Jak kondensator blokuje napięcie stałe?

Jestem z tym zmieszany! Jak kondensator blokuje napięcie stałe?

• Widziałem wiele obwodów wykorzystujących kondensatory zasilane napięciem stałym. Jeśli więc kondensator blokuje prąd stały, dlaczego miałby być stosowany w takich obwodach?
• Również napięcie znamionowe jest wymieniane jako kondensator na wartości prądu stałego. Co to znaczy?

Myślę, że pomogłoby to zrozumieć, w jaki sposób kondensator blokuje prąd stały (prąd stały), a jednocześnie pozwala na prąd przemienny (prąd przemienny).

Zacznijmy od najprostszego źródła prądu stałego, baterii:

Kiedy ta bateria jest używana do zasilania czegoś, elektrony są wciągane do dodatniej strony baterii i wypychane z boku - .

Podłączmy kilka przewodów do akumulatora:

Nadal nie ma tutaj pełnego obwodu (przewody nigdzie nie idą), więc nie ma przepływu prądu.

Ale to nie znaczy, że nie był dowolny przepływ prądu. Widzisz, atomy w metalu z drutu miedzianego składają się z jąder atomów miedzi, otoczonych ich elektronami. Pomocne może być myślenie o drutach miedzianych jako o dodatnich jonach miedzi z elektronami unoszącymi się wokół:

Uwaga: Używam symbolu e ^- do reprezentowania elektronu

W metalu bardzo łatwo jest przepychać elektrony. W naszym przypadku mamy dołączoną baterię. Jest w stanie wyssać niektóre elektrony z drutu:

Drut przymocowany do dodatniej stronie baterii ma elektrony zasysane z niego. Te elektrony są następnie wypychane ujemną stroną baterii do drutu przymocowanego do ujemnej strony.

Należy pamiętać, że bateria nie może usunąć wszystkich elektronów. Elektrony są na ogół przyciągane przez jony dodatnie, które pozostawiają; więc trudno jest usunąć wszystkie elektrony.

Na koniec nasz czerwony drut będzie miał niewielki ładunek dodatni (ponieważ brakuje mu elektronów), a czarny drut będzie miał niewielki ładunek ujemny (ponieważ ma dodatkowe elektrony).

Kiedy więc po raz pierwszy podłączysz baterię do tych przewodów, przepłynie tylko trochę prądu. Bateria nie jest w stanie poruszać bardzo wielu elektronów, więc prąd płynie bardzo krótko, a następnie zatrzymuje się.

Jeśli odłączysz akumulator, odwrócisz go i ponownie podłączysz: elektrony z czarnego drutu zostaną wciągnięte do baterii i wepchnięte do czerwonego drutu. Po raz kolejny przepływ prądu byłby niewielki, a wtedy zatrzymałby się.

Problem z użyciem tylko dwóch drutów polega na tym, że nie mamy zbyt wielu elektronów do popychania. Potrzebujemy dużego magazynu elektronów do zabawy - dużego kawałka metalu. Taki właśnie jest kondensator: duży kawałek metalu przymocowany do końców każdego drutu.

Dzięki temu dużemu kawałkowi metalu jest o wiele więcej elektronów, które możemy łatwo przepychać. Teraz strona „dodatnia” może wyssać z niej o wiele więcej elektronów, a strona „ujemna” może mieć wciśnięte o wiele więcej elektronów:

Jeśli więc zastosujesz źródło prądu przemiennego do kondensatora, część tego prądu będzie mogła przepływać, ale po pewnym czasie zabraknie mu elektronów do przepychania się i przepływ zostanie zatrzymany. Jest to korzystne dla źródła prądu przemiennego, ponieważ następnie cofa się, a prąd może przepłynąć jeszcze raz.

Ale dlaczego kondensator jest oceniany w woltach prądu stałego

Kondensator to nie tylko dwa kawałki metalu. Inną cechą konstrukcyjną kondensatora jest to, że wykorzystuje on dwa kawałki metalu bardzo blisko siebie (wyobraź sobie warstwę papieru woskowego umieszczoną pomiędzy dwoma arkuszami folii cynowej).

