Hur blockerar en kondensator DC?

Jag tror att det skulle hjälpa att förstå hur en kondensator blockerar likström (likström) samtidigt som den tillåter växelström (växelström).

Låt oss börja med den enklaste källan till likström, ett batteri:

När detta batteri används för att driva något dras elektroner in i + sidan av batteriet och tryckte ut – sida.

Låt oss fästa några kablar till batteriet:

Det finns fortfarande ingen komplett krets här (ledningarna går inte någonstans), så det finns inget strömflöde.

Men det betyder inte att det inte fanns något strömflöde. Ser du, atomerna i koppartrådsmetallen består av kärnor av kopparatomerna, omgivna av deras elektroner. Det kan vara till hjälp att tänka på koppartråden som positiva kopparjoner, med elektroner som flyter runt:

Obs: Jag använder symbolen e ^– för att representera en elektron

I en metall är det mycket lätt att trycka elektronerna runt. I vårt fall har vi ett batteri anslutet. Det kan faktiskt suga några elektroner ur tråden:

Tråden fäst vid positiv sida av batteriet har elektroner sugda ut av det . Dessa elektroner trycks sedan ut negativ sidan av batteriet in i kabeln som är fäst vid den negativa sidan.

Det är viktigt att notera att batteriet inte kan ta bort alla elektroner. Elektronerna lockas generellt av de positiva jonerna de lämnar efter sig; så det är svårt att ta bort alla elektroner.

Till slut kommer vår röda tråd att ha en liten positiv laddning (orsakar att den saknas elektroner) och den svarta ledningen kommer att ha en liten negativ laddning (eftersom den har extra elektroner).

Så när du först ansluter batteriet till dessa ledningar är bara en liten bit av ström kommer att strömma. Batteriet kan inte flytta väldigt många elektroner, så strömmen flyter mycket kort och stannar sedan.

Om du kopplade bort batteriet, snedde det runt och återanslutte det: elektroner i den svarta ledningen skulle sugas in i batteriet och skjutas in i den röda ledningen. Återigen skulle det bara vara en liten mängd strömflöde och sedan skulle det sluta. / p>

Problemet med att bara använda två ledningar är att vi inte har så många elektroner att trycka runt. Vad vi behöver är en stor elektronikbutik att spela med – en stor metallkul. Det är vad en kondensator är: en stor bit metall fäst i ändarna på varje tråd.

Med denna stora metallbit finns det mycket fler elektroner som vi lätt kan trycka runt. Nu ” Positiv ”sida kan få mycket fler elektroner sugs ut ur den, och den” negativa ”sidan kan få mycket fler elektroner tryckta in i den:

Så om du använder en växelströmskälla på en kondensator, kommer en del av den strömmen att få strömma, men efter en stund kommer den att gå av elektroner för att trycka runt, och flödet kommer att stoppa. Detta är tur för växelströmskällan, eftersom den sedan vänder och ström får strömma en gång till.

Men varför är en kondensator klassad i likspänning

En kondensator är inte bara två metallhunkar. En annan designfunktion hos kondensatorn är att den använder två metallhackar mycket nära varandra (föreställ dig ett lager vaxpapper inklämt mellan två ark tennfolie).

Anledningen till att de använder ”tennfolie” åtskilda av ”vaxat papper” beror på att de vill att de negativa elektronerna ska vara mycket nära de positiva ”hålen” de lämnade. Detta gör att elektronerna attraheras av de positiva ”hålen”:

Eftersom elektronerna är negativa och ”hålen” är positiva, elektronerna dras till hålen. Detta gör att elektronerna faktiskt stannar där. Du kan nu ta bort batteriet och kondensatorn faktiskt håller den laddningen.

Det är därför en kondensator kan lagra en laddning; elektroner attraheras av hålen de lämnade.

