Wie blockiert ein Kondensator Gleichstrom?

Ich bin damit verwechselt! Wie blockiert ein Kondensator DC?

• Ich habe viele Schaltungen mit Kondensatoren gesehen, die von einer Gleichstromversorgung gespeist werden. Also, wenn der Kondensator Gleichstrom sperrt, warum sollte er in solchen Schaltkreisen verwendet werden?
• Die Nennspannung wird auch als Gleichstromwert am Kondensator angegeben. Was bedeutet es?

Ich denke, es wäre hilfreich zu verstehen, wie ein Kondensator DC (Gleichstrom) blockiert und AC (Wechselstrom) zulässt.

Beginnen wir mit der einfachsten Gleichstromquelle, einer Batterie:

Wenn diese Batterie verwendet wird, um etwas mit Strom zu versorgen, werden Elektronen in die + Seite der Batterie gezogen und aus der - Seite herausgedrückt.

Lassen Sie uns ein paar Kabel an die Batterie anschließen:

Hier gibt es immer noch keinen vollständigen Stromkreis (die Drähte verlaufen nirgendwo), daher fließt kein Strom.

Das heißt aber nicht, dass kein Strom fließt. Sie sehen, die Atome im Kupferdrahtmetall bestehen aus einem Kern der Kupferatome, umgeben von ihren Elektronen. Es kann hilfreich sein, sich den Kupferdraht als positive Kupferionen vorzustellen, in denen Elektronen schweben:

Hinweis: Ich benutze das Symbol e ^- , um ein Elektron darzustellen

In einem Metall ist es sehr einfach, die Elektronen herumzuschieben. In unserem Fall haben wir eine Batterie angeschlossen. Es kann tatsächlich einige Elektronen aus dem Draht saugen :

An dem Draht, der an der positiven Seite der Batterie angebracht ist, werden Elektronen herausgesaugt . Diese Elektronen werden dann aus der negativen Seite der Batterie in den Draht gedrückt, der an der negativen Seite angebracht ist.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Batterie nicht alle Elektronen entfernen kann. Die Elektronen werden im Allgemeinen von den positiven Ionen angezogen, die sie zurücklassen. Daher ist es schwierig, alle Elektronen zu entfernen.

Am Ende hat unser roter Draht eine leicht positive Ladung (weil ihm Elektronen fehlen), und der schwarze Draht hat eine leicht negative Ladung (weil er zusätzliche Elektronen hat).

Wenn Sie die Batterie zum ersten Mal an diese Drähte anschließen, fließt nur wenig Strom. Die Batterie kann nicht sehr viele Elektronen bewegen, daher fließt der Strom sehr kurz und stoppt dann.

Wenn Sie die Batterie abklemmen, umdrehen und wieder anschließen, werden die Elektronen im schwarzen Draht in die Batterie gesaugt und in den roten Draht gedrückt. Es würde wieder nur eine winzige Strommenge fließen, und dann würde es aufhören.

Das Problem bei der Verwendung von nur zwei Drähten ist, dass wir nicht sehr viele Elektronen zum Herumschieben haben. Wir brauchen einen großen Vorrat an Elektronen, mit denen wir spielen können - ein großes Stück Metall. Das ist ein Kondensator: ein großes Stück Metall, das an den Enden jedes Drahtes befestigt ist.

Mit diesem großen Stück Metall gibt es viel mehr Elektronen, die wir leicht herumschubsen können. Jetzt können auf der "positiven" Seite viel mehr Elektronen herausgesaugt und auf der "negativen" Seite viel mehr Elektronen hineingedrückt werden:

Wenn Sie also eine Wechselstromquelle an einen Kondensator anlegen, kann ein Teil dieses Stroms fließen, aber nach einer Weile gehen ihm die Elektronen aus, um sich herumzudrücken, und der Fluss stoppt. Dies ist für die Wechselstromquelle ein Glück, da sie sich dann umkehrt und der Strom erneut fließen kann.

Aber warum ist ein Kondensator in Gleichspannung ausgelegt?

