Hvordan blokerer en kondensator DC?

Jeg tror det ville hjælpe at forstå hvordan en kondensator blokerer DC (jævnstrøm), mens den tillader AC (vekselstrøm).

Lad os starte med den enkleste kilde til DC, et batteri:

Når dette batteri bruges til at drive noget, trækkes elektroner ind i + side af batteriet og skubbet – side.

Lad os fastgøre nogle ledninger til batteriet:

Der er stadig ikke “et komplet kredsløb her (ledningerne går ikke overalt), så der er ingen strømflow.

Men det betyder ikke, at der ikke var nogen strøm. Ser du, atomerne i kobbertrådmetallet består af en kerne af kobberatomer, omgivet af deres elektroner. Det kan være nyttigt at tænke på kobbertråden som positive kobberioner, hvor elektroner flyder rundt:

Bemærk: Jeg bruger symbolet e ^– for at repræsentere en elektron

I et metal er det meget let at skubbe elektronerne rundt. I vores tilfælde har vi et batteri tilsluttet. Det er i stand til faktisk at suge nogle elektroner ud af ledningen:

Ledningen, der er fastgjort til positiv side af batteriet, har elektroner suget ud af det . Disse elektroner skubbes derefter ud negativ siden af batteriet ind i ledningen, der er fastgjort til den negative side.

Det er vigtigt at bemærke, at batteriet ikke kan fjerne alle elektroner. Elektronerne tiltrækkes generelt af de positive ioner, de efterlader; så det er svært at fjerne alle elektronerne.

I sidste ende vil vores røde ledning have en let positiv ladning (fordi den mangler elektroner) og den sorte ledning har en let negativ ladning (fordi den har ekstra elektroner).

Så når du først slutter batteriet til disse ledninger, er kun en lille bit af strøm flyder. Batteriet er ikke i stand til at flytte meget mange elektroner, så strømmen strømmer meget kort og stopper derefter.

Hvis du frakoblede batteriet, vendte det rundt og tilslutte det igen: elektroner i den sorte ledning ville blive suget ind i batteriet og skubbet ind i den røde ledning. Endnu en gang ville der kun en lille smule strøm strømme, og så ville det stoppe.

Problemet med bare at bruge to ledninger er, at vi ikke har meget mange elektroner til at skubbe rundt. Det, vi har brug for, er et stort lager af elektroner at lege med – et stort stykke metal. Det er, hvad en kondensator er: et stort stykke metal fastgjort til enderne af hver ledning.

Med dette store stykke metal er der mange flere elektroner, som vi let kan skubbe rundt. Nu ” positiv “side kan have en masse flere elektroner suget ud af den, og den” negative “side kan få en masse flere elektroner skubbet ind i den:

Så hvis du anvender en vekselstrøm strømkilde til en kondensator, får noget af denne strøm lov til at strømme, men efter et stykke tid vil den køre ud af elektroner til at skubbe rundt, og strømmen stopper. Dette er heldigt for vekselstrømskilden, da den derefter vender om, og strøm får lov til at strømme igen.

Men hvorfor er en kondensator klassificeret i jævnstrøm

En kondensator er ikke kun to metalstykker. Et andet designfunktion ved kondensatoren er, at den bruger to metalskår meget tæt på hinanden (forestil dig et lag vokspapir, der er klemt mellem to ark tinfolie).

Årsagen til, at de bruger “tinfolie” adskilt af “vokspapir”, er fordi de ønsker, at de negative elektroner skal være meget tæt på de positive “huller”, de har efterladt. Dette får elektronerne til at blive tiltrukket af de positive “huller”:

Fordi elektronerne er negative og “hullerne” er positive, elektronerne tiltrækkes af hullerne. Dette får elektronerne til at blive der. Du kan nu fjerne batteriet, og kondensatoren vil faktisk holde den opladning.

Dette er grunden til, at en kondensator kan gemme en opladning; elektroner tiltrækkes af hullerne, de efterlod.