Men det vaxade papperet är inte en perfekt isolator, det kommer att tillåta viss läckage. Men det verkliga problemet kommer om du har för många elektroner staplade upp. Det elektriska fältet mellan de två ” plattorna ” på kondensatorn kan faktiskt bli så intensivt att det orsakar en nedbrytning av vaxpapperet och permanent skadar kondensatorn:

I själva verket är en kondensator inte tillverkad av tennfolie och vaxpapper (längre); de använder bättre material. Men det finns fortfarande en punkt, en ” spänning ”, där isolatorn mellan de två parallella plattorna går sönder och förstör enheten. Detta är kondensatorns nominella maximala DC spänning.

Kommentarer

• +1 En bra förklaring, bilder och bygger på exempel.
• +1. En av de bästa förklaringarna som jag ’ någonsin har läst på kondensatorer.
• En bra förklaring men den ’ t svara på OP ’ s fråga på ett direkt sätt: Med växelström har du en omedelbar variation i spänningen. Vid varje punkt i AC-vågen varierar spänningen och när du har en kondensator i ckt kan denna förändring / variation i spänning överföras över dielektrikumet till andra sidan / plat via ett elektriskt fält med varierande intensitet. Därför strömmar ström i kretsen även om dielektriket är en isolator till elektronflödet.
• Du måste tänka på detta i termer av vågor med elektroner / molekylär polarisering som fungerar som ett medel / medium för vågor.
• @Fennekin Kondensatorer tillåter inte likström att flyta vare sig ensam, eller seriekopplad eller parallellkopplad. Men, igen, att ’ är i stadigt tillstånd. Det kommer fortfarande att vara ett första rush av lite ström; om de är kopplade i serie, parallellt eller ensamma.

Låt mig se om jag kan lägga till ett perspektiv till de andra tre svaren.

Kondensatorer fungerar som en kort vid höga frekvenser och en öppen vid låga frekvenser.

Så här är två fall:

Kondensator i serie med signal

I denna situation kan AC komma igenom, men DC är blockerad. Detta kallas vanligtvis en kopplingskondensator.

Kondensator parallellt med signalen

I den här situationen kan DC komma igenom, men växelström kortsluts till jord och blockeras. Detta kallas vanligtvis en frikopplingskondensator.

Vad är AC?

Jag har använt termerna ”High Freq” och ”Low Freq” ganska löst eftersom de inte har några siffror associerade med dem. Jag gjorde det för vad som anses vara lågt och högt beror på vad som händer i resten av Om du vill lära dig mer om detta kan du läsa om lågpassfilter på Wikipedia eller några av våra RC filter frågor.

Spänningsvärde

Spänningen som du ser med kondensatorer är den maximala spänningen som du säkert kan applicera på kondensatorn innan du börjar riskera att kondensatorn fysiskt går sönder. Ibland händer detta som en explosion, ibland brand eller ibland bara blir het.

Kommentarer

• Kellen, jag uppskattar din användning av bilder, men jag jag saknar ett svar på frågan hur locket blockerar DC. Du säger bara att det gör det.
• @Stevenvh Jag kände att förvirringen som OP hade hade inte handlade om fysiken för hur den blockerar DC utan snarare varför den används om den blockerar DC. Plus jag tänkte att ditt svar gjorde ganska bra med att förklara det på en mer fysisk nivå och tänkte inte ’ att jag kunde förklara den delen bättre än du.

Förklaringen ligger i det faktum att motsatta laddningar lockar varandra. En kondensator är en kompakt konstruktion med två ledande plattor åtskilda av en mycket tunn isolator. Om du sätter DC på den kommer ena sidan att vara positivt laddad och den andra sidan negativt. Båda laddningarna lockar varandra men kan inte passera den isolerande barriären. Det finns inget strömflöde. Så det är slutet på berättelsen för DC.
För AC är det annorlunda. En sida kommer successivt att vara positivt och negativt laddad och locka negativa och positiva laddningar resp. Så förändringar på ena sidan av barriären framkallar förändringar på andra sidan, så att det visas att laddningarna passerar barriären, och den strömmen rinner effektivt genom kondensatorn.

