором. Эти две пластины имеют один положительный (+) и другой отрицательный (-) заряд.

Когда конденсатор полностью заряжается постоянным током, диэлектрик [обычно называемый изолятором] блокирует ток, протекающий по пластинам.

Другая важная характеристика конденсатора по сравнению с резистором: конденсатор накапливает энергию на проводящих пластинах во время заряда, чего не делает резистор, поскольку он всегда имеет тенденцию выделять избыточную энергию в виде тепла.

Но энергия, запасенная конденсатором, передается в цепи, которые с ним связаны, в процессе его разряда.

Эта особенность конденсатора для хранения заряда называется реактивным сопротивлением и далее называется емкостным реактивным сопротивлением [Xc], для которого Ом является стандартной единицей измерения реактивного сопротивления.

Разряженный конденсатор при подключении к источнику постоянного тока реактивное сопротивление остается низким на начальной стадии.

Значительная часть тока протекает через конденсатор в течение короткого промежутка времени, что заставляет проводящие пластины быстро заряжаться, и это в конечном итоге препятствует дальнейшему прохождению тока.

Как конденсатор блокирует постоянный ток?

В резисторе, конденсаторной последовательной сети, когда период времени достигает величины 5RC, проводящие пластины конденсатора полностью заряжаются, что означает, что заряд, полученный конденсатором, равен подаче напряжения, что останавливает любой дальнейший ток. поток.

Кроме того, реактивное сопротивление конденсатора в этой ситуации под действием постоянного напряжения достигает максимального состояния [мегаом].

Конденсатор в источнике питания переменного тока

Что касается использования переменного тока [AC] для зарядки конденсатора, в котором поток переменного тока всегда попеременно поляризован, конденсатор, принимающий поток, подвергается постоянной зарядке и разряду на своих пластинах.

Теперь, если у нас есть постоянный ток, нам также нужно определить значение реактивного сопротивления, чтобы ограничить поток.

Факторы для определения значения емкостного сопротивления

Если мы посмотрим на емкость, мы обнаружим, что количество заряда на проводящих пластинах конденсатора пропорционально величине емкости и напряжения.

Теперь, когда конденсатор получает ток от входа переменного тока, напряжение питания постоянно изменяется в своем значении, что неизменно слишком пропорционально изменяет значение пластин.

Теперь рассмотрим ситуацию, когда конденсатор имеет более высокое значение емкости.

В этой ситуации сопротивление R потребляет больше времени для зарядки конденсатора τ = RC. Это означает, что если зарядный ток протекает в течение более длительного периода времени, реактивное сопротивление регистрирует меньшее значение Xc, в зависимости от заданной частоты.

Аналогично, если значение емкости конденсатора меньше, то для зарядки конденсатора требуется более короткое время RC.

Это более короткое время вызывает протекание тока в течение более короткого промежутка времени, что приводит к сравнительно меньшему значению реактивного сопротивления Xc.

Следовательно, очевидно, что при более высоких токах значение реактивного сопротивления остается небольшим, и наоборот.

Таким образом, емкостное реактивное сопротивление всегда обратно пропорционально значению емкости конденсатора.

XC -1 C.

Важно отметить, что емкость - не единственный фактор для анализа емкостного реактивного сопротивления.

При низкой частоте приложенного переменного напряжения реактивное сопротивление увеличивается по времени в зависимости от назначенной постоянной времени RC.Кроме того, он также блокирует ток, указывая на более высокое значение реактивного сопротивления.

Точно так же, если приложенная частота высока, реактивное сопротивление позволяет иметь меньший временной цикл для процесса зарядки и разрядки.

Кроме того, он также получает более высокий ток во время процесса, что приводит к более низкому реактивному сопротивлению.

Таким образом, это доказывает, что импеданс (реактивное сопротивление переменного тока) конденсатора и его величина зависят от частоты. Следовательно, более высокая частота приводит к более низкому реактивному сопротивлению и наоборот, и, таким образом, можно сделать вывод, что емкостное реактивное сопротивление Xc обратно пропорционально частоте и емкости.

Указанную теорию емкостного реактивного сопротивления можно суммировать следующим уравнением:

Xc = 1 / 2πfC

Где:

· Xc = емкостное реактивное сопротивление в Ом, (Ом)


· π (пи) = числовая константа 3,142 (или 22 ÷ 7)


· = частота в герцах, (Гц)


· C = емкость в фарадах, ( F)

Емкостный делитель напряжения

В этом разделе подробно описывается, как частота питания влияет на два конденсатора, подключенных последовательно или последовательно, которые лучше называть схемой емкостного делителя напряжения.

Схема емкостного делителя напряжения

Чтобы проиллюстрировать работу емкостного делителя напряжения, давайте обратимся к схеме выше. Здесь C1 и C2 включены последовательно и подключены к источнику переменного тока напряжением 10 вольт. Находясь последовательно, оба конденсатора получают одинаковый заряд, Q.

Однако напряжение останется разным, и оно также зависит от значения емкости V = Q / C.

Рассматривая рисунок 1.0, расчет напряжения на конденсаторе может быть определен различными способами.

