Как конденсатор блокирует постоянный ток?

Я запутался с этим! Как конденсатор блокирует постоянный ток?

• Я видел много схем, использующих конденсаторы, питающиеся от источника постоянного тока. Итак, если конденсатор блокирует постоянный ток, зачем его использовать в таких цепях?
• Кроме того, номинальное напряжение упоминается как значение постоянного тока на конденсаторе. Что это значит?

Я думаю, что это поможет понять, как конденсатор блокирует постоянный ток (постоянный ток), в то же время позволяя переменный ток (переменный ток).

Начнем с самого простого источника постоянного тока - батареи:

Когда эта батарея используется для питания чего-либо, электроны втягиваются в сторону + батареи и выталкиваются в сторону - .

Давайте прикрепим несколько проводов к батарее:

Здесь еще нет законченной цепи (провода никуда не уходят), поэтому ток не течет.

Но это не значит, что не было никакого текущего потока. Видите ли, атомы в металле медной проволоки состоят из ядер атомов меди, окруженных их электронами. Может быть полезно думать о медной проволоке как о положительных ионах меди с электронами, плавающими вокруг:

Примечание: я использую символ е ^- для представления электрона

В металле очень легко толкать электроны. В нашем случае у нас есть аккумулятор. Это может фактически высосать некоторые электроны из провода:

Провод, прикрепленный к положительной стороне батареи, высасывает из нее электроны . Эти электроны затем выталкиваются с отрицательной стороны батареи в провод, присоединенный к отрицательной стороне.

Важно отметить, что батарея не может удалить все электроны. Электроны обычно притягиваются к положительным ионам, которые они оставляют позади; поэтому трудно удалить все электроны.

В конце наш красный провод будет иметь небольшой положительный заряд (потому что в нем отсутствуют электроны), а черный провод будет иметь небольшой отрицательный заряд (потому что у него есть дополнительные электроны).

Поэтому, когда вы впервые подключите аккумулятор к этим проводам, будет течь только небольшая часть тока. Батарея не может перемещать очень много электронов, поэтому ток течет очень быстро, а затем останавливается.

Если вы отсоединили батарею, перевернули ее и снова подключили: электроны в черном проводе засасываются в батарею и проталкиваются в красный провод. Еще раз будет только небольшое количество тока, и затем он остановится.

Проблема только с использованием двух проводов заключается в том, что у нас не так много электронов, чтобы их протолкнуть. Нам нужен большой запас электронов - большой кусок металла. Вот что такое конденсатор: большой кусок металла, прикрепленный к концам каждого провода.

С этим большим куском металла, есть намного больше электронов, которые мы можем легко перемещать. Теперь из «положительной» стороны может быть высосано намного больше электронов, а из «отрицательной» может быть вставлено намного больше электронов:

Поэтому, если вы примените источник переменного тока к конденсатору, часть этого тока будет течь, но через некоторое время у него закончатся электроны, и поток остановится. Это удачно для источника переменного тока, так как он затем переворачивается, и ток снова может течь.

Но почему конденсатор рассчитан на постоянное напряжение

Конденсатор - это не просто два куска металла. Другая конструктивная особенность конденсатора состоит в том, что он использует два куска металла очень близко друг к другу (представьте слой вощеной бумаги, зажатый между двумя листами оловянной фольги).

Причина, по которой они используют «оловянную фольгу», разделенную «вощеной бумагой», заключается в том, что они хотят, чтобы отрицательные электроны были очень близки к положительным «дырам», которые они оставили позади. Это приводит к тому, что электроны притягиваются к положительным «дырам»:

Поскольку электроны отрицательны, а «дыры» положительны, электроны притягиваются к дырам. Это заставляет электроны фактически оставаться там. Теперь вы можете извлечь аккумулятор, и конденсатор фактически удержит этот заряд.

Вот почему конденсатор может хранить заряд; электроны притягиваются к дырам, которые они оставили позади.

Но эта вощеная бумага не идеальный изолятор; это собирается позволить некоторую утечку. Но настоящая проблема возникает, если у вас накопилось слишком много электронов. Электрическое поле между двумя « пластинами » конденсатора может на самом деле становиться настолько интенсивным, что вызывает разрушение вощеной бумаги, что приводит к необратимому повреждению конденсатора:

На самом деле конденсатор не сделан из оловянной фольги и вощеной бумаги (больше); они используют лучшие материалы. Но есть еще точка, «напряжение», при которой изолятор между двумя параллельными пластинами разрушается, разрушая устройство. Это номинальное максимальное напряжение постоянного тока конденсатора .