Powodem, dla którego używają „folii cynowej” oddzielonej „papierem woskowanym” jest to, że chcą, aby ujemne elektrony były bardzo blisko dodatnich „dziur”, które pozostawili. To powoduje przyciąganie elektronów do dodatnich „dziur”:

Ponieważ elektrony są ujemne, a „dziury” są dodatnie, elektrony są przyciągane do dziur. To powoduje, że elektrony faktycznie tam pozostają. Możesz teraz wyjąć baterię, a kondensator faktycznie utrzyma ten ładunek.

Właśnie dlatego kondensator może przechowywać ładunek; elektrony są przyciągane do otworów, które pozostawili.

Ale ten woskowany papier nie jest doskonałym izolatorem; to się dzieje, aby umożliwić pewne nieszczelności. Ale prawdziwy problem pojawia się, gdy zgromadzi się zbyt wiele elektronów. Pole elektryczne między dwiema „ płytkami ” kondensatora może być tak intensywne, że powoduje rozpad woskowanego papieru, trwale uszkadzając kondensator:

W rzeczywistości kondensator nie jest już wykonany z folii cynowej i woskowanego papieru (już); używają lepszych materiałów. Ale wciąż istnieje punkt, „napięcie”, w którym izolator między dwiema równoległymi płytami psuje się, niszcząc urządzenie. Jest to maksymalne napięcie znamionowe DC kondensatora .

Pokażę, czy mogę dodać jeszcze jedną perspektywę do pozostałych 3 odpowiedzi.

Kondensatory działają jak krótkie przy wysokich częstotliwościach i otwarte przy niskich częstotliwościach.

Oto dwa przypadki:

Kondensator szeregowo z sygnałem

W tej sytuacji prąd przemienny może się przedostać, ale prąd stały jest zablokowany. Jest to powszechnie nazywane kondensatorem sprzęgającym.

Kondensator równolegle z sygnałem

W tej sytuacji prąd stały może się przedostać, ale prąd przemienny jest zwarty do masy, co powoduje jego zablokowanie. Jest to powszechnie nazywane kondensatorem odsprzęgającym.

Co to jest AC?

Użyłem terminów „High Freq” i „Low Freq” dość luźno, ponieważ tak naprawdę nie są z nimi związane żadne liczby. Zrobiłem to, ponieważ to, co jest uważane za niskie i wysokie, zależy od tego, co dzieje się w pozostałej części obwodu. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej na ten temat, przeczytaj o filtrach dolnoprzepustowych na Wikipedii lub niektórych z naszych pytań dotyczących filtrów RC .

Napięcie znamionowe

Napięcie, które widzisz w kondensatorach, to maksymalne napięcie, które możesz bezpiecznie przyłożyć do kondensatora, zanim zaczniesz ryzykować fizyczne uszkodzenie kondensatora. Czasami dzieje się to jako eksplozja, czasem ogień, a czasem po prostu robi się gorąco.

Wyjaśnienie polega na tym, że przeciwne ładunki przyciągają się. Kondensator to zwarta konstrukcja z 2 płytkami przewodzącymi oddzielonymi bardzo cienkim izolatorem. Jeśli położysz na nim prąd stały, jedna strona będzie naładowana dodatnio, a druga ujemnie. Oba ładunki przyciągają się, ale nie mogą przekroczyć bariery izolacyjnej. Nie ma przepływu prądu. To koniec historii dla DC.
W przypadku prądu zmiennego jest inaczej. Jedna strona będzie sukcesywnie naładowana dodatnio i ujemnie oraz przyciągnie ładunki ujemne i dodatnie odpowiednio. Tak więc zmiany po jednej stronie bariery wywołują zmiany po drugiej stronie, tak że wydaje się, że ładunki przechodzą przez barierę i że prąd skutecznie przepływa przez kondensator.