Ein Kondensator besteht nicht nur aus zwei Metallteilen. Ein weiteres Konstruktionsmerkmal des Kondensators besteht darin, dass zwei Metallteile sehr nahe beieinander liegen (stellen Sie sich eine Schicht Wachspapier vor, die sich zwischen zwei Folienbögen befindet).

Der Grund, warum sie "Zinnfolie" verwenden, die durch "Wachspapier" getrennt ist, ist, dass die negativen Elektronen sehr nahe an den positiven "Löchern" sein sollen, die sie zurückgelassen haben. Dadurch werden die Elektronen von den positiven "Löchern" angezogen:

Da die Elektronen negativ und die "Löcher" positiv sind, werden die Elektronen von den Löchern angezogen. Dadurch bleiben die Elektronen tatsächlich dort. Sie können nun die Batterie entfernen und der Kondensator wird diese Ladung tatsächlich halten .

Aus diesem Grund kann ein Kondensator eine Ladung speichern. Elektronen werden von den Löchern angezogen, die sie zurückgelassen haben.

Aber dieses Wachspapier ist kein perfekter Isolator. Es wird ein gewisses Leck zulassen . Das eigentliche Problem tritt jedoch auf, wenn zu viele Elektronen aufgestapelt sind. Das elektrische Feld zwischen den beiden " Platten " des Kondensators kann tatsächlich so stark werden, dass das Wachspapier zusammenbricht und der Kondensator dauerhaft beschädigt wird:

In Wirklichkeit besteht ein Kondensator nicht mehr aus Zinnfolie und Wachspapier. Sie verwenden bessere Materialien. Aber es gibt immer noch einen Punkt, eine "Spannung", an dem der Isolator zwischen den beiden parallelen Platten zusammenbricht und das Gerät zerstört. Dies ist die maximale DC- Nennspannung des Kondensators .

Lassen Sie mich sehen, ob ich den anderen 3 Antworten eine weitere Perspektive hinzufügen kann.

Kondensatoren wirken bei hohen Frequenzen wie ein Kurzschluss und bei niedrigen Frequenzen wie eine Unterbrechung.

Also hier sind zwei Fälle:

Kondensator in Reihe mit Signal

In dieser Situation kann AC durchkommen, DC ist jedoch blockiert. Dies wird üblicherweise als Koppelkondensator bezeichnet.

Kondensator parallel zum Signal

In dieser Situation ist DC in der Lage, durchzudringen, aber AC ist kurzgeschlossen, wodurch es blockiert wird. Dies wird üblicherweise als Entkopplungskondensator bezeichnet.

Was ist AC?

Ich habe die Begriffe "High Freq" und "Low Freq" eher locker verwendet, da sie eigentlich keine Nummern enthalten. Ich habe dies getan, weil das, was als niedrig und hoch angesehen wird, davon abhängt, was im Rest der Strecke vor sich geht. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, lesen Sie über Tiefpassfilter auf Wikipedia oder einige unserer RC-Filter- Fragen.

Spannungswert

Die Spannung, die Sie bei Kondensatoren sehen, ist die maximale Spannung, die Sie sicher an den Kondensator anlegen können, bevor Sie das Risiko eines physischen Ausfalls des Kondensators eingehen. Manchmal geschieht dies als Explosion, manchmal als Feuer oder manchmal wird es einfach nur heiß.

Die Erklärung liegt in der Tatsache, dass sich gegensätzliche Ladungen anziehen. Ein Kondensator ist eine kompakte Konstruktion aus 2 leitenden Platten, die durch einen sehr dünnen Isolator getrennt sind. Wenn Sie DC darauf legen, wird die eine Seite positiv und die andere negativ geladen. Beide Ladungen ziehen sich an, können aber die Isolationsbarriere nicht passieren. Es fließt kein Strom. Das ist also das Ende der Geschichte für DC.
Bei AC ist das anders. Eine Seite wird sukzessive positiv und negativ geladen und zieht negative bzw. positive Ladungen an. Änderungen auf der einen Seite der Barriere rufen Änderungen auf der anderen Seite hervor, so dass es den Anschein hat, dass die Ladungen die Barriere passieren und der Strom effektiv durch den Kondensator fließt.

