Divisor de tensão capacitivo

Neste post aprendemos como funcionam os circuitos divisores de tensão capacitivos em circuitos eletrônicos, através de fórmulas e exemplos resolvidos.

Por: Dhrubajyoti Biswas

O que é uma rede divisora ​​de tensão

Falando de um 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 de acordo com a constituição dos componentes.

Um circuito divisor de tensão pode ser construído a partir de componentes reativos ou mesmo de 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 feito de duas placas condutoras, colocadas paralelamente uma à outra, que são adicionalmente separadas por um isolante. Essas duas placas têm uma carga positiva (+) e outra negativa (-).

Quando um capacitor é totalmente carregado por corrente contínua, o dielétrico [popularly referred to insulator] bloqueia o fluxo de corrente através das placas.

Outra característica importante de um capacitor em comparação com um resistor é: Um capacitor armazena energia nas placas condutoras durante a carga, o que o resistor não armazena, 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.

Esse recurso de um capacitor para armazenar a carga é referido como reatância e também chamado de 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 período, o que força as placas condutoras a serem carregadas rapidamente, e isso eventualmente inibe qualquer passagem adicional de corrente.

Como o capacitor bloqueia DC?

Em uma rede de resistores, capacitores em série, 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 fonte 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 na alimentação CA

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

Agora, se tivermos 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 recebe fluxo de corrente de uma entrada CA, a alimentação de tensão passa por uma mudança constante em seu valor, o que invariavelmente altera o valor das placas proporcionalmente.

Agora vamos considerar uma situação em que um capacitor contém maior valor 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 longo período de tempo, a reatância registrará um valor menor Xc, dependendo da frequência especificada.

Da mesma forma, 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 da capacitância do capacitor.

XC ∝ -1 C.

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

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

Da mesma forma, se a frequência aplicada for alta, a reatância permite que ocorra um ciclo de tempo menor para 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 CA) de um capacitor e sua magnitude depende da frequência. Portanto, frequência mais alta resulta em reatância menor 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 capacitivo

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

Circuito do divisor de tensão capacitivo explicado

Circuito divisor de tensão capacitivo

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 ambos os 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, traçar o valor da reatância capacitiva em cada capacitor e então calcular a queda de tensão através deles. Por exemplo:

EXEMPLO 1

Conforme 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 de 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 em série 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 menor valor pode então carregar com uma tensão mais alta em comparação com o de maior valor.

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

Portanto, como no Exemplo 1, 6,9 e 3,1 volts são os mesmos, mesmo que a frequência de alimentação seja 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 A

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 da impedância total do circuito.

Uma impedância reduzida causa maior fluxo de corrente, por exemplo, a corrente do circuito em 80Hz fica em torno de 34,5mA, enquanto em 8kHz pode haver um aumento de 10 vezes na alimentação de corrente, ou seja, 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 diminuem 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 CC, pois em CC os capacitores param e bloqueiam a corrente, o que causa fluxo de corrente nulo.

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

Existe uma ampla gama de uso eletrônico de divisor de tensão capacitivo, desde dispositivo de digitalização de dedos até osciladores Colpitts. Também é amplamente preferido como alternativa barata para transformador de rede onde o divisor de tensão capacitivo é empregado para diminuir a alta corrente de rede.

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