Один из вариантов - определить полное сопротивление цепи и ток цепи, то есть отследить значение емкостного реактивного сопротивления на каждом конденсаторе, а затем рассчитать падение напряжения на них. Например:

ПРИМЕР 1

Как показано на рисунке 1.0, с C1 и C2, равными 10 мкФ и 20 мкФ соответственно, рассчитайте среднеквадратичные падения напряжения, возникающие на конденсаторе в ситуации синусоидального напряжения 10 вольт при 80 Гц.

C1 Конденсатор 10 мкФ
Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 80 x 10 мкФ x 10-6 = 200 Ом
C2 = Конденсатор 20 мкФ
Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 8000 x 22 мкФ x 10-6 = 90
Ом

Общее емкостное реактивное сопротивление

Xc (общее) = Xc1 + Xc2 = 200 Ом + 90 Ом = 290 Ом
Ct = (C1 x C2) / (C1 + C2) = 10 мкФ x 22 мкФ / 10 мкФ + 22 мкФ = 6 .88 мкФ
Xc = 1 / 2πfCt = 1/1 / 2π x 80 x 6,88 мкФ = 290 Ом

Ток в цепи

I = E / Xc = 10 В / 290 Ом

Напряжение последовательно падает на обоих конденсаторах. Здесь емкостной делитель напряжения рассчитывается как:

Vc1 = I x Xc1 = 34,5 мА x 200 Ом = 6,9 В
Vc2 = I x Xc2 = 34,5 мА x 90 Ом = 3,1 В

Если значения конденсаторов различаются, тем меньше Конденсатор номинального значения может тогда заряжаться до более высокого напряжения по сравнению с конденсатором большого номинала.

В примере 1 зарегистрированный заряд напряжения составляет 6,9 и 3,1 для C1 и C2 соответственно. Поскольку расчет основан на теории напряжения Кирхгофа, общее падение напряжения для отдельного конденсатора равно значению напряжения питания.

ПРИМЕЧАНИЕ:

Коэффициент падения напряжения для двух конденсаторов, подключенных к цепи последовательного емкостного делителя напряжения, всегда остается неизменным, даже если есть частота в питании.

Следовательно, как в Примере 1, 6.9 и 3,1 вольт одинаковы, даже если частота питания максимальна от 80 до 800 Гц.

ПРИМЕР 2

Как найти падение напряжения на конденсаторе, используя те же конденсаторы, что и в примере 1?

Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 8000 x 10 мкФ = 2 Ом

Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 8000 x 22 мкФ = 0,9 Ом

I = V / Xc (общее) = 10 / 2,9 = 3,45 А

Следовательно, Vc1 = I x Xc1 = 3,45A x 2Ω = 6,9V

And, Vc2 = I x Xc2 = 3,45A x 0,9 Ω = 3,1V

Поскольку соотношение напряжений остается одинаковым для обоих конденсаторов с увеличением частоты питания его влияние проявляется в виде уменьшения суммарного емкостного реактивного сопротивления, а также полного сопротивления цепи.

Пониженный импеданс вызывает более высокий ток, например, ток цепи на 80 Гц составляет около 34,5 мА, тогда как на 8 кГц может быть 10-кратное увеличение подачи тока, то есть около 3,45 А.

Таким образом, можно сделать вывод, что ток через емкостной делитель напряжения пропорционален частоте I ∝ f.

Как обсуждалось выше, в емкостных делителях, состоящих из последовательно соединенных конденсаторов, падает напряжение переменного тока.

Для определения правильного падения напряжения емкостные делители принимают значение емкостного реактивного сопротивления конденсатора.

Следовательно, он не работает как делители для постоянного напряжения, так как при постоянном токе конденсаторы задерживают и блокируют ток, что приводит к нулевому протеканию тока.

Делители могут использоваться в случаях, когда питание зависит от частоты.

Емкостный делитель напряжения используется в различных электронных устройствах, от устройства сканирования пальца до генераторов Колпитца. Он также широко используется в качестве дешевой альтернативы сетевому трансформатору, в котором используется емкостной делитель напряжения для снижения высокого сетевого тока.

О компании Swagatam

Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем / печатных плат, производитель. Я также являюсь основателем веб-сайта: https://www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими инновационными идеями и руководствами по схемам.
Если у вас есть запрос, связанный со схемой, вы можете взаимодействовать с ним через комментарии, я буду очень рад помочь!

Делители напряжения - Electronics-Lab.com

Введение

Иногда точное значение напряжения необходимо в качестве эталона или просто перед определенным этапом схемы, требующей меньшей мощности. Делители напряжения - простое решение этой проблемы, поскольку они используют тот факт, что напряжение может падать на компоненты, включенные в последовательную конфигурацию.

Самый распространенный тип делителя напряжения основан на последовательном соединении двух резисторов, мы подробно представляем этот тип конфигурации в первом разделе этого руководства.

При сохранении той же архитектуры резисторы могут быть заменены реактивными компонентами, такими как конденсаторы или катушки индуктивности.Эти различные типы делителей напряжения представлены в двух других разделах.

Презентация

рис 1: Изображение резистивного делителя напряжения

На рис. 1 мы представляем наиболее распространенную и простую конфигурацию резистивного делителя напряжения:

Далее мы обозначим эту конфигурацию как «R ₁ -R ₂ ».

