电容分压器的概念及电路示例

在电子产品中，分压器是无源线性电路，用于提供作为其输入电压一部分的输出电压。这里，分压是在分压器组件之间分配输入电压的结果。在分压器电路中，两个电阻串联，输入电压通过两个电阻给出，输出取自两个电阻之间的连接。

根据应用特性的区别，有不同类型的分压器电路可用，例如电阻式、电感式、低通RC滤波器和电容式分压器。本文简要介绍了其中一种分压器，即电容分压器。

电容分压器的概念

电容分压器是一种以电容为分压元件的分压电路。与电阻器类似，电容器也可用于形成分压器电路，以便根据电容器值将电压分成电路的各个部分。与使用电阻的分压器电路类似，电容器串联起来形成带有电压源的分压器网络。

电容分压器工作原理

电容分压器的工作原理是利用电容分压器与电抗器产生谐振后会产生高压来实现分压，可对高压设备进行高压交流耐压试验。

与电阻网络相比，电容网络分压器更复杂，因为电容器是电抗器件，所以电路中电容提供的电阻主要取决于输入信号的频率。电容电阻可以用Xc表示，以欧姆为单位，电容器响应与电容器的电容值成正比，即：

XC ∝ 1/C

如果源电流的频率较低，则电容器的充电时间会增加。同样，如果电流源的频率很高，那么电容器的充电时间就会减少。最后，可以确定频率“F”，容抗为“Xc”，电容值为“C”，则方程为;

XC ∝ 1/C

XC ∝ 1/f

容抗公式Xc = 1/2πfc

其中，“Xc”是欧姆 (Ω) 内的电容器电抗，“f”是以赫兹 (Hz) 为单位的频率，“C”是电容器的电容，以法拉 (F) 为单位，'π' 是数字常数 (3.1416)。

电容分压器电路

电容分压电路如下图所示，用于计算电容的分压规则。在下面的分压器电路中，两个电容器与“Vs”等电压源串联。之后，电压源可以分为两个，一个电源通过C1电容器，另一个电压通过C2电容器。此外，电路中的VC1表示整个C1电容器的电压，而VC2是整个C2电容器的电压。

因此，组合电容可以给出：

1/Ceq = 1/C1 + 1/C2

Ceq = C1C2/C1 + 1/C2

通过源提供的电荷量Q =Ceq Vs，基本上是：

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

由于“C1”电容器的电压为Vc1，即有：

VC1 = Q1/ C1

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

VC1 = Vs/(C1 + C2) x C2

“C2”电容器的电压为Vc2，即有：

VC2 = Q2/C2

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

VC2 = Vs/(C1 + C2) x C1

因此，整个电容器的单个电压是相反电容的一小部分，乘以整个电容和电压。

实例演示

众所周知，电容分压器仅适用于交流和直流，但交流和直流的公式几乎相同。因此，下面将解释交流和直流电容分压器电路的示例问题。

1、电容式交流分压器电路示例

示例电容式交流分压器电路图如下所示，电压源为120V;频率为1500赫兹。电路中的两个电容简单串联，其中第一个电容值VC1 3uF与电容Xc为30ohms。第二个电容值VC2为1uF，电容Xc为60ohms。

3uF电容的电抗为：

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

1uF电容的电抗为：

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

该电路的完全容抗为：XC= XC1+ XC2= 35Ω + 106Ω = 141Ω

电路中的电流为：I = V/XC = 120V/141Ω = 0.85mA

每个电容器上的电压降为：

VC1 = I*XC1 = 0.85mA*35Ω = 29.75V

VC2 = I*XC2 = 0.85mA*106Ω = 90.01V

2、电容式直流分压器电路示例

电容式直流分压器的电路图如下所示，电压源为9V，两个电容串联，VC1为3uF，VC2为1uF。在这里，直流分压器根据V=Q/C等公式分离电压。如果电路的频率为12000Hz或12kHz，则评估DC的输出电压。

3uF电容的电抗：XC1 = 1/2πfC1 = 1/(2*3.142*12000*3*10^-6) = 10^6/226224 = 4.420Ω

1uF电容电抗：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来计算电路的完整容抗。

I = V / XC = 9V / 17.68Ω = 0.50mA

每个电容器上的电压降为：

VC1 = I*XC1 = 0.50mA*4.420Ω = 2.21V

VC2 = I*XC2 = 0.50mA*13.26Ω = 6.63V

注：CT = (C1*C2) /(C1+C2) 也可以使用其他电容分压器公式，这时候，XCT = 1/2πfCT。

电容分压器优缺点

电容分压器的优点包括以下几个方面：

价格便宜

热量损失较少

可以在交流电或直流电上工作

安装成本低

频率依赖性

具有带宽宽、响应速度快、稳定性好、分压比大等优点，具有快速脉冲信号测量等优点

电容分压器的缺点包括以下几点方面：

笨重

工作效率会因过热而降低

一些分压器仅适用于交流电

电容分压器的应用

电容分压器的应用主要包括以下几个方面的内容：

用于降低电压以测量高电平电压

是快速上升的电压和脉冲测量的理想选择

在微控制器中，它用于测量传感器的电阻

可用作连接各种工作电压的逻辑电平转换器电路

用于不同的电子应用，从Colpitts振荡器电路到电容式触摸屏。

广泛用于电子束加速器中，以评估ns(纳秒)范围内的高压o/p信号。

简单的电容分压器用于测量纳秒到微秒范围内的高压信号

总结

在进行高压交流耐压试验时会用到串联谐振，那么串联谐振中就会用到电容分压器，它与电抗器产生谐振后会产生高压，可对高压设备进行高压交流耐压试验。