Men det vokspapir er ikke en perfekt isolator; det tillader noget lækage. Men det virkelige problem kommer, hvis du har for mange elektroner stablet op. Det elektriske felt mellem kondensatorens to “ plader ” kan faktisk blive så intenst, at det forårsager en nedbrydning af vokspapiret og permanent beskadiger kondensatoren:

I virkeligheden er en kondensator ikke lavet af tinfolie og vokspapir (længere); de bruger bedre materialer. Men der er stadig et punkt, en ” spænding “, hvor isolatoren mellem de to parallelle plader bryder sammen og ødelægger enheden. Dette er kondensatorens nominelle maksimum DC spænding.

Kommentarer

• +1 En god forklaring, billeder og bygger på eksempler.
• +1. En af de bedste forklaringer, jeg har ‘ nogensinde har læst på kondensatorer.
• En god forklaring, men det gør det ikke ‘ t besvar OP ‘ s spørgsmål direkte: Med AC har du en øjeblikkelig variation i spændingen. På hvert punkt i vekselstrømsbølgen varierer spændingen, og når du har en kondensator i ckt, kan denne ændring / variation i spænding transmitteres over dielektrikummet til den anden side / plat via et elektrisk felt af varierende intensitet. Derfor strømmer strømmen i kredsløbet, selvom dielektriciteten er en isolator til strømmen af elektroner.
• Du skal tænke på dette i form af bølger med elektroner / molekylær polarisering, der fungerer som et middel / medium for bølger.
• @Fennekin Kondensatorer tillader ikke jævnstrøm at flyde, uanset om det er alene eller seriekoblet eller parallelt forbundet. Men igen, at ‘ er i stabil tilstand. Der vil stadig være et indledende rush af noget strøm; om de er forbundet i serie, parallelt eller alene.

Lad mig se, om jeg kan tilføje et andet perspektiv til de andre 3 svar.

Kondensatorer fungerer som en kort ved høje frekvenser og en åben ved lave frekvenser.

Så her er to tilfælde:

Kondensator i serie med signal

I denne situation er AC i stand til at komme igennem, men DC er blokeret. Dette kaldes almindeligvis en koblingskondensator.

Kondensator parallelt med signal

I denne situation er DC i stand til at komme igennem, men AC kortsluttes til jorden, hvilket får den til at blive blokeret. Dette kaldes almindeligvis en afkoblingskondensator.

Hvad er AC?

Jeg har brugt betegnelserne “Høj frekv.” Og “Lav frekv.” Temmelig løst, da de ikke rigtig har nogen numre forbundet med dem. Jeg gjorde det, fordi det, der betragtes som lavt og højt, afhænger af hvad der foregår i resten af Hvis du vil lære mere om dette, kan du læse om lavpasfiltre på Wikipedia eller nogle af vores RC filter spørgsmål.

Spændingsværdi

Den spænding, du ser med kondensatorer, er den maksimale spænding, du sikkert kan anvende på kondensatoren, før du begynder at løbe risikoen for, at kondensatoren fysisk går i stykker. Nogle gange sker dette som en eksplosion, nogle gange ild eller nogle gange bare bliver varm.

Kommentarer

• Kellen, jeg sætter pris på din brug af billeder, men jeg mangler et svar på spørgsmålet hvordan hætten blokerer DC. Du siger bare, at det gør det.
• @Stevenvh Jeg følte den forvirring, som OP havde, handlede ikke om fysikken i, hvordan den blokerer DC, men snarere hvorfor den bruges, hvis den blokerer DC. Plus, jeg regnede med, at dit svar gjorde det ret godt at forklare det på et mere fysisk niveau og troede ikke ‘, at jeg kunne forklare den del bedre end dig.

Forklaringen er, at modsatte ladninger tiltrækker hinanden. En kondensator er en kompakt konstruktion med 2 ledende plader adskilt af en meget tynd isolator. Hvis du sætter DC på det, vil den ene side være positivt ladet og den anden side negativt. Begge ladninger tiltrækker hinanden, men kan ikke passere den isolerende barriere. Der er ingen strøm. Så det er slutningen på historien til DC.
For AC er det anderledes. Den ene side vil successivt være positivt og negativt ladet og tiltrække negative og positive ladninger resp. Så ændringer på den ene side af barrieren fremkalder ændringer på den anden side, så det vises at ladningerne krydser barrieren, og den strøm strømmer effektivt gennem kondensatoren.

En ladet kondensator er altid jævnstrømsopladet, dvs. den ene side har de positive ladninger og den anden den negative. Disse opladninger er et lager til elektrisk energi , hvilket er nødvendigt i mange kredsløb.

Den maksimale spænding bestemmes af den isolerende barriere. Over en bestemt spænding går det i stykker og skaber en kortslutning. Det kan ske under DC, men også under AC.

En enkel måde at tænke på det er, at en seriekondensator blokerer DC, mens en parallel kondensator hjælper med at opretholde en konstant spænding.

Dette er virkelig to anvendelser af samme opførsel – en kondensator reagerer for at prøve at holde spændingen over sig selv konstant. I seriens tilfælde er det ganske glad for at fjerne en konstant spændingsforskel, men enhver pludselig ændring på den ene side vil blive sendt til den anden for at holde spændingsforskellen konstant. I det parallelle tilfælde vil enhver pludselig ændring i spænding være reagerede på.

Kommentarer

• dejligt simpelt svar, kudos

Dette er ikke et meget teknisk svar, men det er en grafisk forklaring, som jeg finder meget morsom og enkel:

Kommentarer

• Ja, dejligt, men du ‘ får i problemer, hvis du faktisk prøver at forklare den AC-sti! 🙂
• @stevenvh ja, selvfølgelig ved jeg det ‘ er lidt dumt, men jeg ‘ har har altid fundet det klogt 🙂
• Det er et underligt svar: D: D: D: D
• Faktisk hjalp det mig meget at forstå klart, hvad der er en kondensator. Tak u!

Mængden af opladning, der udvikler sig på tværs af pladerne på en kondensator med en given spænding på tværs af dets terminaler styres af formlen:

\ $ Q = C \ gange V \ $ (ladning = kapacitans * spænding)

Differentiering af begge sider (strøm er tidsderivatet af opladning), giver:

\ $ I = C \ gange \ dfrac {dV} {dt} \ $ (strøm = kapacitans * ændringshastigheden i spænding)

DC spænding er det samme som at sige \ $ \ dfrac {dV} {dt} = 0 \ $.

Så en kondensator tillader ingen strøm at strømme “gennem” den for jævnstrømsspænding (dvs. den blokerer jævnstrøm). / p>

Spændingen over pladerne på en kondensator skal også ændre sig kontinuerligt, så kondensatorer har den effekt at “holde” en spænding, når de først er ladet op til den spænding kan aflades gennem en modstand. En meget almindelig anvendelse af kondensatorer er derfor stabilisering af skinnespændinger og afkobling af skinner fra jorden.

Spændingsvurderingen er, hvor meget spænding du kan anvende på tværs af pladerne, før de elektrostatiske kræfter nedbryder materialets egenskaber dielektrisk materiale mellem pladerne, der gør det brudt som en kondensator :).

Mit svar på sådanne spørgsmål er altid “vand “. Vand, der strømmer gennem rør, er en overraskende nøjagtig analogi til strøm, der strømmer gennem ledninger. Strøm er hvor meget vand der strømmer gennem et rør. Spændingsforskel bliver forskellen i vandtryk. Rørene skal ligge fladt, så tyngdekraften ikke spiller nogen rolle.

I en sådan analogi er et batteri en vandpumpe, og en kondensator er en gummimembran som helt blokerer røret. DC strømmer vand konstant i en retning gennem et rør. AC strømmer vand frem og tilbage hele tiden.

Med dette i tankerne bør det være indlysende, at en kondensator blokerer DC: da membranen kun kan strække sig så langt, kan vand ikke bare fortsætte med at flyde i samme retning. Der vil være en vis strømning, mens membranen strækker sig (dvs. kondensatoren oplades), men på et tidspunkt bliver den strakt nok til fuldstændigt at balancere vandtrykket og dermed blokere enhver yderligere strømning.

Det bliver også tydeligt, at en kondensator ikke blokerer AC fuldstændigt, men det afhænger af membranegenskaberne.Hvis membranen er tilstrækkelig elastisk (høj kapacitans), udgør den ingen udfordring for vand, der strømmer hurtigt frem og tilbage. Hvis membranen virkelig er stiv (f.eks. Et tyndt plastikark), svarer dette til lav kapacitans, og hvis vandet strømmer langsomt frem og tilbage, vil en sådan strømning blive blokeret, men meget højfrekvente svingninger vil stadig gøre det igennem. / p>

Denne analogi har været så usædvanlig nyttig for mig, at jeg virkelig undrer mig over, hvorfor den ikke bruges mere bredt.

Kommentarer

• En ven hjalp mig med at forstå, hvorfor denne analogi ikke bruges bredere: tilsyneladende har han lige så lidt intuition til vandgennemstrømning i rør, som han gør for strømgennemstrømning i ledninger!

Først og fremmest blokerer en kondensator DC og har en lavere impedans til AC, mens en induktor har en tendens til at blokere AC, men alligevel passerer DC meget let. Ved at “blokere” betyder, end det giver en høj impedans til det signal, vi taler om.

Først skal vi dog definere et par udtryk for at forklare dette. Du ved hvad modstand er, ikke? Modstand er modstanden mod strømmen, der resulterer i afbrænding af strøm målt i watt. Det betyder ikke noget, om strømmen er vekselstrøm eller jævnstrøm, den effekt, der spredes af en perfekt modstand, er den samme mængde for begge.

Så modstand er en slags “impedans” til strømflowet. Der er 2 andre – “induktiv reaktans” og “kapacitiv reaktans”. Begge måles også i ohm, som modstand, men begge er forskellige ved, at de for det første varierer med frekvens, og for en anden bruger de faktisk ikke strøm, som en modstand gør. Så alt sammen er der 3 slags af impedans – resistiv, induktiv og kapacitiv.

Mængden af blokering eller impedans af induktorer i ohm kan bestemmes af:

$$ X_L = 2 \ pi fL $$

Hvor 2pi er cirka 6,28, f er frekvensen (AC, åbenbart) for et signal, er L induktansen målt i henries, og hvor “X sub L” er den induktive reaktans i ohm.

Induktiv reaktans er impedansen til en komponent på grund af induktans; den er en slags modstand, men forbrænder faktisk ikke effekt i watt som en modstand, og da “f” for frekvens skal leveres, er værdien af det varierer med frekvensen for en given induktor.

Bemærk, at når frekvensen stiger, gør impedansen (AC-modstanden) også i ohm. Og bemærk, at hvis frekvensen er lig med nul, så gør impedansen det også – en frekvens på nul betyder DC, så induktorer har stort set ingen modstand mod DC-strømstrøm. Og når frekvensen stiger, gør impedansen det også.

Kondensatorer er det modsatte – formlen for kapacitiv reaktans er

$$ X_C = \ frac {1} {2 \ pi fC} $$

Her er C kapacitansen af hætten i farader, “2pi” og “f” er de samme som ovenfor, og “X-sub-C” er den kapacitive reaktans i ohm . Bemærk, at her er reaktansen “en divideret med” frekvensen og kapacitansen – dette resulterer i impedansværdier, der falder ned med frekvens og kapacitans. Så hvis frekvensen er høj, vil impedansen være lav, og hvis frekvensen er nær nul, hvilket er DC, vil impedansen være næsten uendelig – med andre ord, kondensatorer blokerer DC, men passerer AC, og jo højere frekvensen af AC-signalet, jo mindre er impedansen til det.

Jeg vil gå til det korteste svar, kvalitativt tage -væk tilgang:

En kondensator på tværs af jævnstrømsskinner er der for at kortslutte eventuelle vekselstrømsignaler, der ellers kan komme på forsyningsskinnerne, så mængden af vekselstrøm på tværs af din jævnstrøm > kredsløb reduceres.

Spændingsvurderingen på en hætte er den maksimale spænding (summen af jævnstrøm og enhver AC til stede!) som hætten skal se. Overstiger denne spænding og loftet mislykkes.