Прежде всего, мы можем отметить, что согласно закону напряжения Кирхгофа, В ₁ + V ₂ = V _S .Это соотношение можно переписать с помощью закона Ома в виде V _S = (R ₁ + R ₂ ) × I.

Поскольку V ₁ = R ₁ × I, V ₂ = R ₂ × I, а I = V _S / (R ₁ + R ₂ ), получаем Уравнение 1 следующие формулы делителя напряжения:

уравнение 1: Соотношение резистивного делителя напряжения

Интересно отметить, что оба безразмерных коэффициента для V ₁ и V ₂ в Уравнении 1 могут находиться в диапазоне от 0 до 1.Как следствие, оба сигнала V ₁ и V ₂ могут находиться в диапазоне от 0V до исходного значения V _S .

С помощью программы обработки данных можно построить любое возможное значение, которое может принимать V ₁ или V ₂ в зависимости от R ₁ и R ₂ , например, как показано на Рисунок 2 . Для этого примера мы выбрали график V ₂ с V _S = 10 В и R ₁ , R ₂ = [0; 300] Ом.

рис 2: Карта возможных значений для V ₂

Часто источники напряжения или источники тока могут обеспечивать только фиксированное значение напряжения или тока. Однако для некоторых каскадов схемы требуются более низкие значения, чем обеспечивает источник.

Простой делитель напряжения, в котором номиналы резисторов выбраны соответствующим образом, может обеспечить любое значение напряжения от 0 В до значения источника, он представляет собой хорошее решение для ослабления источника перед определенным каскадом.

Еще одно применение резистивных делителей напряжения - измерение высоких напряжений постоянного тока.Мы проиллюстрируем этот подход на Рисунок 3 :

рис. 3: Процесс измерения высокого постоянного напряжения

Обратите внимание, что форма резисторов добровольно изменена, чтобы отразить соотношение R ₁ / R ₂ .

Чтобы защитить вольтметр (и его пользователя) от прямого измерения высокого напряжения V _S , только небольшая часть измеряется вольтметром, соответствующим R ₂ / (R ₁ + R ₂ ) × V _S . Затем отображение корректируется путем умножения измерения на то же значение, на которое было разделено высокое напряжение.

Например, если R ₁ / R ₂ = 99, вольтметр измеряет только 1% от V _S . Затем вольтметр отобразит на экране точное значение V _S , умножив полученное значение на 100.

Делитель напряжения с нагрузкой

Рассмотрим теперь тот же делитель напряжения R ₁ -R ₂ , как показано на Рисунок 1 , но с дополнительным наличием нагрузки R _L на выводах R ₂ :

рис. 4: Иллюстрация резистивного делителя напряжения с наличием выходной нагрузки

Мы продемонстрируем выражение V ₂ .Прежде всего, мы выражаем эквивалентное сопротивление R _экв параллельной связи R ₂ // R _L :

Затем мы применяем формулу делителя напряжения ( Уравнение 1 ) к делителю напряжения R ₁ -R _eq :

Если мы разработаем и переставим это выражение, мы получим V ₂ как функцию от R ₁ , R ₂ , R _L и V _S . Более того, если выходная нагрузка вместо этого подключена к клеммам R ₁ , мы также можем записать выражение V ₁ аналогично, чтобы получить обе формулы для делителя напряжения нагрузки:

уравнение 2: Соотношение резистивного нагруженного делителя напряжения

Сеть делителя напряжения

Сеть делителя напряжения представляет собой объединение трех или более последовательно соединенных резисторов, которые действуют как делитель напряжения.На следующем рис. 5 мы проиллюстрировали схему делителя напряжения с пятью резисторами:

рис. 5: Схема резистивного делителя напряжения.

Если мы обратим внимание на серию R = R ₁ + R ₂ + R ₃ + R ₄ + R ₅ эквивалентное сопротивление для последовательного объединения резисторов, каждое напряжение определяется уравнением 3 :

уравнение 3: Выражения для напряжений в сети делителя напряжения

Для сети делителя напряжения с резисторами N: Уравнение 3 остается в силе с R _серии = R ₁ + R ₂ +… + R _N .

Нам нужно завершить разделы о резистивных делителях напряжения, сказав, что они очень неэффективны , потому что резисторы рассеивают мощность за счет нагрева Джоуля . По очевидным причинам безопасности, связанным с этими потерями мощности, они используются только для приложений с низким энергопотреблением, таких как, например, в микроэлектронике для управления MOSFET и биполярными усилителями.

Для приложений большой мощности предпочтительны делители реактивного напряжения, поскольку они не сильно рассеивают мощность из-за джоулева нагрева.

Делители реактивного напряжения

Альтернативные делители напряжения могут быть основаны на конденсаторе или катушке индуктивности вместо резистора, они известны как делители реактивного напряжения .

Делители напряжения емкостные

Емкостные делители напряжения основаны на той же архитектуре, которая была представлена ​​ранее на рис. 1 , путем замены резисторов конденсаторами. Поскольку реактивное сопротивление конденсаторов равно 1 / Cω , емкостные делители напряжения работают только в режиме переменного тока.

Преимущество использования конденсаторов заключается в том, что они представляют гораздо меньшие потери мощности на высоких частотах, чем резисторы. Действительно, мы видели в специальном руководстве по сопротивлению переменному току, что импеданс переменного тока имеет тенденцию становиться намного выше, чем импеданс постоянного тока для высоких частот из-за скин-эффекта .