Ein geladener Kondensator ist immer gleichstromgeladen, dh eine Seite hat die positiven Ladungen und die andere Seite die negativen. Diese Ladungen sind ein Speicher für elektrische Energie , die in vielen Stromkreisen benötigt wird.

Die maximale Spannung wird durch die Isolationsbarriere bestimmt. Ab einer bestimmten Spannung kommt es zu einem Durchschlag und einem Kurzschluss. Das kann unter DC aber auch unter AC passieren.

Eine einfache Art, darüber nachzudenken, ist, dass ein Reihenkondensator Gleichstrom sperrt, während ein Parallelkondensator dabei hilft, eine konstante Spannung aufrechtzuerhalten.

Dies sind zwei Anwendungen mit demselben Verhalten - ein Kondensator reagiert, um zu versuchen, die Spannung an sich konstant zu halten. Im Serienfall ist es recht glücklich, eine konstante Spannungsdifferenz zu beseitigen, aber jede plötzliche Änderung auf einer Seite wird zur anderen durchgeleitet, um die Spannungsdifferenz konstant zu halten. Im parallelen Fall wird auf abrupte Spannungsänderungen reagiert.

Die Ladungsmenge, die sich an den Platten eines Kondensators mit einer bestimmten Spannung an seinen Anschlüssen entwickelt, wird durch die folgende Formel bestimmt:

$Q = C \times V$

Die Differenzierung beider Seiten (Strom ist die zeitliche Ableitung der Ladung) ergibt:

$I = C \times \dfrac {dV}{dt}$

$\dfrac{dV}{dt} = 0$

Ein Kondensator lässt also keinen Strom für Gleichspannung "durch" ihn fließen (dh er blockiert Gleichstrom).

Die Spannung an den Platten eines Kondensators muss sich ebenfalls kontinuierlich ändern, so dass Kondensatoren eine Spannung "hochhalten", sobald sie aufgeladen sind, bis diese Spannung über einen Widerstand entladen werden kann. Eine sehr gebräuchliche Verwendung für Kondensatoren ist daher die Stabilisierung von Schienenspannungen und die Entkopplung von Schienen von Masse.

Die Nennspannung gibt an, wie viel Spannung an die Platten angelegt werden kann, bevor die elektrostatischen Kräfte die Materialeigenschaften des dielektrischen Materials zwischen den Platten zerstören und es als Kondensator zerbrechen lassen :).

Dies ist keine sehr technische Antwort, aber es ist eine grafische Erklärung, die ich sehr lustig und einfach finde:

Meine Antwort auf solche Fragen lautet immer "Wasser". Wasser, das durch Rohre fließt, ist eine überraschend genaue Analogie für Strom, der durch Drähte fließt. Strom ist, wie viel Wasser durch ein Rohr fließt. Die Spannungsdifferenz wird zur Differenz des Wasserdrucks. Die Rohre sollen flach liegen, damit die Schwerkraft keine Rolle spielt.

In einer solchen Analogie ist eine Batterie eine Wasserpumpe und ein Kondensator eine Gummimembran, die das Rohr vollständig blockiert . Gleichstrom ist Wasser, das ständig in einer Richtung durch ein Rohr fließt. Wechselstrom ist Wasser, das die ganze Zeit hin und her fließt.

In diesem Sinne sollte es offensichtlich sein, dass ein Kondensator Gleichstrom blockiert: Da sich die Membran nur so weit ausdehnen kann, kann das Wasser nicht einfach weiter in dieselbe Richtung fließen. Während sich die Membran ausdehnt (dh der Kondensator lädt sich auf), fließt etwas, aber an einem Punkt wird sie ausreichend gedehnt, um den Wasserdruck vollständig auszugleichen, wodurch jeder weitere Fluss blockiert wird.

Es wird auch deutlich, dass ein Kondensator den Wechselstrom nicht vollständig blockiert, sondern von den Membraneigenschaften abhängt. Wenn die Membran ausreichend dehnbar ist (hohe Kapazität), ist das schnelle Hin- und Herfließen von Wasser kein Problem. Wenn die Membran wirklich ziemlich steif ist (z. B. eine dünne Plastikfolie), entspricht dies einer geringen Kapazität, und wenn das Wasser langsam hin und her fließt, wird dieser Fluss blockiert, aber sehr hochfrequente Oszillationen schaffen es trotzdem durch.

