Warum entlädt sich ein Kondensator nicht im selben Zyklus, in dem er in einer Klemmschaltung geladen wird?

Soweit ich weiß, soll sich in einem Wechselstromkreis ein Kondensator aufladen, wenn die Spannung ansteigt, und sobald die Spannung abnimmt, beginnt sich der Kondensator zu entladen (da er die höhere Spannungsquelle von allen sein wird die Schaltung bis dahin).

Aber in einer Klemmschaltung, zum Beispiel in der folgenden:Negativer Klemmer

In der positiven Halbwelle sollte die Diode leiten und der Kondensator aufladen. Aber sollte sich der Kondensator nicht entladen, sobald die Eingangsspannung von Vm abfällt?

Da die Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, sollte der Ausgang während der positiven Halbwelle nicht Null sein?

Siehe meine aktualisierte Antwort.
Um Ihrer Einsicht vielleicht zu helfen: C blockiert jede DC-Komponente, sodass das, was Sie am Ausgang sehen, von keiner DC-Komponente beeinflusst wird (Batterie in Reihe mit Ihrem Vi). Sie können sich also einen solchen Offset von -Vm vorstellen.
Ich habe eine ähnliche Frage, bei der weder Antworten noch ein Tutorial, das ich gegoogelt habe, helfen, sie zu verstehen. Aufgrund der Diode wird der Kondensator nach der ersten positiven Periode in entgegengesetzter Polarität geladen, dann wären die Eingangssignalspannung und die Kondensatorspannung immer entgegengesetzt in der Polarität. Das Ausgangssignal sollte sich zeitlich horizontal statt vertikal verschieben. Offensichtlich verstehe ich es nicht richtig, aber ich finde keine Ressource, um dies zu klären.

Antworten (4)

Die einfache Analyse dieser Schaltung berücksichtigt den Innenwiderstand der Diode, Rd, gegenüber dem Lastwiderstand, R1. Dieses Verhältnis bestimmt das Verhältnis für Lade-/Entladezeitkonstanten. Der Wert von C skaliert diese beiden Verhältnisse, um die tatsächlichen Zeiten zu erreichen.

Ladung T1=C * Rd vs. Entladung T2=C * R1

Die Entladungsrate ist konstruktionsbedingt langsam, wenn T2 >> 1/f gewählt wird

Darunter sind die Diode und die Last R so gewählt, dass sie ein Verhältnis von Abfall- zu Anstiegszeit von 10k/10= 1000 haben.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Andere Details

Aber wir müssen auch den zusätzlichen Reihenwiderstand in der Schleife von der Quelle, Rs und dem Kondensator ESR berücksichtigen. Im Allgemeinen haben E-Caps mit extrem niedrigem ESR einen ESR*C=T<10us und Keramik <<100ns, hängen aber auch von Größe und Nennspannung ab, was sich auch auf die Eigenresonanzfrequenz der Kappe auswirkt, was normalerweise in dieser Schaltung kein Problem darstellt.

Die Diode Rs ist der inkrementelle Widerstand von Vf bei einem gewissen Ladestrom Rs = ΔVf/ΔIf. Aus Erfahrung weiß ich, dass dieses Rs normalerweise gleich oder kleiner als die Nennleistung ist, sodass eine 100-mW-Diode ungefähr 10 Ω (Ballpark) und eine 1-W-Diode < 1 Ω betragen würde. Die höheren Spitzenströme können dies auf Rs = 1/4Pd senken. Dies gilt für die meisten Dioden.

Somit wird die obige Ladezeit zu T1=C*(Rs+ESR+Rd)

Wenn R1 jedoch zu groß wird, müssen die Sperrstrom-Leckströme der Kappe und der Diode in einen äquivalenten Widerstand umgewandelt werden, normalerweise > 100 k, hängt aber wiederum von den Datenblattspezifikationen der einzelnen Teile ab, z. B. lecken Schottky-Dioden mehr als Silizium, haben aber eine niedrigere Vf.

Ich bin mir nicht sicher, ob ich das richtig verstehe. Ich glaube, es sagt uns, dass die Entladerate des Kondensators viel langsamer sein wird als die Laderate. Das verdeutlicht mir jedoch nicht, warum sich die Wellenform nicht ändert, wenn sich der Kondensator in der positiven Hälfte des Zyklus selbst zu entladen beginnt?
Dies wäre der Fall, wenn Sie eine zu niedrige Frequenz oder einen zu niedrigen Wert von R1C=T wählen, was konstruktionsbedingt T >> 1/f ist
Wenn Sie die Werte so gewählt haben, dass die Entladungsrate extrem langsam ist und somit die positive Halbwelle der Wellenform nicht beeinflusst, sollte dies dann nicht auch die negative Halbwelle beeinflussen? Übersehe ich etwas?
Es wird also Perioden geben, in denen die Wellenform tatsächlich leer ist, richtig? Anfänglich ist in dieser Schaltung die Wellenform leer, solange der Kondensator geladen wird. Sobald es von Vm abfällt, nimmt die Wellenform die geklemmte Form an. Mit der Zeit entlädt sich der Kondensator und das passiert erneut.
Die Diode klemmt den positiven Eingang, während die Kappe schnell auf die Spitzenspannung aufgeladen wird, dann schaltet die Diode ab und der Abfall ist langsam, da die Kappe das Signal als negativen Ausgang mit sehr langsamem R1C-Abfall weitergibt. Dies ist eine positive Klemme.

Der Kondensator entlädt sich während des negativen Halbzyklus - aber langsam, wobei die Zeitkonstante durch die Kondensator- und Widerstandswerte bestimmt wird. In dieser Schaltung würden wir normalerweise R- und C-Werte auswählen, die ausreichend groß sind, damit sich der Kondensator in einem Zyklus nicht wesentlich entlädt.