Кроме того, емкостные делители напряжения обычно используются для напряжений выше 100 кВ по среднеквадратическому значению. Причина в том, что резистивные делители напряжения рассеивают слишком много тепла для высоких напряжений, в то время как идеальные или почти идеальные конденсаторы хранят энергию в виде электрического поля и выделяют ее в цепи.

Рис. 6: Изображение емкостного делителя напряжения

Если мы обозначим V ₁ , V ₂ и V _S среднеквадратичные значения напряжений, легко снова продемонстрировать, что они следуют аналогичным отношениям, представленным в . Уравнение 1 . Однако, поскольку импеданс здесь пропорционален 1 / C, индексы числителя меняются:

уравнение 4: Соотношение емкостного делителя напряжения

Аналогичная схема Рисунок 3 путем замены резисторов конденсаторами подходит для измерения высоких напряжений переменного тока.Поскольку падение напряжения в конденсаторе пропорционально 1 / C, большое падение напряжения произойдет в конденсаторе малой емкости C ₁ :

рис.7: Процесс измерения высокого переменного напряжения

Индуктивные делители напряжения

Мы не встречаем в литературе термина «индуктивный делитель напряжения», а скорее называем эту схему автотрансформатором . Автотрансформатор - это одиночная катушка индуктивности с несколькими точками ответвления, которые можно рассматривать как несколько последовательно соединенных катушек индуктивности.

В рис. 8 мы представляем автотрансформатор с одной промежуточной точкой отвода, который соответствует более простой конструкции и эквивалентен двум последовательным индуктивностям:

Рис. 8: Автотрансформатор (слева) и эквивалентный ему «индуктивный делитель напряжения» (справа)

Если мы обратим внимание на N ₁ и N ₂ , количество обмоток в L ₁ и L ₂ , Соотношение напряжений просто определяется выражением V ₂ / V ₁ = N ₂ / N ₁ .

Как и емкостные делители напряжения, автотрансформатор подходит для приложений большой мощности, поскольку катушки индуктивности накапливают энергию в виде магнитного поля и передают ее в цепь, не производя рассеивания тепла.

При использовании в качестве эквивалентного «индуктивного делителя напряжения» формулы напряжения автотрансформатора задаются формулой Уравнение 5 :

уравнение 5: Автотрансформаторы

Обычно автотрансформаторы чаще всего используются в линиях электропередачи большой мощности для понижения или повышения напряжения.Понижающий и повышающий автотрансформаторы легко узнать по соотношению их первичной и вторичной обмоток:

рис.9: Понижающий и повышающий автотрансформаторы

Вывод

Любой делитель напряжения состоит как минимум из двух компонентов в последовательной конфигурации, в которой может произойти падение напряжения. Выходной сигнал снимается между точкой отбора и ссылки схемы (земля).

Целью таких схем является получение меньшего значения выходного напряжения, чем у источника питания V _S , чтобы учитывать динамику входящего каскада схемы.Выходной сигнал соответствует доле источника от 0 до V _S .

Для приложений с низким энергопотреблением мы используем резистивные делители напряжения на основе резисторных компонентов. Мы подробно рассказываем о демонстрации формул выходного напряжения, модификации, которую обеспечивает выходная нагрузка, и о существовании сетевых делителей напряжения, в которых множество резисторов могут быть соединены последовательно для одновременного обеспечения различных выходных напряжений.

Недостатком резистивных делителей напряжения является то, что они не подходят для приложений с большой мощностью, таких как распределение сетей.Для этой функции предпочтительны делители реактивного напряжения , поскольку они не рассеивают большое количество тепла, например резисторы.

Делители реактивного напряжения

делятся на две категории: емкостные и индуктивные, в зависимости от того, какой базовый компонент используется. В емкостных делителях напряжения конденсаторы подключаются последовательно, и наибольшее падение напряжения происходит в самом маленьком конденсаторе, поскольку их реактивное сопротивление обратно пропорционально их емкости.

Индуктивные делители напряжения чаще всего называют автотрансформаторами, наибольшее падение напряжения происходит, как и в случае резистивных делителей напряжения, в самой большой катушке индуктивности, поскольку их реактивное сопротивление прямо пропорционально их индуктивности.

В то время как емкостные делители напряжения в основном используются в мультиметрах для измерения высоких напряжений, индуктивные делители напряжения используются в распределительной сети для понижения или повышения высоких напряжений 50 Гц. Типичным примером может служить то, что автотрансформаторы устанавливают связи между странами, которые не обязательно используют одинаковое напряжение в своих линиях электропередачи.

Конструкция емкостного делителя напряжения для измерения сверхбыстрых напряжений

Особенности

•

Следует приложить усилия для уменьшения размеров делителя до минимума.

•

Проволочные конструкции должны быть как можно короче, чтобы свести к минимуму паразитную индуктивность.

•

Емкости конденсатора делителя не должны быть нестабильными.

•

Емкости конденсатора делителя не должны зависеть от частоты.

•

Волноводные резисторы следует использовать вместо дискретных резисторов, чтобы адаптировать емкостной делитель к характеристическому сопротивлению передачи.

