Hoe blokkeert een condensator gelijkstroom?

Ik denk dat het zou helpen om te begrijpen hoe een condensator DC (gelijkstroom) blokkeert terwijl AC (wisselstroom) wordt toegestaan.

Laten we beginnen met de eenvoudigste bron van DC, een batterij:

Wanneer deze batterij wordt gebruikt om iets van stroom te voorzien, worden elektronen naar de + kant van de batterij, en de – kant.

Laten we wat draden aan de batterij bevestigen:

Er is hier nog geen volledig circuit (de draden gaan nergens heen), dus er loopt geen stroom.

Maar dat betekent niet dat er geen enige stroom was. Zie je, de atomen in het koperdraadmetaal bestaan uit een kernen van de koperatomen, omgeven door hun elektronen. Het kan handig zijn om de koperdraad te zien als positieve koperionen, waarbij elektronen rondzweven:

Opmerking: Ik gebruik het symbool e ^– om een elektron te vertegenwoordigen

In een metaal is het heel gemakkelijk om de elektronen rond te duwen. In ons geval hebben we een batterij bevestigd. Het is in staat om enkele elektronen uit de draad te zuigen:

De draad die is bevestigd aan de positieve kant van de batterij heeft elektronen eruit gezogen . Die elektronen worden vervolgens uit de negatieve kant van de batterij geduwd in de draad die aan de negatieve kant is bevestigd.

Het is belangrijk op te merken dat de batterij niet alle elektronen kan verwijderen. De elektronen worden over het algemeen aangetrokken door de positieve ionen die ze achterlaten; dus het is moeilijk om alle elektronen te verwijderen.

Uiteindelijk zal onze rode draad een lichte positieve lading hebben (omdat er elektronen ontbreken), en de zwarte draad zal een lichte negatieve lading hebben (omdat het extra elektronen heeft).

Dus wanneer u de batterij voor het eerst op deze draden aansluit, is alleen een klein beetje stroom zal stromen. De batterij is niet in staat om veel elektronen te verplaatsen, dus de stroom vloeit heel kort, en stopt dan.

Als je hebt de batterij losgekoppeld, omgedraaid en weer aangesloten: elektronen in de zwarte draad zouden in de batterij worden gezogen en in de rode draad worden geduwd. Opnieuw zou er maar een heel klein beetje stroom vloeien en dan zou het stoppen. / p>

Het probleem met het gebruik van slechts twee draden is dat we niet veel elektronen hebben om rond te duwen. Wat we nodig hebben is een grote voorraad elektronen om mee te spelen – een groot stuk metaal. Dat is wat een condensator is: een groot stuk metaal dat aan de uiteinden van elke draad is bevestigd.

Met dit grote stuk metaal zijn er veel meer elektronen die we gemakkelijk kunnen rondduwen. positieve “kant kan veel meer elektronen eruit gezogen hebben, en de” negatieve “kant kan veel meer elektronen erin geduwd hebben:

Dus als je een wisselstroom stroombron aan een condensator toevoegt, zal een deel van die stroom kunnen stromen, maar na een tijdje zal het lopen uit elektronen om rond te duwen, en de stroom zal stoppen. Dit is een geluk voor de wisselstroombron, aangezien deze dan omkeert en de stroom weer mag stromen.

Maar waarom is een condensator nominaal in DC volt

Een condensator is niet zomaar twee brokken metaal. Een ander ontwerpkenmerk van de condensator is dat deze twee stukken metaal zeer dicht bij elkaar gebruikt (stel je een laag waspapier voor die tussen twee vellen aluminiumfolie is ingeklemd).

De reden dat ze “aluminiumfolie” gebruiken, gescheiden door “waspapier”, is omdat ze willen dat de negatieve elektronen zeer dicht bij de positieve “gaten” zijn die ze hebben achtergelaten. Dit zorgt ervoor dat de elektronen worden aangetrokken door de positieve “gaten”:

Omdat de elektronen negatief zijn , en de “gaten” positief zijn, worden de elektronen door de gaten aangetrokken. Dit zorgt ervoor dat de elektronen daar daadwerkelijk blijven. U kunt nu de batterij verwijderen en de condensator zal die lading vasthouden.

Dit is waarom een condensator een lading kan opslaan; elektronen worden aangetrokken door de gaten die ze achterlieten.

