Divisor de tensão capacitiva

Neste post aprendemos como circuitos divisores de tensão capacitivos operam em circuitos eletrônicos, por meio de fórmulas e exemplos resolvidos.

Por: Dhrubajyoti Biswas

O que é uma rede divisora ​​de tensão

Por falar em circuito divisor de tensão, é importante notar que a tensão no circuito divisor fica igualmente distribuída entre todos os componentes existentes associados à rede, embora a capacidade possa variar com base na constituição dos componentes.

Um circuito divisor de tensão pode ser construído com componentes reativos ou mesmo resistores fixos.

No entanto, ao comparar com divisores de tensão capacitivos, os divisores resistivos permanecem inalterados com a mudança de frequência na alimentação.

O objetivo deste artigo é fornecer uma compreensão detalhada dos divisores de tensão capacitivos. Mas para obter mais informações, é vital detalhar a reatância capacitiva e seu efeito nos capacitores em frequências variadas.

Um capacitor é composto por duas placas condutoras, colocadas paralelamente uma à outra, separadas adicionalmente por um isolador. Essas duas placas têm uma carga positiva (+) e outra negativa (-).

Quando um capacitor é totalmente carregado por meio de corrente CC, o dielétrico [popularmente conhecido como isolante] bloqueia o fluxo de corrente pelas placas.

Outra característica importante de um capacitor em comparação a um resistor é: Um capacitor armazena energia nas placas condutoras durante a carga, o que o resistor não faz, pois sempre tende a liberar o excesso de energia na forma de calor.

Mas a energia armazenada por um capacitor é passada para os circuitos que estão conectados a ele durante seu processo de descarga.

Este recurso de um capacitor para armazenar a carga é conhecido como reatância e também conhecido como reatância capacitiva [Xc] para o qual Ohm é a unidade padrão de medida para reatância.

Um capacitor descarregado quando conectado a uma fonte de alimentação CC, a reatância permanece baixa no estágio inicial.

Uma parte substancial da corrente flui através do capacitor por um curto intervalo, o que força as placas condutoras a serem carregadas rapidamente, e isso eventualmente inibe qualquer passagem adicional de corrente.

Como o capacitor bloqueia a CC?

Em um resistor, rede em série de capacitores, quando o período de tempo atinge uma magnitude de 5RC, as placas condutoras do capacitor ficam totalmente carregadas, o que significa que a carga recebida pelo capacitor é igual à alimentação de tensão, o que interrompe qualquer fluxo de corrente adicional.

Além disso, a reatância do capacitor nesta situação sob a influência da tensão DC atinge o estado máximo [mega-ohms].

Capacitor em alimentação AC

Em relação ao uso de corrente alternada [AC] para carregar um capacitor, em que o fluxo de corrente AC é sempre alternadamente polarizado, o capacitor que recebe o fluxo é submetido a um carregamento e descarregamento constante em suas placas.

Agora, se temos fluxo de corrente constante, também precisamos determinar o valor da reatância para restringir o fluxo.

Fatores para determinar o valor da resistência capacitiva

Se olharmos para trás na capacitância, descobriremos que a quantidade de carga nas placas condutoras de um capacitor é proporcional ao valor da capacitância e da tensão.

Agora, quando um capacitor obtém fluxo de corrente de uma entrada CA, a alimentação de tensão passa por uma mudança constante em seu valor, o que invariavelmente muda o valor das placas de forma muito proporcional.

Agora vamos considerar uma situação em que um capacitor contém um valor mais alto de capacitância.

Nesta situação a resistência R consome mais tempo para carregar o capacitor τ = RC. Isso implica que, se a corrente de carga estiver fluindo por um período de tempo mais longo, a reatância registra um valor Xc menor, dependendo da frequência especificada.

De forma idêntica, se o valor da capacitância for menor em um capacitor, para carregar o capacitor, será necessário um tempo RC mais curto.

Esse tempo mais curto causa o fluxo de corrente por um período de tempo mais curto, o que resulta em um valor de reatância comparativamente menor, Xc.

Portanto, é evidente que com correntes mais altas o valor da reatância permanece pequeno e vice-versa.

E, assim, a reatância capacitiva é sempre inversamente proporcional ao valor de capacitância do capacitor.

XC ∝ -1 C.

É vital observar que a capacitância não é o único fator para analisar a reatância capacitiva.

Com uma baixa frequência da tensão CA aplicada, a reatância ganha mais tempo de desenvolvimento com base na constante de tempo RC alocada. Além disso, ele também bloqueia a corrente, indicando maior valor de reatância.

Da mesma forma, se a frequência aplicada for alta, a reatância permite menor ciclo de tempo para que ocorra o processo de carga e descarga.

Além disso, também recebe maior fluxo de corrente durante o processo, o que leva a uma menor reatância.

Portanto, isso prova que a impedância (reatância AC) de um capacitor e sua magnitude depende da frequência. Portanto, maior frequência resulta em menor reatância e vice-versa, e assim pode-se concluir que a Reatância Capacitiva Xc é inversamente proporcional à frequência e capacitância.