Реферат

Целью данной статьи является рассмотрение и анализ конструкции емкостного делителя напряжения для измерения сверхбыстрого возникновения напряжения. Измерение импульсных напряжений с помощью емкостного делителя в наносекундном диапазоне связано с проблемами, связанными с конструкцией делителя и используемыми материалами. Однако подходящее конструктивное решение могло бы минимизировать бюджет неопределенности измерения паразитной индуктивности и емкости.Следовательно, правильный выбор диэлектрических материалов может компенсировать влияние высоковольтных и низковольтных частотных характеристик конденсатора. Для данной статьи были сконструированы четыре типа емкостных делителей. Высоковольтный конденсатор каждого делителя представляет собой газовый конденсатор (предназначен для предотвращения как электростатического, так и электродинамического влияния на погрешность измерения). Сверхбыстрый импульсный отклик измеряется построенными таким образом делителями и сравнивается с соответствующим откликом, полученным при численном моделировании.

Ключевые слова

Делитель напряжения

Быстрый импульс напряжения

Сверхбыстрые напряжения

Измерение

Емкость

Индуктивность

Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)

Полный текст

© 2018 Опубликовано Ltd.

Ссылки на статьи

Делители напряжения с частотной компенсацией [Analog Devices Wiki]

Цель:

Цель этой лабораторной работы - изучить проблемы емкостной нагрузки резистивных делителей напряжения и ее влияние на частотную характеристику.

Примечания:

Как и во всех лабораториях ALM, мы используем следующую терминологию при описании подключений к разъему M1000 и настройке оборудования. Зеленые заштрихованные прямоугольники обозначают подключения к разъему аналогового ввода-вывода M1000. Контакты аналогового канала ввода / вывода обозначаются как CA и CB. Если сконфигурировано для принудительного измерения напряжения / измерения тока, добавляется –V, как в CA- V , или когда настроено принудительное определение тока / измерения напряжения, –I добавляется, как в CA-I. Когда канал настроен в режиме высокого импеданса только для измерения напряжения, –H добавляется как CA-H.Следы осциллографа аналогично обозначаются по каналу и напряжению / току. Например, CA- V , CB- V для сигналов напряжения и CA-I, CB-I для сигналов тока.

Фон:

Делитель или аттенюатор напряжения с частотной компенсацией представляет собой простую двухпортовую RC-цепь, обеспечивающую фиксированный коэффициент деления напряжения или затухание в широком диапазоне частот, а не только при постоянном токе. Такие сети используются там, где часть схемы, нагружающая выход делителя напряжения, является емкостной.Это особенно важно, когда сигнал имеет широкую полосу пропускания, то есть не является синусоидальным. Простейший аттенюатор напряжения представляет собой чисто резистивный делитель напряжения с передаточной функцией: H (jω) = В ₂ / В _S = R ₂ / (R ₁ + R ₂ ), где на входе В _S = В ₁ + В ₂ , а на выходе В ₂ , как на рисунке 1. Передаточная функция резистивного делителя напряжения независима. частоты, только если резисторы идеальны и любые паразитные емкости, связанные с цепью, пренебрежимо малы.

Рисунок 1, простой резисторный делитель напряжения

Проблема, наблюдаемая на высоких частотах, заключается в том, что паразитная емкость влияет на общий отклик резистивного делителя напряжения. Самый простой способ исправить эту проблему - установить конденсаторы параллельно резисторам. Рассмотрим схему делителя на рисунке 2. Конденсатор C ₂ , который находится на выходе, В ₂ , можно рассматривать как любую паразитную паразитную емкость на выходе делителя, которая может быть частью системы.Мы видим, что эта схема, известная как делитель с частотной компенсацией, работает как резистивный делитель напряжения на постоянном токе или низких частотах и ​​как емкостной делитель напряжения на высоких частотах. Делители напряжения могут быть построены из реактивных компонентов так же, как они могут быть построены из резисторов. Также, как и в случае резисторных делителей, на коэффициент делителя емкостного делителя напряжения не влияют изменения частоты сигнала, даже если реактивное сопротивление конденсатора зависит от частоты.

Передаточное отношение делителя V ₂ / V _S = X _C2 / (X _C1 + X _C2 ).Емкостное реактивное сопротивление X _C пропорционально 1 / C, поэтому V ₂ / V _S = C ₁ / (C ₁ + C ₂ ) аналогично формуле для резисторный делитель. Для простого случая, когда R ₁ = R ₂ , мы имеем коэффициент делителя 1/2 для резисторов. Чтобы иметь такое же отношение делителя 1/2 для конденсаторов C ₁ = C ₂ .

Рисунок 2, Делитель с частотной компенсацией

Компенсированный делитель использует компенсацию полюс-ноль для подавления нежелательной частотной зависимости, вызванной любой паразитной емкостью на выходной стороне сети.Если номиналы резистора и конденсатора отрегулированы так, что полюс и ноль H (s) накладываются друг на друга, | H (jω) | становится независимым от частоты.

Поучительный способ узнать об условиях компенсации полюс-нуль состоит в том, чтобы записать предельные, низкочастотные и высокочастотные выражения для | H (jω) | а затем приравнять их друг к другу. В результате получается простая связь между R ₁ , R ₂ , C ₁ и C ₂ .

