電容分壓器的概念及電路示例

在電子產(chǎn)品中，分壓器是無源線性電路，用于提供作為其輸入電壓一部分的輸出電壓。這里，分壓是在分壓器組件之間分配輸入電壓的結(jié)果。在分壓器電路中，兩個電阻串聯(lián)，輸入電壓通過兩個電阻給出，輸出取自兩個電阻之間的連接。

根據(jù)應(yīng)用特性的區(qū)別，有不同類型的分壓器電路可用，例如電阻式、電感式、低通RC濾波器和電容式分壓器。本文簡要介紹了其中一種分壓器，即電容分壓器。

電容分壓器的概念

電容分壓器是一種以電容為分壓元件的分壓電路。與電阻器類似，電容器也可用于形成分壓器電路，以便根據(jù)電容器值將電壓分成電路的各個部分。與使用電阻的分壓器電路類似，電容器串聯(lián)起來形成帶有電壓源的分壓器網(wǎng)絡(luò)。

電容分壓器工作原理

電容分壓器的工作原理是利用電容分壓器與電抗器產(chǎn)生諧振后會產(chǎn)生高壓來實現(xiàn)分壓，可對高壓設(shè)備進(jìn)行高壓交流耐壓試驗。

與電阻網(wǎng)絡(luò)相比，電容網(wǎng)絡(luò)分壓器更復(fù)雜，因為電容器是電抗器件，所以電路中電容提供的電阻主要取決于輸入信號的頻率。電容電阻可以用Xc表示，以歐姆為單位，電容器響應(yīng)與電容器的電容值成正比，即：

XC ∝ 1/C

如果源電流的頻率較低，則電容器的充電時間會增加。同樣，如果電流源的頻率很高，那么電容器的充電時間就會減少。最后，可以確定頻率“F”，容抗為“Xc”，電容值為“C”，則方程為;

XC ∝ 1/C

XC ∝ 1/f

容抗公式Xc = 1/2πfc

其中，“Xc”是歐姆 (Ω) 內(nèi)的電容器電抗，“f”是以赫茲 (Hz) 為單位的頻率，“C”是電容器的電容，以法拉 (F) 為單位，'π' 是數(shù)字常數(shù) (3.1416)。

電容分壓器電路

電容分壓電路如下圖所示，用于計算電容的分壓規(guī)則。在下面的分壓器電路中，兩個電容器與“Vs”等電壓源串聯(lián)。之后，電壓源可以分為兩個，一個電源通過C1電容器，另一個電壓通過C2電容器。此外，電路中的VC1表示整個C1電容器的電壓，而VC2是整個C2電容器的電壓。

因此，組合電容可以給出：

1/Ceq = 1/C1 + 1/C2

Ceq = C1C2/C1 + 1/C2

通過源提供的電荷量Q =Ceq Vs，基本上是：

Q = (C1C2/C1 + 1/C2) VS

由于“C1”電容器的電壓為Vc1，即有：

VC1 = Q1/ C1

VC1 = (C1C2/C1 + C2) x Vs/C1

VC1 = Vs/(C1 + C2) x C2

“C2”電容器的電壓為Vc2，即有：

VC2 = Q2/C2

VC2 = (C1C2/C1 + C2) x Vs/C2

VC2 = Vs/(C1 + C2) x C1

因此，整個電容器的單個電壓是相反電容的一小部分，乘以整個電容和電壓。

實例演示

眾所周知，電容分壓器僅適用于交流和直流，但交流和直流的公式幾乎相同。因此，下面將解釋交流和直流電容分壓器電路的示例問題。

1、電容式交流分壓器電路示例

示例電容式交流分壓器電路圖如下所示，電壓源為120V;頻率為1500赫茲。電路中的兩個電容簡單串聯(lián)，其中第一個電容值VC1 3uF與電容Xc為30ohms。第二個電容值VC2為1uF，電容Xc為60ohms。

3uF電容的電抗為：

XC1 = 1/2πfC1 => 1/(2*3.142*1500*3*10^-6) => 10^6/28278 => 35歐姆

1uF電容的電抗為：

XC2 => 1/2πfC2 => 1/(2*3.142*1500*1*10^-6) = 10^6/ 9426 => 106歐姆

該電路的完全容抗為：XC= XC1+ XC2= 35Ω + 106Ω = 141Ω

電路中的電流為：I = V/XC = 120V/141Ω = 0.85mA

每個電容器上的電壓降為：

VC1 = I*XC1 = 0.85mA*35Ω = 29.75V

VC2 = I*XC2 = 0.85mA*106Ω = 90.01V

2、電容式直流分壓器電路示例

電容式直流分壓器的電路圖如下所示，電壓源為9V，兩個電容串聯(lián)，VC1為3uF，VC2為1uF。在這里，直流分壓器根據(jù)V=Q/C等公式分離電壓。如果電路的頻率為12000Hz或12kHz，則評估DC的輸出電壓。

3uF電容的電抗：XC1 = 1/2πfC1 = 1/(2*3.142*12000*3*10^-6) = 10^6/226224 = 4.420Ω

1uF電容電抗：XC2 = 1/2πfC2 = 1/(2*3.142*12000*1*10^-6) = 10^6/75408 = 13.26Ω

可以使用XC= XC1+ XC2 = 4.420Ω + 13.26Ω = 17.68 Ohms來計算電路的完整容抗。

I = V / XC = 9V / 17.68Ω = 0.50mA

每個電容器上的電壓降為：

VC1 = I*XC1 = 0.50mA*4.420Ω = 2.21V

VC2 = I*XC2 = 0.50mA*13.26Ω = 6.63V

注：CT = (C1*C2) /(C1+C2) 也可以使用其他電容分壓器公式，這時候，XCT = 1/2πfCT。

電容分壓器優(yōu)缺點

電容分壓器的優(yōu)點包括以下幾個方面：

價格便宜

熱量損失較少

可以在交流電或直流電上工作

安裝成本低

頻率依賴性

具有帶寬寬、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、分壓比大等優(yōu)點，具有快速脈沖信號測量等優(yōu)點

電容分壓器的缺點包括以下幾點方面：

笨重

工作效率會因過熱而降低

一些分壓器僅適用于交流電

電容分壓器的應(yīng)用

電容分壓器的應(yīng)用主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：

用于降低電壓以測量高電平電壓

是快速上升的電壓和脈沖測量的理想選擇

在微控制器中，它用于測量傳感器的電阻

可用作連接各種工作電壓的邏輯電平轉(zhuǎn)換器電路

用于不同的電子應(yīng)用，從Colpitts振蕩器電路到電容式觸摸屏。

廣泛用于電子束加速器中，以評估ns(納秒)范圍內(nèi)的高壓o/p信號。

簡單的電容分壓器用于測量納秒到微秒范圍內(nèi)的高壓信號

總結(jié)

在進(jìn)行高壓交流耐壓試驗時會用到串聯(lián)諧振，那么串聯(lián)諧振中就會用到電容分壓器，它與電抗器產(chǎn)生諧振后會產(chǎn)生高壓，可對高壓設(shè)備進(jìn)行高壓交流耐壓試驗。