Wie blockiert ein Kondensator Gleichstrom?

Ich denke, es würde helfen zu verstehen, wie ein Kondensator Gleichstrom (Gleichstrom) blockiert, während Wechselstrom (Wechselstrom) zugelassen wird.

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 auf der --Seite herausgedrückt .

Lassen Sie uns einige Drähte an der Batterie befestigen:

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

Das heißt aber nicht, dass kein Strom floss. 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 herumschweben:

Hinweis: Ich verwende 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 ist in der Lage, tatsächlich einige Elektronen aus dem Draht zu saugen:

Aus dem Draht, der an der positiven Seite der Batterie befestigt ist, werden Elektronen herausgesaugt . Diese Elektronen werden dann aus der negativen Seite der Batterie in den Draht gedrückt, der an der negativen Seite befestigt 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 wird unser roter Draht eine leichte positive Ladung haben (weil ihm Elektronen fehlen), und der schwarze Draht wird eine leichte negative Ladung haben (weil er zusätzliche Elektronen hat).

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

Wenn Sie die Batterie abklemmen, umdrehen und wieder anschließen: Elektronen im schwarzen Kabel würden in die Batterie gesaugt und in das rote Kabel gedrückt. Wieder würde nur ein winziger Strom fließen, und dann würde es aufhören.

Das Problem bei der Verwendung von nur zwei Drähten ist, dass wir nicht sehr viele Elektronen haben, die wir herumschieben können. Was wir brauchen, ist ein großer Vorrat an Elektronen, mit dem wir spielen können – ein großes Stück Metall. Das ist ein Kondensator: ein großes Stück Metall, das an den Enden jedes Drahts befestigt ist.

Mit diesem großen Stück Metall gibt es viel mehr Elektronen, die wir leicht herumschieben können. Jetzt können aus der "positiven" Seite viel mehr Elektronen herausgesaugt werden, und aus der "negativen" Seite können 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, die er herumschieben kann, und der Fluss hört auf. Dies ist für die Wechselstromquelle von Vorteil, da sie sich dann umkehrt und der Strom wieder fließen kann.

Aber warum wird ein Kondensator in DC Volt bewertet?

Ein Kondensator besteht nicht nur aus zwei Metallstücken. Ein weiteres Konstruktionsmerkmal des Kondensators besteht darin, dass zwei sehr nahe beieinander liegende Metallstücke verwendet werden (stellen Sie sich eine Schicht Wachspapier vor, die zwischen zwei Lagen Zinnfolie eingelegt ist).

Der Grund, warum sie "Zinnfolie" verwenden, die durch "Wachspapier" getrennt ist, ist, dass sie wollen, dass die negativen Elektronen sehr nahe an den positiven "Löchern" sind, die sie hinterlassen 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. Dies bewirkt, dass die Elektronen tatsächlich dort bleiben. Sie können jetzt die Batterie entfernen und der Kondensator hält diese Ladung tatsächlich.

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

Aber dieses Wachspapier ist kein perfekter Isolator; es wird etwas Leckage ermöglichen. Aber das eigentliche Problem kommt, wenn Sie zu viele Elektronen gestapelt haben. Das elektrische Feld zwischen den beiden " Platten " des Kondensators kann tatsächlich so stark werden, dass es zu einem Zusammenbruch des Wachspapiers führt, wodurch der Kondensator dauerhaft beschädigt wird:

In Wirklichkeit besteht ein Kondensator nicht (mehr) aus Alufolie 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 ein Leerlauf.

Hier also zwei Fälle:

Kondensator in Reihe mit Signal

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

Kondensator parallel zum Signal

In dieser Situation kann DC durchkommen, aber AC wird mit Masse kurzgeschlossen, wodurch es blockiert wird. Dies wird allgemein als Entkopplungskondensator bezeichnet.

Was ist AC?

Ich habe die Begriffe "High Freq" und "Low Freq" eher locker verwendet, da ihnen nicht wirklich Zahlen zugeordnet sind. Ich habe dies getan, weil das, was als niedrig und hoch angesehen wird, davon abhängt, was im Rest der Schaltung vor sich geht. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, können Sie auf Wikipedia über Tiefpassfilter oder einige unserer Fragen zu RC -Filtern lesen .

Spannungswert

Die Spannung, die Sie bei Kondensatoren sehen, ist die maximale Spannung, die Sie sicher an den Kondensator anlegen können, bevor Sie Gefahr laufen, dass der Kondensator physisch zusammenbricht. Manchmal geschieht dies als Explosion, manchmal als Feuer oder manchmal wird es einfach nur heiß.

Die Erklärung liegt in der Tatsache, dass sich entgegengesetzte 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 eine Seite positiv und die andere Seite negativ geladen. Beide Ladungen ziehen sich an, können aber die isolierende Barriere nicht passieren. Es fließt kein Strom. Das ist also das Ende der Geschichte für DC.
Bei AC ist das anders. Eine Seite wird nacheinander positiv und negativ geladen und zieht negative bzw. positive Ladungen an. Änderungen auf einer Seite der Barriere provozieren also Änderungen auf der anderen Seite, so dass es scheint , dass die Ladungen die Barriere überqueren und dass Strom effektiv durch den Kondensator fließt.