A referida teoria da reatância capacitiva pode ser resumida com a seguinte equação:

Xc = 1 / 2πfC

Onde:

· Xc = Reatância Capacitiva em Ohms, (Ω)


· Π (pi) = uma constante numérica de 3,142 (ou 22 ÷ 7)


· Ƒ = Frequência em Hertz, (Hz)


· C = Capacitância em Farads, (F)

Divisor de tensão capacitiva

Esta seção terá como objetivo fornecer uma explicação detalhada sobre como a frequência de alimentação afeta dois capacitores conectados costas com costas ou em série, melhor denominado como circuito divisor de tensão capacitivo.

Circuito Divisor de Tensão Capacitiva

Para ilustrar o funcionamento de um divisor de tensão capacitivo, vamos nos referir ao circuito acima. Aqui, C1 e C2 estão em série e conectados a uma fonte de alimentação CA de 10 volts. Estando em série, os dois capacitores estão recebendo a mesma carga, Q.

No entanto, a tensão permanecerá diferente e também depende do valor da capacitância V = Q / C.

Considerando a Figura 1.0, o cálculo da tensão no capacitor pode ser determinado de diferentes maneiras.

Uma opção é descobrir a impedância total do circuito e a corrente do circuito, ou seja, rastrear o valor da reatância capacitiva em cada capacitor e, em seguida, calcular a queda de tensão entre eles. Por exemplo:

EXEMPLO 1

Conforme a Figura 1.0, com C1 e C2 de 10uF e 20uF respectivamente, calcule as quedas de tensão rms que ocorrem no capacitor em uma situação de tensão senoidal de 10 volts rms @ 80Hz.

Capacitor C1 10uF
Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 80 x 10uF x 10-6 = 200 Ohm
C2 = capacitor 20uF
Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 8000 x 22uF x 10-6 = 90
Ohm

Reatância Capacitiva Total

Xc (total) = Xc1 + Xc2 = 200Ω + 90Ω = 290Ω
Ct = (C1 x C2) / (C1 + C2) = 10uF x 22uF / 10uF + 22uF = 6,88uF
Xc = 1 / 2πfCt = 1/1 / 2π x 80 x 6,88uF = 290Ω

Corrente no circuito

I = E / Xc = 10V / 290Ω

A tensão cai serialmente para ambos os capacitores. Aqui, o divisor de tensão capacitivo é calculado como:

Vc1 = I x Xc1 = 34,5mA x 200Ω = 6,9V
Vc2 = I x Xc2 = 34,5mA x 90Ω = 3,1V

Se os valores dos capacitores forem diferentes, o capacitor de valor menor pode carregar com uma tensão mais alta em comparação com o de valor maior.

No Exemplo 1, a carga de tensão registrada é 6,9 e 3,1 para C1 e C2, respectivamente. Agora, uma vez que o cálculo é baseado na teoria de tensão de Kirchoff, portanto, a tensão total cai para o capacitor individual é igual ao valor da tensão de alimentação.

NOTA:

A taxa de queda de tensão para os dois capacitores que estão conectados ao circuito divisor de tensão capacitivo em série sempre permanece a mesma, mesmo se houver uma frequência de alimentação.

Portanto, de acordo com o Exemplo 1, 6,9 e 3,1 volts são iguais, mesmo se a frequência de alimentação for maximizada de 80 a 800Hz.

EXEMPLO 2

Como encontrar a queda de tensão do capacitor usando os mesmos capacitores usados ​​no Exemplo 1?

Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 8000 x 10uF = 2 Ohm

Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 8000 x 22uF = 0,9 Ohm

I = V / Xc (total) = 10 / 2,9 = 3,45 Amps

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

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

Como a relação de tensão permanece a mesma para ambos os capacitores, com o aumento da frequência de alimentação, seu impacto é visto na forma de uma diminuição da reatância capacitiva combinada, bem como na impedância total do circuito.

Uma impedância reduzida causa maior fluxo de corrente, por exemplo, a corrente do circuito em 80Hz é em torno de 34,5mA, enquanto em 8kHz pode haver um aumento de 10 vezes na alimentação de corrente, que é em torno de 3,45A.

Assim, pode-se concluir que o fluxo de corrente via divisor de tensão capacitivo é proporcional à frequência, I ∝ f.

Como discutido acima, os divisores capacitivos que envolvem uma série de capacitores conectados, todos eles baixam a tensão CA.

Para descobrir a queda de tensão correta, os divisores capacitivos tomam o valor da reatância capacitiva de um capacitor.

Portanto, não funciona como divisor de tensão DC, uma vez que em DC os capacitores param e bloqueiam a corrente, o que causa fluxo de corrente nulo.

Os divisores podem ser usados ​​nos casos em que a alimentação é acionada por frequência.

Há uma ampla gama de uso eletrônico de divisor de tensão capacitivo, de dispositivos de leitura digital a osciladores Colpitts. Também é amplamente preferido como alternativa barata para transformadores de rede, onde divisores de tensão capacitivos são empregados para diminuir a corrente de alta tensão.