Рисунок 3, Показывающий (а) правильную настройку, (б) при компенсации, © чрезмерную компенсацию на краях прямоугольной волны.

Эксперимент по компенсации входной емкости ALM1000

Материалы:

Аппаратный модуль ADALM1000
1 - Резистор 1 МОм
1 - Конденсатор, значение подлежит определению

Направления:

Возвращаясь к рисунку 2, мы можем считать, что R ₂ представляет входное сопротивление 1 МОм каналов ALM1000 в режиме Hi-Z. Аналогично, C ₂ можно рассматривать как представление паразитной паразитной емкости входов.Резистор и конденсатор внутри зеленого прямоугольника показаны на рисунке 4. Используйте еще 1 МОм в качестве R ₁ , чтобы получить коэффициент делителя 1/2. Начните без включения C ₁ , чтобы измерить влияние на частотную характеристику из-за C ₂ .

Рисунок 4, Настройка делителя напряжения.

Процедура:

Установите AWG A в режим SVMI с минимальным значением 1,0 и максимальным значением 4,0. Установите Shape на Square и Frequency на 500 Гц. Установите AWG B в режим Hi-Z.В разделе «Кривые» выберите для отображения CA- V и CB- V . Нажмите «Выполнить» и настройте горизонтальную шкалу времени так, чтобы было видно примерно 3 цикла. Вы должны увидеть резкую прямоугольную волну на канале A, а форма волны на каналах B должна выглядеть как красная кривая (b) на рисунке 3. Это потому, что C ₁ еще не включен. Оцените постоянную времени RC и значение C ₂ по форме сигнала канала B.

Откройте окно Bode Plotting. Вы можете отключить временную диаграмму, если хотите, при построении кривых частотной характеристики.Установите минимальное значение AWG A на 1,082 и максимальное значение на 3,92 (1 VRMS или 0 дБВ). Убедитесь, что форма была изменена на синусоидальную. Установите начальную частоту на 100 и конечную частоту на 20000. Выберите CH-A в качестве источника развертки. Под кривыми выберите кривые CA-dBV, CB-dBV и CA- дБ - CB- дБ для отображения. В окне БПФ лучше всего работает окно с плоским верхом. Установите количество точек развертки на 300 и одиночную развертку. Нажмите кнопку "Выполнить".

Теперь у вас должно быть соотношение усиления (затухания) к частотной характеристике для некомпенсированного делителя.Из точки -3 дБ графика усиления оцените постоянную времени RC и значение C ₂ . Как эти значения соотносятся с тем, что вы рассчитали с помощью отклика во временной области? Основываясь на ваших наилучших оценках значения C ₂ , вычислите значение для C ₁ , которое точно компенсирует C ₂ . Полученное значение, вероятно, не будет близко к стандартному значению конденсатора. Найдите параллельную комбинацию (или последовательную комбинацию) двух или более конденсаторов, которая в сумме дает необходимое значение для C ₁ .

Добавьте свою новую комбинацию C ₁ через R ₁ на макетной плате.

Повторите тесты во временной и частотной областях для этой новой цепи. Будет ли теперь реакция выхода делителя во временной области больше походить на синюю форму волны (a) на рисунке 3? Если нет, то почему? Сравните частотную характеристику схемы до и после добавления C ₁ . Какая сейчас частота -3 дБ ?

Характеристики цепи конденсаторного делителя:

Давайте теперь посмотрим только на путь конденсаторного делителя.Отсоедините R ₁ от конца C ₁ и подключите его к фиксированному источнику питания 2,5 В , как показано на рисунке 5. Путь только через C ₁ блокирует путь постоянного тока от канала A. Подключение R ₁ на фиксированное напряжение 2,5 В восстанавливает уровень постоянного напряжения на входе канала B.

Рис. 5. Путь только через конденсаторный делитель.

Повторите тесты во временной и частотной областях для этой версии схемы.Сравните характеристики схемы во временной и частотной областях с тем, что вы получили только с R ₁ и с R ₁ и C ₁ , подключенными параллельно (рисунок 4). Какая сейчас частота -3 дБ ? Частотная характеристика ровная, низкая или высокая? Объяснить, почему.

Использование делителя для измерения батареи 9 В:

Теперь мы будем использовать делитель напряжения для измерения напряжений, превышающих значение от 0 до +5 В , разрешенное оборудованием ALM1000.Но сначала нам нужно откалибровать смещение и усиление делителя.

Отсоедините конец R ₁ , C ₁ от канала A, рисунок 4, и подключите их к земле. На данный момент установите значение усиления канала B равным 2,0, что является приблизительным коэффициентом делителя. Контролируя среднее значение постоянного тока канала B, отрегулируйте значение, введенное в окне ввода смещения канала B.

Теперь снова подключите R ₁ / C ₁ к выходу канала A. Сигналы каналов A и B теперь должны более точно совпадать друг с другом.При необходимости слегка увеличьте или уменьшите значение усиления, чтобы плоские части верхней и нижней части прямоугольных волн располагались прямо друг над другом. Возможно, вам придется немного подправить смещение, чтобы получить идеальное выравнивание. Теперь программное обеспечение откалибровано по делителю напряжения.