Ich spreche nicht von der negativen Halbwelle, ich spreche von dem abnehmenden Teil der positiven Halbwelle. In der Analyse, die ich über Kondensatoren in Wechselstromkreisen untersucht habe, wirken sie Spannungsänderungen entgegen. Sollte sich der Kondensator also nicht in der positiven Halbwelle selbst entladen.
Entschuldigung - ich hätte sagen sollen "während die Spannung fällt". Dennoch sollte die Zeitkonstante ausreichend lang sein, damit sich der Kondensator nicht wesentlich entlädt.
Ah, es entlädt sich also ein wenig. Ich war verwirrt, weil kein Buch zu erwähnen schien, dass es sich im positiven Kreislauf selbst entlädt. Aber sollte das dann nicht zu Änderungen in der Ausgangswellenform führen, da es sich durch R entlädt?
R- und C-Werte wählen Sie so, dass eventuelle Änderungen durch die Entladung für Ihre Anwendung unbedeutend sind.
Ich kann es immer noch nicht verstehen. Selbst wenn wir ein sehr großes R wählen und somit eine sehr langsame Entladung verursachen, sollte es immer noch einen Spannungsabfall geben, aufgrund dessen wir eine andere Wellenform als vorhergesagt erhalten, richtig? Würden Sie auch zustimmen, dass der Ausgang in der positiven Halbwelle Null sein sollte, da der Stromkreis kurzgeschlossen wird?

Aktualisieren :

Während der negativen Halbwelle des Eingangswechselstromsignals ist die Diode in Sperrichtung vorgespannt und daher erscheint das Signal am Ausgang. Im umgekehrt vorgespannten Zustand lässt die Diode keinen elektrischen Strom hindurch.

Der Eingangsstrom fließt also direkt zum Ausgang. Wenn die negative Halbwelle beginnt, befindet sich die Diode im Sperrzustand und die im Kondensator gespeicherte Ladung wird entladen (freigesetzt).

Daher ist die am Ausgang erscheinende Spannung gleich der Summe der im Kondensator gespeicherten Spannung (–Vm) und der Eingangsspannung (–Vm) {Ie Vo = –Vm – Vm = –2Vm}, die die gleiche Polarität haben gegenseitig. Dadurch wird das Signal wie in der Ausgabe dargestellt nach unten verschoben.

Ich glaube, Sie sprechen von der negativen Halbwelle, wenn sich der Kondensator tatsächlich zu entladen beginnt und wir 2 Vm als Ausgang haben. Aber ich frage nach dem positiven Halbzyklus selbst, wo sich der Kondensator entladen sollte, wenn die Eingangsspannung von Vm auf Null abfällt. Weil Kondensatoren Spannungsänderungen entgegenwirken sollen?
Aber warum sollte es die Ladung halten? Da in dem Moment, in dem die Eingangsspannung abfällt, der Kondensator die größere Spannungsquelle in der Schaltung sein sollte. Daher sollte es dazu führen, dass Strom durch die entgegengesetzte Richtung fließt und sich der Kondensator durch R entlädt.
Ich habe ein weiteres Update durchgeführt, bitte überprüfen Sie es, das Ihre Frage hätte beantworten sollen.
Ich folge dem Teil des negativen Halbzyklus. Aber das Problem, das ich habe, ist der positive Halbzyklus, in dem sich der Kondensator entladen sollte, sobald die Welle von Vm auf Null geht, da er Spannungsänderungen entgegenwirkt.
Es entlädt sich die Ausgabe. Allerdings ist seine Phase nach unten verschoben. Es ist dasselbe, aber die Welle in der Ausgabe hat sich gerade nach unten bewegt.
Ah ja. Ich habe es gerade verstanden, nachdem ich das Verhalten in mein Notizbuch gezeichnet hatte. Danke!. Für die Dauer des Ladevorgangs ist die Wellenform jedoch leer, oder? Dann haben wir für einen langen Zeitraum, solange der Kondensator geladen ist, die geklemmte Wellenform. Dann haben wir ein leeres Signal und wieder die geklemmte Wellenform. Wenn wir also die Ladezeit extrem klein machen, können wir nur die geklemmte Wellenform sehen, da die Ladezeit vernachlässigbar wäre.
Es wäre nicht leer, es würde abnehmen, also würde beim Entladen die Wellenform zunehmen und beim Laden würde die Wellenform abnehmen, wie in der Ausgangswelle gezeigt. Es ist also eine einfache Sinuswelle.

Mit genau dieser Frage habe ich mich auch eine Weile beschäftigt. Was ich vermutete und mit meiner Hypothese übereinstimmte, nachdem ich sie in LTspice geworfen hatte, war, dass sich der Kondensator im negativen UND positiven Halbzyklus entlädt. Im Fall einer positiven Klemmschaltung lädt der Kondensator nur auf dem sehr minimalen Wert für Vin, wenn die Spannung an der Diode 0 ist und Strom durchfließen kann (ideale Diode natürlich). Da R dafür sehr klein wäre, kann sich der Kondensator sehr schnell aufladen und es ist nur ein Ladeimpuls erforderlich.

Die LTspice-Ausgabe unten zeigt die Sonde für den Strom durch die Diode in Rot. Wir können die kontinuierliche Stromspitze sehen, wenn die Ausgangsspannung (Spannung über der Diode) gerade unter 0,7 V fällt. Das LTspice-Modell hatte keine ideale Diode zur Verfügung, das ist also der Grund für die Verschiebung.Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Warum entlädt sich ein Kondensator nicht im selben Zyklus, in dem er in einer Klemmschaltung geladen wird?
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