En laddad kondensator är alltid DC-laddad, dvs. en sida har de positiva laddningarna och den andra sidan den negativa. Dessa laddningar är ett -lagring för elektrisk energi , vilket är nödvändigt i många kretsar.

Den maximala spänningen bestäms av den isolerande barriären. Över en viss spänning kommer det att gå sönder och skapa en kortslutning. Det kan hända under DC men också under AC.

Ett enkelt sätt att tänka på det är att en seriekondensator blockerar DC, medan en parallell kondensator hjälper till att upprätthålla en stadig spänning.

Detta är egentligen två applikationer av samma beteende – en kondensator reagerar för att försöka hålla spänningen över sig själv konstant. I seriefallen är det ganska glad att ta bort en stadig spänningsskillnad, men varje plötslig förändring på ena sidan kommer att passera till den andra för att hålla spänningsskillnaden konstant. reagerade på.

Kommentarer

• trevligt enkelt svar, kudos

Detta är inte ett särskilt tekniskt svar, men det är en grafisk förklaring som jag tycker är väldigt rolig och enkel:

Kommentarer

• Ja, trevligt, men du ’ får i trubbel om du faktiskt försöker förklara den AC-vägen! 🙂
• @stevenvh ja, naturligtvis vet jag det ’ är lite dumt, men jag ’ har tyckte alltid att det var smart 🙂
• Det är ett konstigt svar: D: D: D: D: D
• Det hjälpte mig faktiskt mycket att förstå tydligt vad som är en kondensator. Tack!

Mängden laddning som utvecklas över plattorna på en kondensator med en given spänning över dess terminaler styrs av formeln:

\ $ Q = C \ gånger V \ $ (laddning = kapacitans * spänning)

Differentiering av båda sidor (ström är tidsderivatet av laddning), ger:

\ $ I = C \ times \ dfrac {dV} {dt} \ $ (ström = kapacitans * förändringshastigheten i spänning)

DC-spänning är samma som att säga \ $ \ dfrac {dV} {dt} = 0 \ $.

Så en kondensator tillåter ingen ström att strömma ”genom” den för likspänning (dvs den blockerar likström). / p>

Spänningen över plattorna på en kondensator måste också ändras kontinuerligt, så kondensatorer har effekten att ”hålla upp” en spänning när de är laddade till den, tills det spänning kan urladdas genom ett motstånd. En mycket vanlig användning för kondensatorer är därför att stabilisera skenspänningar och koppla från skenor från marken.

Spänningen är hur mycket spänning du kan applicera över plattorna innan de elektrostatiska krafterna bryter ner materialegenskaperna hos dielektriskt material mellan plattorna som gör att den går sönder som en kondensator :).

Mitt svar på sådana frågor är alltid ”vatten ”. Vatten som strömmar genom rör är en överraskande noggrann analogi för ström som strömmar genom ledningar. Ström är hur mycket vatten som rinner genom ett rör. Spänningsskillnad blir skillnaden i vattentryck. Rören ska ligga platt så att tyngdkraften inte spelar någon roll.

I en sådan analogi är ett batteri en vattenpump och en kondensator är en gummimembran vilket helt blockerar röret. DC strömmar vatten ständigt i en riktning genom ett rör. AC strömmar vatten fram och tillbaka hela tiden.