Отсоедините R ₁ / C ₁ от канала A. Подключите отрицательную (-) клемму батареи 9 V к земле и подключите положительную клемму (+) к R ₁ / C ₁ .Среднее значение постоянного тока, считываемое каналом B, теперь должно соответствовать напряжению постоянного тока батареи 9 В . Вам нужно будет изменить вертикальный диапазон канала B на 1 V / Div и положение на 5.0, чтобы увидеть 9 вольт на сетке осциллографа.

Пробники осциллографа:

Пассивный пробник осциллографа 10X использует последовательный резистор (9 МОм) для обеспечения ослабления 10: 1, когда он используется с входным сопротивлением 1 МОм самого осциллографа. Импеданс 1 МОм является стандартным для большинства входов осциллографов. Это позволяет заменять пробники осциллографа между осциллографами разных производителей.На рисунке представлена ​​схема типичного датчика 10X. Пробники осциллографа 10X также допускают некоторую частотную компенсацию, чтобы учесть изменения входной емкости канала осциллографа. Схема конденсаторного делителя встроена в пробник, как показано на рисунке. Затем регулируемый конденсатор, подключенный к земле, можно использовать для выравнивания частотной характеристики пробника.

Вы можете найти дополнительную информацию о том, как подключить разъем BNC пробника осциллографа к вашей макетной плате или входам ALM1000: Подключите кабели BNC к модулям активного обучения

Рисунок 6, Типовая схема пробника осциллографа

Входные каналы ALM1000 имеют входное сопротивление 1 МОм, но входная емкость намного больше, чем диапазон регулировки от до 50 пФ примерно 10 пФ большинства пробников 10X.Конденсатор, подключенный параллельно резистору 9 МОм, обычно составляет 10 пФ , а параллельная комбинация входной емкости осциллографа и регулируемого компенсационного конденсатора в пробнике должна быть близка к 90 пФ . Это означает, что если стандартный пробник был подключен непосредственно ко входу ALM1000, то компенсация частотной характеристики невозможна.

Буферный усилитель с единичным усилением (AD8541 или AD8542) может быть вставлен между схемой пробника и входом ALM1000, как показано на рисунке 7.R ₁ и C ₁ замыкают цепь резистора / конденсаторного делителя 10-кратного пробника.

Рисунок 7. Вставьте буфер единичного усиления для уменьшения входной емкости.

Если резистор R ₁ подключен к земле, можно измерять только положительное напряжение. Если R ₁ подключен к 2,5 В , середине диапазона входного сигнала 0–5 В усилителя, вводится смещение, и можно измерять как положительное, так и отрицательное напряжение.

Для дальнейшего чтения:

Емкостной делитель напряжения
Пробники осциллографа
Создание собственных пробников осциллографа
Новая функция в ALICE добавляет компенсацию частоты входного делителя

Вернуться к лабораторной работе Содержание

Емкостный делитель с итерацией

Емкостный делитель с итерацией

1 Некоторые общие замечания

На уроках электротехники учат идее выполнение анализа постоянного тока (чтобы найти рабочую точку), а затем выполнение анализа переменного тока слабого сигнала (чтобы найти поведение переменного тока).

Тот факт, что мы можем проводить анализ постоянного тока отдельно от Анализ переменного тока - прямое следствие замечательного принципа эта линейность подразумевает суперпозицию. Сигнал переменного тока накладывается на рабочие уровни постоянного тока.

Линейность подразумевает суперпозицию.

Мы можем ввести одну небольшую терминологию: качели . Если в определенное время определенный узел меняется с V ₀ на V ₀ + ΔV, мы скажем, качели были ΔV.

Касательное замечание: качели не зависят от калибра.

2 Анализ: повторный емкостной делитель

Мы можем использовать это для анализа проблемы, изложенной в ссылке 1. Подсказка: это линейная схема .

Эта задача достаточно проста, и вы сможете решить ее за ваша голова, если вы посмотрите на нее правильно. При решении проблем в вашей голове, стоит делать упрощающие предположения, чтобы свести к минимуму количество вещей, которые вам нужно отслеживать.

Поскольку схема линейная, мы можем использовать WLoG (без потери общности) установить V _r равным 1. Чтобы сказать то же самое по-другому, мы выбираем Измерьте напряжение в таких единицах, чтобы V _r равнялось 1. Ни одному вольт, всего 1.

Для домашнего задания вы можете переделать расчет шаг за шагом, добавляя коэффициент V _r в каждом место, где он принадлежит.

В раунде 1, шаге 1, когда S ₁ закрывается в первый раз, свинг включается. узел V ₁ равен 1.

В то же время колебание на узле V ₂ составляет некоторую долю этого. Подсказка: делитель напряжения. Емкостной делитель напряжения. Обозначим эту дробь β.

В раунде 1, шаге 3, когда S ₂ закрывается в первый раз, колебание на узле V ₂ равно −β. В то же время качели на узле V ₁ также является -β. Так и должно быть, потому что C ₁ - это разомкнут наверху, поэтому через него не может протекать ток, поэтому напряжение на C ₁ не может измениться.

В раунде 2, шаг 1, когда S ₁ закрывается во второй раз, качание на узле V ₁ равно β. Что еще это может быть? На шаге 3 предыдущего раунда он упал на столько, так что теперь он должен подняться на столько. В то же время качели на узел V ₂ является фактором β меньше этого, а именно β ² . Опять же, это всего лишь емкостной делитель напряжения.