Maar dat vetvrij papier is geen perfecte isolator; het zal enige lekkage toelaten. Maar het echte probleem komt als je te veel elektronen hebt opgestapeld. Het elektrische veld tussen de twee “ platen ” van de condensator kan zelfs zo intens worden dat het een storing van het waspapier veroorzaakt, waardoor de condensator permanent wordt beschadigd:

In werkelijkheid is een condensator niet (meer) gemaakt van aluminiumfolie en vetvrij papier; ze gebruiken betere materialen. Maar er is nog een punt, een ” voltage “, waar de isolator tussen de twee parallelle platen kapot gaat, waardoor het apparaat kapot gaat. Dit is het nominale maximum van de condensator DC voltage.

Reacties

• +1 Een geweldige uitleg, afbeeldingen en voortbouwen op voorbeelden.
• +1. Een van de beste verklaringen die ik ‘ heb gelezen over condensatoren.
• Een goede uitleg, maar ‘ t beantwoord de OP ‘ vraag op een directe manier: met AC heb je een onmiddellijke variatie in de spanning. Op elk punt van de AC-golf varieert de spanning en als je een condensator in de ckt hebt, kan deze verandering / variatie in spanning over het diëlektricum naar de andere kant / plaat worden overgedragen via een elektrisch veld met variërende intensiteit. Daarom vloeit er stroom in het circuit, ook al is het diëlektricum een isolator voor de elektronenstroom.
• Je moet dit zien in termen van golven waarbij elektronen / moleculaire polarisatie als een middel / medium voor golven fungeren.
• @Fennekin Condensatoren laten geen gelijkstroom stromen, hetzij alleen, hetzij in serie of parallel geschakeld. Maar nogmaals, dat ‘ is in de stabiele toestand. Er zal nog steeds een eerste stroom wat stroom zijn; of ze nu in serie, parallel of alleen zijn aangesloten.

Laat me kijken of ik kan toevoegen nog een perspectief op de andere 3 antwoorden.

Condensatoren werken als een kortsluiting bij hoge frequenties en een open bij lage frequenties.

Dus hier zijn twee gevallen:

Condensator in serie met signaal

In deze situatie kan AC erdoor komen, maar is DC geblokkeerd. Dit wordt gewoonlijk een koppelcondensator genoemd.

Condensator parallel aan signaal

In deze situatie kan DC erdoor komen, maar is AC kortgesloten naar aarde waardoor het wordt geblokkeerd. Dit wordt gewoonlijk een ontkoppelingscondensator genoemd.

Wat is AC?

Ik heb de termen Hoge freq en Lage freq nogal losjes gebruikt, omdat er niet echt cijfers aan zijn gekoppeld. Ik deed dit omdat wat als laag en hoog wordt beschouwd, afhangt van wat er in de rest van de circuit. Als je hier meer over wilt weten, kun je lezen over laagdoorlaatfilters op Wikipedia of een deel van onze RC-filter vragen.

Voltageclassificatie

De spanning die je ziet bij condensatoren is de maximale spanning die je veilig op de condensator kunt zetten voordat je het risico loopt dat de condensator fysiek kapot gaat. Soms gebeurt dit als een explosie, soms brand, of soms wordt het gewoon heet.

Reacties

• Kellen, ik waardeer je gebruik van afbeeldingen, maar ik m mist een antwoord op de vraag hoe de cap DC blokkeert. Je zegt gewoon dat het zo is.
• @Stevenvh Ik voelde dat de verwarring die het OP had niet ging over de fysica van hoe het DC blokkeert, maar eerder waarom het wordt gebruikt als het DC blokkeert. Bovendien dacht ik dat je antwoord het redelijk goed deed om het op een meer fysiek niveau uit te leggen en ik dacht niet dat ik dat deel beter zou kunnen uitleggen dan jij, ‘.

De verklaring ligt in het feit dat tegengestelde ladingen elkaar aantrekken. Een condensator is een compacte constructie van 2 geleidende platen gescheiden door een zeer dunne isolator. Als je er DC op plaatst, wordt de ene kant positief geladen en de andere kant negatief. Beide ladingen trekken elkaar aan maar kunnen de isolerende barrière niet passeren. Er loopt geen stroom. Dus dat is het einde van het verhaal voor DC.
Voor AC is het anders. De ene kant zal achtereenvolgens positief en negatief geladen zijn, en negatieve en positieve ladingen aantrekken resp. Dus veranderingen aan de ene kant van de barrière veroorzaken veranderingen aan de andere kant, zodat het lijkt dat de ladingen de barrière passeren, en die stroom vloeit effectief door de condensator.