Med detta i åtanke bör det vara uppenbart att en kondensator blockerar DC: eftersom membranet bara kan sträcka sig så långt, kan vattnet inte bara fortsätta att strömma i samma riktning. Det kommer att finnas något flöde medan membranet sträcker sig (dvs. kondensatorn laddas), men vid ett tillfälle blir det tillräckligt sträckt för att balansera vattentrycket fullständigt, vilket blockerar ytterligare flöde.

blir också uppenbart att en kondensator inte blockerar AC helt, men det beror på membranegenskaperna.Om membranet är tillräckligt töjbart (hög kapacitans) utgör det ingen utmaning för vatten som rinner snabbt fram och tillbaka. Om membranet är riktigt ganska styvt (t.ex. ett tunt plastark) motsvarar detta låg kapacitans, och om vattnet rinner långsamt fram och tillbaka kommer ett sådant flöde att blockeras, men mycket högfrekventa svängningar kommer fortfarande att klara igenom. / p>

Denna analogi har varit så exceptionellt användbar för mig att jag verkligen undrar varför den inte används bredare.

Kommentarer

• En vän hjälpte mig att förstå varför denna analogi inte används i större utsträckning: tydligen har han lika lite intuition för vattenflöde i rör som för strömflöden i ledningar!

För det första blockerar en kondensator likström och har en lägre impedans till växelström, medan en induktor tenderar att blockera växelström men ändå passerar likström mycket lätt. Genom att ”blockera” menar än att det ger en hög impedans för signalen vi pratar om.

Först måste vi dock definiera några termer för att förklara detta. Du vet vad motstånd är, eller hur? Motstånd är motståndet mot strömflödet som resulterar i förbränning av kraft, mätt i watt. Det spelar ingen roll om strömmen är växelström eller likström, effekten som släpps av ett perfekt motstånd är lika mycket för antingen.

Så motstånd är en typ av ”impedans” för strömflödet. Det finns 2 andra – ”induktiv reaktans” och ”kapacitiv reaktans”. Båda mäts också i ohm, som motstånd, men båda skiljer sig åt, för det ena, de varierar med frekvens, och för det andra förbrukar de faktiskt inte kraft som ett motstånd gör. Så tillsammans finns det tre slag av impedans – resistiv, induktiv och kapacitiv.

Mängden blockering eller impedans av induktorer i ohm kan bestämmas av:

$$ X_L = 2 \ pi fL $$

Där 2pi är ungefär 6,28, f är frekvensen (AC, uppenbarligen) för en signal, är L induktansen uppmätt i henries, och där ”X sub L” är den induktiva reaktansen i ohm.

Induktiv reaktans är impedansen hos en komponent på grund av induktans, det är ett slags motstånd, men bränner faktiskt inte effekt i watt som ett motstånd gör, och eftersom ”f” för frekvens måste matas, är värdet av det varierar med frekvensen för en given induktor.

Lägg märke till att när frekvensen går upp så ökar impedansen (AC-motstånd) i ohm. Och observera att om frekvensen är lika med noll, då gör också impedansen – frekvensen noll betyder DC, så induktorer har praktiskt taget inget motstånd mot likströmsflödet. Och när frekvensen går upp ökar också impedansen.

Kondensatorer är motsatta – formeln för kapacitiv reaktans är

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

Här är C kapacitansen hos locket i farader, ”2pi” och ”f” är desamma som ovan, och ”X-sub-C” är den kapacitiva reaktansen i ohm . Lägg märke till att här är reaktansen ”en dividerad med” frekvensen och kapacitansen – detta resulterar i impedansvärden som går ner med frekvens och kapacitans. Så om frekvensen är hög kommer impedansen att vara låg, och om frekvensen är nära noll, vilket är DC, kommer impedansen att vara nästan oändlig – med andra ord, kondensatorer blockerar DC, men passerar AC, och ju högre frekvensen av AC-signalen desto mindre impedans för den.

Jag ska gå för det kortaste svaret kvalitativt ta – borta tillvägagångssätt:

En kondensator över likströmsskenor finns där för att korta eventuella växelströmsignaler som annars skulle kunna komma in i matningsskenorna, så mängden växelström över din DC kretsen reduceras.

Spänningen på ett lock är den maximala spänningen (summan av DC och vilken växelström som finns!) som locket ska se. Överskrid denna spänning och taket misslyckas.