Naładowany kondensator jest zawsze naładowany prądem stałym, tzn. Jedna strona ma ładunki dodatnie, a druga ujemna. Ładunki te są magazynem energii elektrycznej , która jest niezbędna w wielu obwodach.

Maksymalne napięcie jest określone przez barierę izolacyjną. Powyżej określonego napięcia spowoduje awarię i spowoduje zwarcie. Może się to zdarzyć w przypadku prądu stałego, ale także prądu przemiennego.

Prostym sposobem myślenia o tym jest to, że szeregowy kondensator blokuje prąd stały, a równoległy kondensator pomaga utrzymać stałe napięcie.

Tak naprawdę są to dwa zastosowania tego samego zachowania - kondensator reaguje, próbując utrzymać napięcie na sobie. W przypadku szeregowym z przyjemnością usuwa się stałą różnicę napięcia, ale wszelkie nagłe zmiany z jednej strony zostaną przeniesione na drugą, aby utrzymać stałą różnicę napięcia. W przypadku równoległym każda nagła zmiana napięcia zostanie zareagowana.

Ilość ładunku powstającego na płytkach kondensatora o danym napięciu na jego zaciskach jest regulowana wzorem:

$Q = C \times V$ (ładowanie = pojemność * napięcie)

Różnicowanie obu stron (prąd jest pochodną czasową ładunku), daje:

$I = C \times \dfrac {dV}{dt}$ (prąd = pojemność * szybkość zmian napięcia)

Napięcie stałe jest takie samo jak powiedzenie .$\dfrac{dV}{dt} = 0$

Kondensator nie przepuszcza więc prądu przez napięcie stałe (tzn. Blokuje prąd stały).

Napięcie na płytkach kondensatora musi również zmieniać się w sposób ciągły, tak aby kondensatory powodowały „utrzymywanie” napięcia po ich naładowaniu, dopóki napięcie to nie zostanie rozładowane przez rezystancję. Dlatego bardzo powszechnym zastosowaniem kondensatorów jest stabilizacja napięć szyn i oddzielanie szyn od ziemi.

Napięcie znamionowe określa, ile napięcia można przyłożyć na płytki, zanim siły elektrostatyczne spowodują uszkodzenie właściwości materiału dielektrycznego między płytami, powodując jego uszkodzenie jako kondensator :).

To nie jest bardzo techniczna odpowiedź, ale jest to graficzne wytłumaczenie, które uważam za bardzo zabawne i proste:

Moja odpowiedź na takie pytania to zawsze „woda”. Woda przepływająca przez rury jest zaskakująco dokładną analogią do prądu przepływającego przez przewody. Prąd to ilość wody przepływającej przez rurę. Różnica napięcia staje się różnicą ciśnienia wody. Rury powinny leżeć płasko, aby grawitacja nie odgrywała żadnej roli.

W takiej analogii bateria jest pompą wodną, ​​a kondensator gumową membraną, która całkowicie blokuje rurę. DC to woda płynąca stale w jednym kierunku przez rurę. AC to woda płynąca cały czas tam iz powrotem.

Mając to na uwadze, powinno być oczywiste, że kondensator blokuje prąd stały: ponieważ membrana może rozciągać się tylko do tej pory, woda nie może po prostu płynąć w tym samym kierunku. Podczas rozciągania membrany nastąpi pewien przepływ (tj. Ładowanie kondensatora), ale w pewnym momencie staje się on wystarczająco rozciągnięty, aby całkowicie zrównoważyć ciśnienie wody, blokując w ten sposób dalszy przepływ.

Staje się również oczywiste, że kondensator nie blokuje całkowicie prądu przemiennego, ale zależy to od właściwości membrany. Jeśli membrana jest wystarczająco elastyczna (wysoka pojemność), nie będzie stanowić problemu dla szybkiego przepływu wody w tę iz powrotem. Jeśli membrana jest naprawdę dość sztywna (np. Cienki arkusz plastiku), odpowiada to niskiej pojemności, a jeśli woda płynie tam iz powrotem powoli, taki przepływ zostanie zablokowany, ale oscylacje o bardzo wysokiej częstotliwości nadal będą przez to przechodzić.