Een geladen condensator is altijd gelijkstroom geladen, d.w.z. de ene kant heeft de positieve ladingen en de andere kant de negatieve. Deze ladingen zijn een opslag voor elektrische energie , die nodig is in veel circuits.

De maximale spanning wordt bepaald door de isolerende barrière. Boven een bepaalde spanning zal het stuk gaan en kortsluiting veroorzaken. Dat kan gebeuren onder gelijkstroom maar ook onder wisselstroom.

Een eenvoudige manier om erover na te denken is dat een seriecondensator blokkeert DC, terwijl een parallelle condensator helpt om een constante spanning te behouden.

Dit zijn eigenlijk twee toepassingen van hetzelfde gedrag – een condensator reageert om te proberen de spanning over zichzelf constant te houden. In het seriegeval is het best blij om een constant spanningsverschil te verwijderen, maar elke abrupte verandering aan de ene kant zal worden doorgegeven aan de andere om het spanningsverschil constant te houden. In het parallelle geval zal elke abrupte verandering in spanning worden op gereageerd.

Reacties

• leuk eenvoudig antwoord, complimenten

Dit is geen erg technisch antwoord, maar het is een grafische uitleg die ik erg grappig en eenvoudig vind:

Reacties

• Ja, leuk, maar je ‘ zal in de problemen als u dat AC-pad echt probeert uit te leggen! 🙂
• @stevenvh ja, natuurlijk weet ik het ‘ een beetje dom, maar ik ‘ ve vond het altijd slim 🙂
• Het is een raar antwoord: D: D: D: D: D: D
• Het heeft me eigenlijk veel geholpen om duidelijk te begrijpen wat een condensator is. Dank u!

De hoeveelheid lading die zich ontwikkelt over de platen van een condensator met een bepaalde spanning over zijn aansluitingen wordt bepaald door de formule:

\ $ Q = C \ maal V \ $ (lading = capaciteit * spanning)

Het differentiëren van beide zijden (stroom is de tijdsafgeleide van charge), geeft:

\ $ I = C \ times \ dfrac {dV} {dt} \ $ (current = capaciteit * de snelheid waarmee de spanning verandert)

Gelijkspanning is hetzelfde als zeggen \ $ \ dfrac {dV} {dt} = 0 \ $.

Dus een condensator laat er geen stroom “door” lopen voor gelijkspanning (dwz hij blokkeert gelijkstroom).

De spanning over de platen van een condensator moet ook continu veranderen, dus condensatoren hebben het effect dat ze een spanning “vasthouden” zodra ze erop zijn opgeladen, tot dat moment spanning kan worden ontladen via een weerstand. Een veelvoorkomend gebruik voor condensatoren is daarom het stabiliseren van railspanningen en het ontkoppelen van rails van aarde.

De nominale spanning is hoeveel spanning u over de platen kunt toepassen voordat de elektrostatische krachten de materiaaleigenschappen van de platen afbreken. diëlektrisch materiaal tussen de platen waardoor het kapot gaat als een condensator :).

Mijn antwoord op dergelijke vragen is altijd “water “. Water dat door leidingen stroomt, is een verrassend nauwkeurige analogie voor stroom die door draden vloeit. Stroom is hoeveel water er door een buis stroomt. Spanningsverschil wordt het verschil in waterdruk. De leidingen horen plat te liggen, zodat de zwaartekracht geen rol speelt.

In een dergelijke analogie is een batterij een waterpomp en een condensator een rubberen membraan dat de pijp volledig blokkeert. DC is water dat constant in één richting door een buis stroomt. AC is water dat de hele tijd heen en weer stroomt.