Позвольте мне посмотреть, смогу ли я добавить еще одну перспективу к другим 3 ответам.

Конденсаторы действуют как короткие на высоких частотах и ​​разомкнутые на низких частотах.

Итак, вот два случая:

Конденсатор последовательно с сигналом

В этой ситуации AC может пройти, но DC заблокирован. Это обычно называется конденсатором связи.

Конденсатор параллельно с сигналом

В этой ситуации постоянный ток может пройти, но переменный ток замыкается на землю, что приводит к его блокировке. Это обычно называется развязывающим конденсатором.

Что такое АС?

Я использовал термины «Высокая частота» и «Низкая частота» довольно свободно, поскольку у них на самом деле нет никаких чисел, связанных с ними. Я сделал это, потому что то, что считается низким и высоким, зависит от того, что происходит в остальной части цепи. Если вы хотите узнать больше об этом, вы можете прочитать о фильтрах нижних частот в Википедии или некоторых из наших вопросов о фильтрах RC .

Уровень напряжения

Напряжение, которое вы видите на конденсаторах, - это максимальное напряжение, которое вы можете безопасно приложить к конденсатору, прежде чем вы начнете подвергаться риску физического разрушения конденсатора. Иногда это происходит как взрыв, иногда пожар, а иногда просто становится жарко.

Объяснение в том, что противоположные заряды притягивают друг друга. Конденсатор представляет собой компактную конструкцию из 2 проводящих пластин, разделенных очень тонким изолятором. Если вы установите DC на него, одна сторона будет заряжена положительно, а другая сторона отрицательно. Оба заряда притягивают друг друга, но не могут пройти через изолирующий барьер. Там нет текущего потока. Так что это конец истории для DC.
Для переменного тока это другое. Одна сторона будет последовательно заряжена положительно и отрицательно и привлечет отрицательные и положительные заряды, соответственно. Таким образом, изменения на одной стороне барьера провоцируют изменения на другой стороне, так что кажется, что заряды пересекают барьер, и этот ток эффективно протекает через конденсатор.

Заряженный конденсатор всегда заряжается постоянным током, то есть одна сторона имеет положительный заряд, а другая сторона отрицательный. Эти заряды являются хранилищем электрической энергии , которая необходима во многих цепях.

Максимальное напряжение определяется изолирующим барьером. При превышении определенного напряжения он сломается и создаст короткое замыкание. Это может происходить как при постоянном, так и при переменном токе.

Простой способ думать об этом состоит в том, что последовательный конденсатор блокирует постоянный ток, в то время как параллельный конденсатор помогает поддерживать постоянное напряжение.

Это на самом деле два приложения одного и того же поведения - конденсатор реагирует, пытаясь поддерживать постоянное напряжение на себе. В последовательном случае вполне удастся устранить постоянную разницу напряжений, но любое резкое изменение в одной стороне будет передаваться другой, чтобы поддерживать постоянную разницу напряжений. В параллельном случае любое резкое изменение напряжения будет реагировать на.

Количество заряда, которое развивается на пластинах конденсатора с заданным напряжением на его клеммах, определяется по формуле:

$Q = C \times V$ (заряд = емкость * напряжение)

Различая обе стороны (ток является производной по времени от заряда), получаем:

$I = C \times \dfrac {dV}{dt}$ (ток = емкость * скорость изменения напряжения)

Напряжение постоянного тока совпадает со значением .$\dfrac{dV}{dt} = 0$

Таким образом, конденсатор не позволяет току протекать через него для напряжения постоянного тока (т.е. он блокирует постоянный ток).

Напряжения по обкладками конденсатора также должны изменяться в непрерывном режиме, так что конденсаторы имеют эффект «держит» напряжение , как только они загружают в него, до тех пор , что напряжение не может быть выписан через сопротивление. Поэтому очень распространенным применением конденсаторов является стабилизация напряжений на шине и отсоединение рельсов от земли.

Номинальное напряжение - это то, какое напряжение вы можете приложить к пластинам до того, как электростатические силы разрушат свойства материала диэлектрического материала между пластинами, сделав его сломанным как конденсатор :).

Это не очень технический ответ, но это графическое объяснение, которое я нахожу очень забавным и простым:

Мой ответ на такие вопросы всегда "вода". Вода, текущая по трубам, является удивительно точной аналогией для тока, протекающего по проводам. Ток - это сколько воды течет по трубе. Разница в напряжении становится разницей в давлении воды. Трубы должны лежать плоско, так что гравитация не играет никакой роли.