Ta analogia była dla mnie tak wyjątkowo przydatna, że ​​naprawdę zastanawiam się, dlaczego nie jest stosowana szerzej.

Po pierwsze, kondensator blokuje prąd stały i ma niższą impedancję na prąd przemienny, podczas gdy cewka indukcyjna ma tendencję do blokowania prądu przemiennego, ale bardzo łatwo przepuszcza prąd stały. Przez „blokowanie” rozumiemy, że oferuje on wysoką impedancję dla sygnału, o którym mówimy.

Najpierw jednak musimy zdefiniować kilka terminów, aby to wyjaśnić. Wiesz, co to jest opór, prawda? Opór jest przeciwieństwem przepływu prądu, który powoduje spalanie mocy mierzonej w watach. Nie ma znaczenia, czy prąd jest prądem przemiennym, czy stałym, moc rozproszona przez idealny rezystor jest taka sama dla obu.

Opór jest więc rodzajem „impedancji” przepływu prądu. Istnieją 2 inne - „reaktancja indukcyjna” i „reaktancja pojemnościowa”. Oba są również mierzone w omach, podobnie jak rezystancja, ale oba różnią się tym, że z jednej strony różnią się częstotliwością, a z drugiej strony nie zużywają mocy tak jak rezystancja. Tak więc razem istnieją 3 rodzaje impedancji - rezystancyjne, indukcyjne i pojemnościowe.

Ilość blokowania lub impedancji cewek w omach można określić przez:

Gdzie 2pi wynosi około 6,28, f jest częstotliwością (AC, oczywiście) sygnału, L jest indukcyjnością mierzoną w kurach, a gdzie „X sub L” jest reaktancją indukcyjną w omach.

Reaktancja indukcyjna to impedancja elementu wynikająca z indukcyjności; jest to rodzaj rezystancji, ale tak naprawdę nie pali mocy w watach, jak robi to rezystor, a ponieważ „f” dla częstotliwości wymaga podania, jej wartość zmienia się wraz z częstotliwością dla danego induktora.

Zauważ, że wraz ze wzrostem częstotliwości rośnie impedancja (oporność AC) w omach. I zauważ, że jeśli częstotliwość jest równa zeru, to również impedancja - częstotliwość zerowa oznacza prąd stały, więc cewki indukcyjne nie mają praktycznie żadnego oporu dla przepływu prądu stałego. Wraz ze wzrostem częstotliwości rośnie impedancja.

Kondensatory są przeciwne - wzór na reaktancję pojemnościową jest

Tutaj C oznacza pojemność czapki w faradach, „2pi” i „f” są takie same jak powyżej, a „X-sub-C” to reaktancja pojemnościowa w omach. Zauważ, że reaktancja jest tutaj „dzielona przez” częstotliwość i pojemność - skutkuje to wartościami impedancji, które maleją wraz z częstotliwością i pojemnością. Więc jeśli częstotliwość jest wysoka, impedancja będzie niska, a jeśli częstotliwość jest bliska zeru, czyli DC, impedancja będzie prawie nieskończona - innymi słowy, kondensatory blokują DC, ale przepuszczają AC, a im wyższa częstotliwość sygnał prądu przemiennego, tym mniejsza impedancja.

Postawię na podejście jakościowe na wynos o najkrótszej odpowiedzi:

W efekcie kondensator na szynach prądu stałego ma za zadanie zwarcie wszelkich sygnałów prądu przemiennego, które mogłyby dostać się na szyny zasilające, dzięki czemu ilość prądu przemiennego w obwodzie prądu stałego jest zmniejszona.

Napięcie znamionowe na czapce to maksymalne napięcie (suma prądu stałego i prądu przemiennego!), Które powinna widzieć czapka. Przekroczenie tego napięcia, a czapka ulegnie awarii.