В раунде 2, шаге 3, когда S ₂ закрывается во второй раз, качание на узле V ₂ равно −β ² .Качели на узле V ₁ составляют тоже самое.

И так далее, вокруг и вокруг.

В конце N-го раунда напряжение на узле V ₁ равно (1-β ^N ) для все N≥0. Это согласуется с тем, что мы уже знаем для N = 0, N = 1, и N = 2. Вы также можете легко убедиться, что это правильно в предел большого N, показывая, что V ₁ = 1, V ₂ = 0 является фиксированной точкой.

Реплика: Я бы лучше хотел эту задачу, если бы она показывала жетон сопротивления R последовательно с каждым переключателем.Без этого поведение в реальном мире становится патологическим, когда вы замыкаете переключатель на заряженный конденсатор. R не меняет приведенный выше результат, если на каждом шаг вы позволяете системе успокоиться надолго по сравнению с RC.

Помимо этого, эта схема имеет некоторые общие черты с широким класс реальных схем. Ссылку 2 и ссылка 3 для важного примера схемы с конденсаторами поверх конденсаторов. У умножителей напряжения такого типа есть много приложения в промышленности и торговле, а также в физике исследовательская лаборатория.

Стоит умение анализировать такие вещи.

3 Ссылки

Брайан Х. Сьютс, «Проблема конденсатора» http://www.phy.mtu.edu/~suits/Ph3260/CapProblem.pdf

Статья в Википедии «Множитель напряжения» http://en.wikipedia.org/wiki/Voltage_multiplier

Статья в Википедии «Генератор Кокрофта-Уолтона» http://en.wikipedia.org/wiki/Cockcroft-Walton_generator

Емкостной делитель - Altanova Group

Выберите ваш CountryAfghanistanAlbaniaAlgeriaAmerican SamoaAndorraAngolaAnguillaAntigua & BarbudaArgentinaArmeniaArubaAustraliaAustriaAzerbaijanBahamasBahrainBangladeshBarbadosBelarusBelgiumBelizeBeninBermudaBhutanBoliviaBonaireBosnia & HerzegovinaBotswanaBrazilBritish Индийский океан TerBruneiBulgariaBurkina FasoBurundiCambodiaCameroonCanadaCanary IslandsCape VerdeCayman IslandsCentral Африканский RepublicChadChannel IslandsChileChinaChristmas IslandCocos IslandColombiaComorosCongoCook IslandsCosta RicaCote D'IvoireCroatiaCubaCuracaoCyprusCzech RepublicDenmarkDjiboutiDominicaDominican RepublicEast TimorEcuadorEgyptEl SalvadorEquatorial GuineaEritreaEstoniaEthiopiaFalkland IslandsFaroe IslandsFijiFinlandFranceFrench GuianaFrench PolynesiaFrench Южный TerGabonGambiaGeorgiaGermanyGhanaGibraltarGreat BritainGreeceGreenlandGrenadaGuadeloupeGuamGuatemalaGuineaGuyanaHaitiHawaiiHondurasHong KongHungaryIcelandIndiaIndonesiaIranIraqIrelandIsle из ManIsraelItalyJamaicaJapanJordanKazakhstanKenya KiribatiKorea NorthKorea SouthKuwaitKyrgyzstanLaosLatviaLebanonLesothoLiberiaLibyaLiechtensteinLithuaniaLuxembourgMacauMacedoniaMadagascarMalaysiaMalawiMaldivesMaliMaltaMarshall IslandsMartiniqueMauritaniaMauritiusMayotteMexicoMidway IslandsMoldovaMonacoMongoliaMontserratMoroccoMozambiqueMyanmarNambiaNauruNepalNetherland AntillesNetherlandsNevisNew CaledoniaNew ZealandNicaraguaNigerNigeriaNiueNorfolk IslandNorwayOmanPakistanPalau IslandPalestinePanamaPapua Новый GuineaParaguayPeruPhilippinesPitcairn IslandPolandPortugalPuerto RicoQatarReunionRomaniaRussiaRwandaSt BarthelemySt EustatiusSt HelenaSt Киттс-NevisSt LuciaSt MaartenSt Pierre & MiquelonSt Vincent & GrenadinesSaipanSamoaSamoa AmericanSan MarinoSao Tome & PrincipeSaudi ArabiaSenegalSeychellesSerbia & MontenegroSierra LeoneSingaporeSlovakiaSloveniaSolomon IslandsSomaliaSouth AfricaSpainSri LankaSudanSurinameSwazilandSwedenSwitzerlandSyriaTahitiTaiwanTajikistanTanzaniaThailandTogoTokelauTongaTrinidad & TobagoTunisiaTurkeyTurkmenista nТуркс и Кайкос: ТувалуУгандаУкраинаОбъединенные Арабские ЭмиратыВеликобританияСоединенные Штаты АмерикиУругвайУзбекистанВануатуГосударство ВатиканВенесуэлаВьетнамВиргинские острова (Британские) Виргинские острова (США) Остров Уоллис и ФутанаЙеменЗабирЗамбияЗамбия 9000

Введите ваше сообщение

.