В такой аналогии батарея - это водяной насос, а конденсатор - резиновая мембрана, которая полностью блокирует трубу. DC - это вода, постоянно протекающая в одном направлении по трубе. AC - это вода, текущая все время назад и вперед.

Имея это в виду, должно быть очевидно, что конденсатор блокирует постоянный ток: поскольку мембрана может только растягиваться, вода не может просто продолжать течь в том же направлении. Будет протекать некоторый поток, пока мембрана растягивается (т.е. заряжается конденсатор), но в какой-то момент она становится достаточно растянутой, чтобы полностью сбалансировать давление воды, таким образом блокируя любой дальнейший поток.

Становится также очевидным, что конденсатор не будет полностью блокировать переменный ток, но это зависит от свойств мембраны. Если мембрана достаточно эластична (высокая емкость), это не вызовет быстрого протекания воды назад и вперед. Если мембрана действительно довольно жесткая (например, тонкий лист пластика), это соответствует низкой емкости, и если вода медленно течет вперед и назад, такой поток будет блокироваться, но колебания с очень высокой частотой все равно будут проходить через него.

Эта аналогия настолько полезна для меня, что я действительно удивляюсь, почему она не используется более широко.

Во-первых, конденсатор блокирует постоянный ток и имеет более низкий импеданс переменного тока, в то время как индуктор имеет тенденцию блокировать переменный ток, но очень легко пропускает постоянный ток. Под «блокировкой» мы подразумеваем, что она обеспечивает высокий импеданс сигнала, о котором мы говорим.

Однако сначала нам нужно определить несколько терминов, чтобы объяснить это. Вы знаете, что такое сопротивление, верно? Сопротивление - это сопротивление току, которое приводит к сжиганию мощности, измеряемой в ваттах. Неважно, является ли ток переменным или постоянным, мощность, рассеиваемая идеальным резистором, одинакова для обоих.

Таким образом, сопротивление является одним из видов «импеданса» для тока. Есть еще 2 - «индуктивное сопротивление» и «емкостное сопротивление». Оба также измеряются в омах, как и сопротивление, но оба отличаются тем, что, с одной стороны, они изменяются с частотой, а с другой - они фактически не потребляют энергию, как сопротивление. Итак, все вместе, есть 3 вида импеданса - резистивный, индуктивный и емкостный.

Величина блокировки или импеданс индуктивности в омах может быть определена путем:

Где 2pi составляет приблизительно 6,28, f - частота (очевидно, переменного тока) сигнала, L - индуктивность, измеренная в Генри, а где "X sub L" - индуктивное сопротивление в омах.

Индуктивное сопротивление - это полное сопротивление компонента из-за индуктивности; это своего рода сопротивление, но на самом деле оно не потребляет мощность в ваттах, как резистор, и, поскольку необходимо подать «f» для частоты, ее значение изменяется в зависимости от частоты для данного индуктора.

Обратите внимание, что с увеличением частоты увеличивается и сопротивление (сопротивление переменного тока) в омах. И обратите внимание, что если частота равна нулю, то и сопротивление - нулевая частота означает постоянный ток, поэтому индукторы практически не имеют сопротивления потоку постоянного тока. И когда частота повышается, увеличивается и сопротивление.

Конденсаторы противоположны - формула для емкостного сопротивления

Здесь C - емкость цоколя в Фарадах, «2pi» и «f» такие же, как указано выше, а «X-sub-C» - емкостное реактивное сопротивление в омах. Обратите внимание, что здесь реактивное сопротивление «делится на» частоту и емкость - это приводит к значениям импеданса, которые уменьшаются с частотой и емкостью. Таким образом, если частота высокая, импеданс будет низким, а если частота близка к нулю, то есть постоянному току, импеданс будет почти бесконечным - другими словами, конденсаторы блокируют постоянный ток, но пропускают переменный ток, и чем выше частота сигнал переменного тока, тем меньше сопротивление к нему.

Я пойду за кратчайший качественный подход на вынос:

Конденсатор на рельсах постоянного тока, по сути, предназначен для короткого замыкания любых сигналов переменного тока, которые в противном случае могут попасть на рельсы питания, поэтому количество переменного тока в цепи постоянного тока уменьшается.

Номинальное напряжение на крышке - это максимальное напряжение (сумма постоянного и любого переменного тока!), Которое должна видеть крышка. Превышите это напряжение, и крышка потерпит неудачу.