Ein geladener Kondensator ist immer gleichstromgeladen, dh eine Seite trägt die positiven Ladungen und die andere Seite die negativen. Diese Ladungen sind ein Speicher für elektrische Energie , die in vielen Schaltungen notwendig ist.

Die maximale Spannung wird durch die isolierende Barriere bestimmt. Oberhalb einer bestimmten Spannung bricht es zusammen und erzeugt einen Kurzschluss. Das kann unter DC aber auch unter AC passieren.

Eine einfache Denkweise ist, dass ein Serienkondensator Gleichstrom blockiert, während ein Parallelkondensator dazu beiträgt, eine konstante Spannung aufrechtzuerhalten.

Dies sind wirklich zwei Anwendungen des gleichen Verhaltens - ein Kondensator reagiert, um zu versuchen, die Spannung an sich selbst konstant zu halten. Im Serienfall ist es ziemlich glücklich, eine konstante Spannungsdifferenz zu entfernen, aber jede abrupte Änderung auf einer Seite wird an die andere weitergegeben, um die Spannungsdifferenz konstant zu halten. Im parallelen Fall wird auf jede abrupte Spannungsänderung reagiert.

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

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

$Q = C \times V$(Ladung = Kapazität * Spannung)

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

$I = C \times \dfrac {dV}{dt}$(Strom = Kapazität * Spannungsänderungsrate)

Gleichspannung ist das gleiche wie gesagt$\dfrac{dV}{dt} = 0$.

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

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

Die Nennspannung gibt an, wie viel Spannung Sie über die Platten anlegen können, bevor die elektrostatischen Kräfte die Materialeigenschaften des dielektrischen Materials zwischen den Platten zerstören, wodurch es als Kondensator gebrochen wird :).

Meine Antwort auf solche Fragen ist 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 im Wasserdruck. 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 eine Richtung durch ein Rohr fließt. AC ist Wasser, das die ganze Zeit hin und her fließt.

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

Es wird auch offensichtlich, dass ein Kondensator Wechselstrom nicht vollständig blockiert, aber es hängt von den Membraneigenschaften ab. Wenn die Membran ausreichend dehnbar ist (hohe Kapazität), stellt sie kein Hindernis für schnell hin und her fließendes Wasser dar. Wenn die Membran wirklich ziemlich steif ist (z. B. eine dünne Plastikfolie), entspricht dies einer niedrigen Kapazität, und wenn das Wasser langsam hin und her fließt, wird dieser Fluss blockiert, aber sehr hochfrequente Schwingungen werden immer noch durchkommen.

Diese Analogie war für mich so außerordentlich nützlich, dass ich mich wirklich frage, warum sie nicht häufiger verwendet wird.

Zunächst einmal blockiert ein Kondensator Gleichstrom und hat eine niedrigere Impedanz als Wechselstrom, während eine Induktivität dazu neigt, Wechselstrom zu blockieren, Gleichstrom jedoch sehr leicht durchlässt. Mit "blockieren" meinen wir, dass es dem Signal, über das wir sprechen, eine hohe Impedanz bietet.

Zunächst müssen wir jedoch einige Begriffe definieren, um dies zu erklären. Du weißt, 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 AC oder DC ist, die Verlustleistung eines perfekten Widerstands ist für beide gleich.

Widerstand ist also eine Art "Impedanz" für den Stromfluss. Es gibt 2 andere - "induktive Reaktanz" und "kapazitive Reaktanz". Beide werden auch in Ohm gemessen, wie der Widerstand, aber beide unterscheiden sich darin, dass sie zum einen mit der Frequenz variieren und zum anderen nicht wirklich Strom verbrauchen wie ein Widerstand. Insgesamt gibt es also 3 Arten von Impedanzen - resistiv, induktiv und kapazitiv.

Die Größe der Blockierung oder Impedanz von Induktivitäten in Ohm kann bestimmt werden durch:

Wobei 2pi ungefähr 6,28 ist, f die Frequenz (offensichtlich AC) eines Signals ist, L die Induktivität, gemessen in Henry, 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, verbrennt aber nicht wirklich Leistung in Watt wie ein Widerstand, und da "f" für die Frequenz geliefert werden muss, variiert der Wert davon mit der Frequenz für einen bestimmten Induktor.

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

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

Hier ist C die Kapazität der Kappe in Farad, "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 dividiert durch" die Frequenz und die Kapazität ist - dies führt zu Impedanzwerten, die mit Frequenz und Kapazität sinken. Wenn also die Frequenz hoch ist, ist die Impedanz niedrig, und wenn die Frequenz nahe Null ist, was Gleichstrom ist, ist die Impedanz nahezu unendlich - mit anderen Worten, Kondensatoren blockieren Gleichstrom, lassen aber Wechselstrom durch, und je höher die Frequenz ist das AC-Signal, desto geringer ist die Impedanz dazu.

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

Ein Kondensator über den DC-Schienen dient dazu, alle AC-Signale kurzzuschließen, die andernfalls auf die Versorgungsschienen gelangen könnten, sodass die AC-Menge in Ihrem DC -Kreis reduziert wird.

Die Nennspannung auf einer Kappe ist die maximale Spannung (Summe aus Gleichstrom und vorhandenem Wechselstrom!), die die Kappe sehen sollte. Überschreiten Sie diese Spannung und die Kappe fällt aus.