تقسیم کننده ولتاژ خازنی

مدارهای تقسیم ولتاژ می‌توانند به همان راحتی که از مقاومت‌های ثابت ساخته می‌شوند، از اجزای راکتیو نیز تشکیل شوند.

با این که از خازن‌ها که عناصر راکتیو هستند استفاده می‌کنند، اما درست مانند مدارهای مقاومتی، یک شبکه تقسیم ولتاژ خازنی نیز تحت تاثیر تغییر در فرکانس تغذیه قرار نمی‌گیرد، زیرا اثر تغییرات فرکانس منبع برای همه خازن‌ها در زنجیره سری برابر است.

اما پیش از آن که بخواهیم با جزئیات بیشتری به مدار تقسیم ولتاژ خازنی نگاه کنیم، باید کمی بیشتر در مورد راکتانس خازنی و چگونگی تاثیر آن بر خازن‌ها در فرکانس‌های مختلف بدانیم.

در اولین آموزش ما در مورد خازن‌ها، دیدیم که یک خازن از دو صفحه رسانای موازی جدا شده توسط یک عایق، تشکیل شده است و در یک صفحه بار مثبت (+) و در صفحه دیگر بار مخالف منفی (-) دارد. همچنین دیدیم که هنگام اتصال به منبع تغذیه DC (جریان مستقیم)، پس از شارژ کامل خازن، عایق (که دی‌الکتریک نامیده می‌شود) مانع عبور جریان می‌شود.

یک خازن دقیقا مانند مقاومت با عبور جریان مخالفت می‌کند، اما برخلاف مقاومت که انرژی ناخواسته را به صورت گرما پراکنده می‌کند، خازن هنگام شارژ، انرژی را در صفحه های خود ذخیره می‌کند و هنگام دشارژ، آن را در مدار برگردانده یا آزاد می‌کند.

این توانایی خازن در مخالفت یا «واکنش» در برابر عبور جریان به شکل ذخیره بار در صفحات خود، «راکتانس» نامیده می‌شود. از آنجا که این راکتانس به خازن مربوط می‌شود، به آن راکتانس خازنی (X_C) می‌گویند. مانند مقاومت، راکتانس نیز با واحد اهم اندازه گیری می‌شود.

هنگامی که یک خازن کاملا تخلیه شده به منبع تغذیه DC مانند باتری متصل می‌شود، راکتانس خازن در ابتدا بسیار کم است و جریان مدار حداکثر برای مدت زمان بسیار کوتاهی از خازن عبور می‌کند، چراکه صفحات خازن به طور تصاعدی شارژ می‌شوند.

صفحات خازن پس از یک دوره زمانی معادل تقریبا «5RC» یا 5 ثابت زمانی، کاملا برابر ولتاژ تغذیه شارژ می‌شوند و دیگر جریان عبور نمی‌کند. در این مرحله، راکتانس خازن به جریان DC، در ناحیه مگا اهم و حداکثر است، تقریبا معادل مدار باز و به همین دلیل است که خازن‌ها DC را مسدود می‌کنند.

حال اگر خازن را به منبع تغذیه AC (جریان متناوب) متصل کنیم که به طور مداوم قطب را معکوس می‌کند، اثر مشاهده شده بر روی خازن این است که صفحات آن به طور مداوم در حال شارژ و دشارژ متناسب با ولتاژ تغذیه متناوب اعمال شده هستند. این بدان معنی است که جریان شارژ و دشارژ همواره در صفحات خازن جاری است و از آن خارج می‌شود، و اگر جریانی داشته باشیم، برای مقابله با آن باید مقدار راکتانس را نیز داشته باشیم. اما چه مقداری خواهد بود و چه عواملی تعیین کننده میزان راکتانس خازنی هستند؟

در آموزش ظرفیت و بار، دیدیم که بار (Q) موجود در صفحات خازن با ولتاژ اعمال شده و ظرفیت خازن متناسب است. از آنجا که مقدار ولتاژ منبع تغذیه متناوب اعمال شده (V_S) دائما در حال تغییر است، مقدار بار صفحات نیز باید تغییر کند.

اگر خازن ظرفیت بیشتری داشته باشد، برای یک مقاومت مشخص R، شارژ خازن بیشتر طول می‌کشد، چراکه τ=RC. این بدان معنی است که جریان شارژ برای مدت زمان طولانی‌تری جاری است. ظرفیت بیشتر منجر به مقدار کمتر راکتانس (X_C) در یک فرکانس معین می‌شود.

به همین ترتیب، اگر خازن ظرفیت کمتری داشته باشد، برای شارژ خازن به ثابت زمانی (RC) کوتاه‌تری نیاز است، به این معنی که جریان برای مدت زمان کمتری جاری می‌شود. ظرفیت کمتر منجر به مقدار بیشتر راکتانس (X_C) می‌شود. پس می‌توانیم ببینیم که جریان‌های بزرگ‌تر به معنای راکتانس کمتر هستند و جریان‌های کوچکتر به معنای راکتانس بیشتر هستند. بنابراین، راکتانس خازنی با ظرفیت خازن نسبت عکس دارد، X_C∝^-۱C (یا X_C∝1/C).

با این وجود، ظرفیت تنها عاملی نیست که راکتانس خازنی را تعیین می‌کند. اگر جریان متناوب اعمال شده در یک فرکانس پایین باشد، راکتانس زمان بیشتری برای جمع شدن و مقاومت در برابر جریان در یک ثابت زمانی RC داده شده دارد و این نشان دهنده مقدار زیاد راکتانس است. به همین ترتیب، اگر فرکانس اعمال شده زیاد باشد، فاصله کمی بین چرخه های شارژ و دشارژ وجود دارد تا راکتانس جمع شود و در برابر جریان مقاومت کند و در نتیجه، جریان بیشتر و راکتانس کمتر است.

پس می‌توانیم ببینیم که خازن یک امپدانس است و مقدار این امپدانس به فرکانس وابسته است. بنابراین فرکانس‌های بزرگ‌تر به معنی راکتانس کمتر و فرکانس‌های کوچک‌تر به معنی راکتانس بیشتر هستند. در نتیجه، راکتانس خازنی (X_C، امپدانس مختلط آن) با ظرفیت و فرکانس نسبت عکس دارد. معادله استاندارد برای راکتانس خازنی به شرح زیر است: