Hvordan blokkerer en kondensator DC?

Jeg tror det vil hjelpe å forstå hvordan en kondensator blokkerer DC (likestrøm) mens den tillater AC (vekselstrøm).

La oss starte med den enkleste kilden til DC, et batteri:

Når dette batteriet brukes til å drive noe, trekkes elektroner inn i + side av batteriet, og dyttet ut – side.

La oss feste noen ledninger til batteriet:

Det er fortsatt ikke en komplett krets her (ledningene går ikke hvor som helst), så det er ingen strømstrøm.

Men det betyr ikke at det ikke var noen strøm. Ser du, atomene i kobbertrådsmetallet består av en kjerne av kobberatomene, omgitt av elektronene deres. Det kan være nyttig å tenke på kobbertråden som positive kobberioner, med elektroner som flyter rundt:

Merk: Jeg bruker symbolet e ^– for å representere et elektron

I et metall er det veldig enkelt å skyve elektronene rundt. I vårt tilfelle har vi et batteri festet. Den er i stand til å suge noen elektroner ut av ledningen:

Ledningen festet til positiv side av batteriet har elektroner sugd ut av det . Disse elektronene skyves deretter ut negative siden av batteriet inn i ledningen festet til den negative siden.

Det er viktig å merke seg at batteriet ikke kan fjerne alle elektronene. Elektronene tiltrekkes generelt av de positive ionene de etterlater seg; så det er vanskelig å fjerne alle elektronene.

Til slutt vil den røde ledningen vår ha en liten positiv ladning (fordi den mangler elektroner), og den svarte ledningen vil ha en liten negativ ladning (fordi den har ekstra elektroner).

Så når du først kobler batteriet til disse ledningene, er det bare en liten bit av strøm vil strømme. Batteriet er ikke i stand til å flytte veldig mange elektroner, så strømmen flyter veldig kort, og stopper deretter.

Hvis du koblet fra batteriet, snudde det rundt og koblet det på nytt: elektroner i den svarte ledningen ville bli sugd inn i batteriet og dyttet inn i den røde ledningen. Nok en gang ville det bare være en liten mengde strøm, og da ville det stoppe. / p>

Problemet med å bare bruke to ledninger er at vi ikke har veldig mange elektroner å skyve rundt. Det vi trenger er en stor butikk med elektroner å leke med – en stor metallkule. Det er hva en kondensator er: et stort stykke metall festet til endene av hver ledning.

Med dette store metallstykket er det mange flere elektroner vi enkelt kan skyve rundt. Nå positiv «side kan ha mye flere elektroner sugd ut av den, og den» negative «siden kan ha mye mer elektroner presset inn i den:

Så hvis du bruker en vekselstrømskilde til en kondensator, vil noe av den aktuelle strømmen få strøm, men etter en stund vil den kjøre ut av elektroner for å presse seg rundt, og strømmen vil stoppe. Dette er heldig for vekselstrømskilden, siden den da snur, og strøm får strømme igjen.

Men hvorfor er en kondensator klassifisert i likestrøm

En kondensator er ikke bare to metallhunker. Et annet design ved kondensatoren er at den bruker to metallhull veldig nær hverandre (forestill deg et lag vokspapir som er klemt mellom to ark tinnfolie).

Årsaken til at de bruker «tinnfolie» atskilt med «vokspapir» er fordi de vil at de negative elektronene skal være veldig nær de positive «hullene» de etterlot seg. Dette fører til at elektronene tiltrekkes av de positive «hullene»:

Fordi elektronene er negative , og «hullene» er positive, elektronene tiltrekkes av hullene. Dette fører til at elektronene faktisk blir der. Du kan nå fjerne batteriet, og kondensatoren vil faktisk holde den ladningen.

Dette er grunnen til at en kondensator kan lagre en ladning; elektroner blir tiltrukket av hullene de etterlot seg.

Men det vokspapiret er ikke en perfekt isolator; det vil tillate noe lekkasje. Men det virkelige problemet kommer hvis du har for mange elektroner stablet opp. Det elektriske feltet mellom kondensatorens to « plater » kan faktisk bli så intenst at det forårsaker en sammenbrudd av vokspapiret, og skader kondensatoren permanent:

I virkeligheten er en kondensator ikke laget av tinnfolie og vokspapir (lenger); de bruker bedre materialer. Men det er fortsatt et poeng, en » spenning «, der isolatoren mellom de to parallelle platene går i stykker og ødelegger enheten. Dette er kondensatorens nominelle maksimum DC spenning.

Kommentarer

• +1 En flott forklaring, bilder og å bygge videre på eksempler.
• +1. En av de beste forklaringene jeg ‘ noen gang har lest på kondensatorer.
• En god forklaring, men det gjør det ikke ‘ t svar på OP ‘ spørsmål direkte: Med AC har du en øyeblikkelig variasjon i spenningen. På hvert punkt i vekselstrømsbølgen varierer spenningen, og når du har en kondensator i ckt, kan denne endringen / spenningsvariasjonen overføres over dielektrikumet til den andre siden / plat via et elektrisk felt av varierende intensitet. Derfor strømmer strømmen i kretsen, selv om dielektriket er en isolator til strømmen av elektroner.
• Du må tenke på dette i form av bølger med elektroner / molekylær polarisering som fungerer som et middel / medium for bølger.
• @Fennekin Kondensatorer lar ikke likestrøm strømme enten alene, eller seriekoblet eller koblet parallelt. Men igjen, at ‘ er i jevn tilstand. Det vil fremdeles være et innledende rush med noe strøm; om de er koblet i serie, parallelt eller alene.

La meg se om jeg kan legge til ett perspektiv til de andre 3 svarene.

Kondensatorer fungerer som en kort ved høye frekvenser og en åpen ved lave frekvenser.

Så her er to tilfeller:

Kondensator i serie med signal

I denne situasjonen er AC i stand til å komme gjennom, men DC er blokkert. Dette kalles ofte en koblingskondensator.

Kondensator parallelt med signalet

I denne situasjonen er DC i stand til å komme gjennom, men AC kortsluttes til bakken og forårsaker at den blir blokkert. Dette kalles ofte en frakoblingskondensator.

Hva er AC?

Jeg har brukt begrepene «High Freq» og «Low Freq» ganske løst da de ikke egentlig har noen tall knyttet til dem. Jeg gjorde dette fordi det som regnes som lavt og høyt, avhenger av hva som skjer i resten av Hvis du vil lære mer om dette, kan du lese om lavpasfilter på Wikipedia eller noen av RC filter spørsmål.

Spenningsgrad

Spenningen du ser med kondensatorer er den maksimale spenningen du trygt kan bruke på kondensatoren før du begynner å risikere at kondensatoren fysisk går i stykker. Noen ganger skjer dette som en eksplosjon, noen ganger brann eller noen ganger bare blir varm. p>

Kommentarer

• Kellen, jeg setter pris på at du bruker bilder, men jeg mangler et svar på spørsmålet hvordan hetten blokkerer DC. Du sier bare at det gjør det.
• @Stevenvh Jeg følte forvirringen som OP hadde, handlet ikke om fysikken i hvordan den blokkerer DC, men heller hvorfor den brukes hvis den blokkerer DC. I tillegg skjønte jeg at svaret ditt gjorde det ganske bra å forklare det på et mer fysisk nivå, og trodde ikke ‘ at jeg kunne forklare den delen bedre enn deg.

Forklaringen ligger i at motsatte ladninger tiltrekker hverandre. En kondensator er en kompakt konstruksjon av to ledende plater skilt av en veldig tynn isolator. Hvis du setter DC på den ene siden, vil den være positivt ladet og den andre siden negativt. Begge ladningene tiltrekker hverandre, men kan ikke passere den isolerende barrieren. Det er ingen strøm. Så det er slutten på historien til DC.
For AC er det annerledes. Den ene siden vil suksessivt være positivt og negativt ladet, og tiltrekke seg negative og positive ladninger resp. Så endringer på den ene siden av barrieren provoserer endringer på den andre siden, slik at det dukker opp at ladningene krysser barrieren, og at strømmen effektivt strømmer gjennom kondensatoren.

En ladet kondensator er alltid DC-ladet, dvs. at den ene siden har de positive ladningene og den andre siden den negative. Disse ladningene er en lagring for elektrisk energi , som er nødvendig i mange kretser.

Maksimal spenning bestemmes av den isolerende barrieren. Over en viss spenning vil det gå i stykker og skape kortslutning. Det kan skje under DC, men også under AC.

En enkel måte å tenke på det er at en seriekondensator blokkerer DC, mens en parallell kondensator hjelper til med å opprettholde en jevn spenning.

Dette er egentlig to applikasjoner av samme oppførsel – en kondensator reagerer for å prøve å holde spenningen over seg selv konstant. I serietilfellet er det ganske fornøyd å fjerne en jevn spenningsforskjell, men enhver brå endring på den ene siden vil bli ført til den andre for å holde spenningsforskjellen konstant. reagerte på.

Kommentarer

• fint enkelt svar, kudos

Dette er ikke veldig teknisk svar, men det er en grafisk forklaring som jeg synes er veldig morsom og enkel:

Kommentarer

• Ja, fint, men du ‘ får i trøbbel hvis du faktisk prøver å forklare den vekselstrømsveien! 🙂
• @stevenvh ja, selvfølgelig vet jeg det ‘ er litt dumt, men jeg ‘ har har alltid funnet det lurt 🙂
• Det er et merkelig svar: D: D: D: D: D
• Egentlig hjalp det meg mye å forstå klart hva som er kondensator. Takk u!

Mengden ladning som utvikler seg over platene til en kondensator med en gitt spenning over terminalene styres av formelen:

\ $ Q = C \ ganger V \ $ (ladning = kapasitans * spenning)

Differensiering av begge sider (strøm er tidsderivatet av charge), gir:

\ $ I = C \ times \ dfrac {dV} {dt} \ $ (strøm = kapasitans * endringshastigheten i spenning)

DC spenning er det samme som å si \ $ \ dfrac {dV} {dt} = 0 \ $.

Så en kondensator tillater ingen strøm å strømme «gjennom» den for DC-spenning (dvs. den blokkerer DC).

Spenningen over platene til en kondensator må også endres kontinuerlig, slik at kondensatorer har effekten av å «holde» en spenning når de er ladet til den, til det spenning kan ledes ut gjennom en motstand. En veldig vanlig bruk for kondensatorer er derfor å stabilisere skinnespenninger og koble skinner fra bakken.

Spenningsgraden er hvor mye spenning du kan bruke over platene før de elektro-statiske kreftene bryter ned materialegenskapene til dielektrisk materiale mellom platene som gjør det ødelagt som kondensator :).

Mitt svar på slike spørsmål er alltid «vann «. Vann som strømmer gjennom rør er en overraskende nøyaktig analogi for strøm som strømmer gjennom ledninger. Strøm er hvor mye vann som strømmer gjennom et rør. Spenningsforskjell blir forskjellen i vanntrykk. Rørene skal ligge flate, slik at tyngdekraften ikke spiller noen rolle.

I en slik analogi er et batteri en vannpumpe, og en kondensator er en gummimembran som helt blokkerer røret. DC strømmer vann kontinuerlig i en retning gjennom et rør. AC strømmer vann frem og tilbake hele tiden.

Med tanke på dette, bør det være åpenbart at en kondensator blokkerer DC: siden membranen bare kan strekke seg så langt, kan vannet ikke bare fortsette å strømme i samme retning. Det vil være noe strøm mens membranen strekker seg (dvs. kondensatoren lades), men på et tidspunkt blir den strukket nok til å balansere vanntrykket fullstendig, og dermed blokkere ytterligere strømning.

Det blir også tydelig at en kondensator ikke vil blokkere AC helt, men det avhenger av membranegenskapene.Hvis membranen er tilstrekkelig tøyelig (høy kapasitans), vil den ikke utgjøre noen utfordring for vann som strømmer raskt frem og tilbake. Hvis membranen virkelig er stiv (f.eks. Et tynt plastplate), tilsvarer dette lav kapasitans, og hvis vannet strømmer sakte frem og tilbake, vil en slik strøm bli blokkert, men svingninger med svært høy frekvens vil fremdeles gjøre det. / p>

Denne analogien har vært så usedvanlig nyttig for meg at jeg virkelig lurer på hvorfor den ikke brukes mer.

Kommentarer

• En venn hjalp meg med å forstå hvorfor denne analogien ikke brukes i større grad: tilsynelatende har han like lite intuisjon for vannføring i rør som for strømstrøm i ledninger!

For det første blokkerer en kondensator DC og er lavere impedans til AC, mens en induktor har en tendens til å blokkere AC, men likevel passerer DC veldig enkelt. Ved «blocking» mener enn det gir høy impedans til signalet vi snakker om.

Først må vi imidlertid definere noen få begreper for å forklare dette. Du vet hva motstand er, ikke sant? Motstand er motstanden mot strømmen som resulterer i forbrenning av kraft, målt i watt. Det spiller ingen rolle om strømmen er vekselstrøm eller likestrøm, kraften som ledes av en perfekt motstand er den samme mengden for begge.

Så motstand er en slags «impedans» for strømstrømmen. Det er 2 andre – «induktiv reaktans» og «kapasitiv reaktans». Begge måles også i ohm, som motstand, men begge er forskjellige fordi de for det første varierer med frekvens, og for en annen bruker de ikke strøm som en motstand gjør. Så alt sammen er det tre typer av impedans – resistiv, induktiv og kapasitiv.

Mengden av blokkering eller impedans av induktorer i ohm kan bestemmes av:

$$ X_L = 2 \ pi fL $$

Hvor 2pi er omtrent 6,28, f er frekvensen (AC, åpenbart) for et signal, er L induktansen målt i henries, og der «X sub L» er den induktive reaktansen i ohm.

Induktiv reaktans er impedansen til en komponent på grunn av induktans; den er en slags motstand, men brenner faktisk ikke effekt i watt som en motstand gjør, og siden «f» for frekvens må tilføres, må verdien av det varierer med frekvensen for en gitt induktor.

Legg merke til at når frekvensen går opp, øker også impedansen (AC-motstand) i ohm. Og legg merke til at hvis frekvensen er lik null, så gjør også impedansen – frekvensen null betyr likestrøm, så induktorer har praktisk talt ingen motstand mot likestrømstrøm. Og når frekvensen øker, øker også impedansen.

Kondensatorer er det motsatte – formelen for kapasitiv reaktans er

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

Her er C kapasitansen til hetten i farader, «2pi» og «f» er de samme som ovenfor, og «X-sub-C» er den kapasitive reaktansen i ohm . Legg merke til at her er reaktansen «en delt på» frekvensen og kapasitansen – dette resulterer i impedansverdier som går ned med frekvens og kapasitans. Så hvis frekvensen er høy, vil impedansen være lav, og hvis frekvensen er nær null, som er DC, vil impedansen være nesten uendelig – med andre ord, kondensatorer blokkerer DC, men passerer AC, og jo høyere frekvensen av vekselstrømssignalet, jo mindre er impedansen til det.

Jeg vil gå for det korteste svaret kvalitativt ta -avvik tilnærming:

En kondensator over likestrømsskinner er der for å kortslutte vekselstrømssignaler som ellers kan komme på forsyningsskinnene, så mengden vekselstrøm over din likestrøm kretsen reduseres.

Spenningen på en hette er den maksimale spenningen (summen av DC og hvilken vekselstrøm som er tilstede!) som hetten skal se. Overskride denne spenningen og hetten mislykkes.