Met dit in gedachten zou het duidelijk moeten zijn dat een condensator DC blokkeert: aangezien het membraan maar zo ver kan uitrekken, kan water niet gewoon blijven stromen in dezelfde richting. Er zal wat stroming zijn terwijl het membraan uitrekt (dwz de condensator wordt opgeladen), maar op een gegeven moment wordt het voldoende uitgerekt om de waterdruk volledig in evenwicht te brengen, waardoor verdere stroming wordt geblokkeerd.

ook wordt duidelijk dat een condensator AC niet volledig blokkeert, maar het hangt wel af van de membraaneigenschappen.Als het membraan voldoende rekbaar is (hoge capaciteit), zal het water dat snel heen en weer stroomt geen uitdaging vormen. Als het membraan echt nogal stijf is (bijvoorbeeld een dunne laag plastic), komt dit overeen met een lage capaciteit, en als het water langzaam heen en weer stroomt, wordt een dergelijke stroming geblokkeerd, maar oscillaties met zeer hoge frequentie komen er nog steeds doorheen. / p>

Deze analogie is zo buitengewoon nuttig voor mij geweest dat ik me echt afvraag waarom het niet “op grotere schaal wordt gebruikt.

Opmerkingen

• Een vriend hielp me begrijpen waarom deze analogie niet breder wordt gebruikt: blijkbaar heeft hij net zo weinig intuïtie voor waterstroming in leidingen als voor stroomstroming in draden!

Ten eerste blokkeert een condensator gelijkstroom en heeft deze een lagere impedantie dan wisselstroom, terwijl een inductor de neiging heeft wisselstroom te blokkeren en toch gelijkstroom zeer gemakkelijk door te laten. Door te “blokkeren”, bedoel dan dat het een hoge impedantie biedt voor het signaal waar we het over hebben.

Maar eerst moeten we een paar termen definiëren om dit uit te leggen. Je weet wat weerstand is, toch? Weerstand is het verzet tegen de stroom die resulteert in het verbranden van vermogen, gemeten in watt. Het maakt niet uit of de stroom AC of DC is, het vermogen dat wordt gedissipeerd door een perfecte weerstand is voor beide evenveel.

Dus weerstand is een soort “impedantie” voor de stroom. Er zijn nog 2 andere – “inductieve reactantie” en “capacitieve reactantie”. Beide worden ook gemeten in ohm, net als weerstand, maar beide verschillen in die zin dat ze ten eerste variëren met de frequentie, en voor een ander dat ze niet echt stroom verbruiken zoals een weerstand dat doet. Dus alles bij elkaar zijn er 3 soorten van impedantie – resistief, inductief en capacitief.

De hoeveelheid blokkering of impedantie van inductoren in ohm kan worden bepaald door:

$$ X_L = 2 \ pi fL $$

Waar 2pi ongeveer 6,28 is, is f de frequentie (AC, uiteraard) van een signaal, L is de inductantie gemeten in henries, en waar “X sub L” de inductieve reactantie in ohm is.

Inductieve reactantie is de impedantie van een component als gevolg van inductie; het is een soort weerstand, maar verbrandt niet echt vermogen in watt zoals een weerstand doet, en aangezien “f” voor frequentie moet worden geleverd, is de waarde daarvan varieert met de frequentie voor een bepaalde inductor.

Merk op dat naarmate de frequentie stijgt, de impedantie (wisselstroomweerstand) in ohm toeneemt. En merk op dat als de frequentie gelijk is aan nul, dan doet de impedantie dat ook – een frequentie van nul betekent gelijkstroom, dus smoorspoelen hebben vrijwel geen weerstand tegen gelijkstroom. En naarmate de frequentie stijgt, neemt ook de impedantie toe.

Condensatoren zijn het tegenovergestelde – de formule voor capacitieve reactantie is

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

Hier is C de capaciteit van de dop in farads, “2pi” en “f” zijn hetzelfde als hierboven en “X-sub-C” is de capacitieve reactantie in ohm . Merk op dat hier de reactantie “één gedeeld door” de frequentie en de capaciteit is – dit resulteert in impedantiewaarden die afnemen met frequentie en capaciteit. Dus als de frequentie hoog is, zal de impedantie laag zijn, en als de frequentie bijna nul is, wat gelijkstroom is, zal de impedantie bijna oneindig zijn – met andere woorden, condensatoren blokkeren gelijkstroom, maar laten wisselstroom door, en hoe hoger de frequentie van het AC-signaal, des te minder de impedantie ervan.

Ik ga voor de kortste kwalitatieve take -weg-benadering:

Een condensator over DC-rails is er in feite om alle AC-signalen die anders op de voedingsrails terecht zouden komen, kort te sluiten, dus de hoeveelheid AC over uw DC circuit is gereduceerd.

De nominale spanning op een kap is de maximale spanning (som van DC en eventuele AC aanwezig!) die de kap zou moeten zien. Overschrijd deze spanning en de cap zal mislukken.