Diese Analogie war für mich so außerordentlich nützlich, dass ich mich wirklich frage, warum sie nicht weiter verbreitet ist.

Zunächst einmal blockiert ein Kondensator Gleichstrom und hat eine niedrigere Impedanz für Wechselstrom, während eine Induktivität dazu neigt, Wechselstrom zu blockieren, aber den Gleichstrom sehr leicht durchlässt. Mit "Blockieren" meinen wir, dass es dem Signal, von dem wir sprechen, eine hohe Impedanz verleiht.

Zunächst müssen wir jedoch einige Begriffe definieren, um dies zu erklären. Sie wissen, was Widerstand ist, oder? Widerstand ist der Widerstand gegen den Stromfluss, der zum Verbrennen von Leistung führt, gemessen in Watt. Es spielt keine Rolle, ob der Strom Wechselstrom oder Gleichstrom ist, die von einem perfekten Widerstand verbrauchte Leistung ist für beide gleich.

Widerstand ist also eine Art von "Impedanz" für den Stromfluss. Es gibt 2 andere - "induktive Reaktanz" und "kapazitive Reaktanz". Beide werden wie der Widerstand auch in Ohm gemessen, aber beide unterscheiden sich darin, dass sie zum einen mit der Frequenz variieren und zum anderen tatsächlich nicht wie ein Widerstand Strom verbrauchen. Insgesamt gibt es drei Arten von Impedanzen: ohmsche, induktive und kapazitive.

Das Ausmaß der Blockierung oder Impedanz von Induktivitäten in Ohm kann bestimmt werden durch:

Wobei 2pi ungefähr 6,28 ist, f die Frequenz (offensichtlich Wechselstrom) eines Signals ist, L die Induktivität ist, die in Henry gemessen wird, und wobei "X sub L" die induktive Reaktanz in Ohm ist.

Induktive Reaktanz ist die Impedanz einer Komponente aufgrund der Induktivität; es ist eine Art Widerstand, aber es brennt tatsächlich keine Leistung in Watt, wie es ein Widerstand tut, und da "f" für die Frequenz geliefert werden muss, variiert der Wert davon mit der Frequenz für einen gegebenen Induktor.

Beachten Sie, dass mit steigender Frequenz auch die Impedanz (Wechselstromwiderstand) in Ohm steigt. Und beachten Sie, dass, wenn die Frequenz gleich Null ist, auch die Impedanz gleich Null ist. Eine Frequenz von Null bedeutet DC, sodass Induktivitäten praktisch keinen Widerstand gegen den DC-Stromfluss haben. Mit steigender Frequenz steigt auch die Impedanz.

Kondensatoren sind das Gegenteil - die Formel für die kapazitive Reaktanz lautet

Hier ist C die Kapazität der Kappe in Faraden, "2pi" und "f" sind die gleichen wie oben und "X-sub-C" ist die kapazitive Reaktanz in Ohm. Beachten Sie, dass hier die Reaktanz "eins geteilt durch" die Frequenz und die Kapazität ist - dies führt zu Impedanzwerten, die mit der Frequenz und der Kapazität sinken. Wenn also die Frequenz hoch ist, ist die Impedanz niedrig, und wenn die Frequenz nahe Null ist, was DC ist, ist die Impedanz nahezu unendlich - mit anderen Worten, Kondensatoren sperren DC, lassen AC aber durch, und je höher die Frequenz von Das Wechselstromsignal ist umso kleiner, je kleiner die Impedanz dafür ist.

Ich werde mich für den qualitativen Take-away-Ansatz mit der kürzesten Antwort entscheiden:

Ein Kondensator an den Gleichstromschienen dient dazu, alle Wechselstromsignale kurzzuschließen, die andernfalls auf die Versorgungsschienen gelangen könnten, sodass die Wechselstrommenge an Ihrem Gleichstromkreis verringert wird.

Die Nennspannung an einer Kappe ist die maximale Spannung (Summe aus DC und eventuell vorhandenem AC!), Die die Kappe anzeigen sollte. Wenn Sie diese Spannung überschreiten, versagt die Kappe.