In che modo un condensatore blocca CC?

Sono confuso con questo! In che modo un condensatore blocca CC?

• Ho visto molti circuiti che usano condensatori alimentati da un alimentatore CC. Quindi, se il condensatore blocca la corrente continua, perché dovrebbe essere usato in tali circuiti?
• Inoltre, la tensione nominale è indicata come valore DC sul condensatore. Cosa significa?

Penso che aiuterebbe a capire come un condensatore blocca DC (corrente continua) pur consentendo AC (corrente alternata).

Cominciamo con la fonte più semplice di DC, una batteria:

Quando questa batteria viene utilizzata per alimentare qualcosa, gli elettroni vengono attirati nel lato + della batteria e spinti fuori dal lato - .

Colleghiamo alcuni fili alla batteria:

Non c'è ancora un circuito completo qui (i fili non vanno da nessuna parte), quindi non c'è flusso di corrente.

Ma ciò non significa che non vi fosse alcun flusso corrente. Vedete, gli atomi nel metallo del filo di rame sono costituiti da un nucleo degli atomi di rame, circondati dai loro elettroni. Può essere utile pensare al filo di rame come ioni rame positivi, con gli elettroni che fluttuano intorno:

Nota: utilizzo il simbolo e ^- per rappresentare un elettrone

In un metallo è molto facile spingere gli elettroni in giro. Nel nostro caso abbiamo una batteria collegata. È in grado di aspirare alcuni elettroni dal filo:

Il filo attaccato al lato positivo della batteria ha degli elettroni aspirati da esso. Questi elettroni vengono quindi spinti fuori dal lato negativo della batteria nel filo attaccato al lato negativo.

È importante notare che la batteria non può rimuovere tutti gli elettroni. Gli elettroni sono generalmente attratti dagli ioni positivi che si lasciano alle spalle; quindi è difficile rimuovere tutti gli elettroni.

Alla fine il nostro filo rosso avrà una leggera carica positiva (perché manca elettroni) e il filo nero avrà una leggera carica negativa (perché ha elettroni extra).

Pertanto, quando si collega la batteria per la prima volta a questi cavi, scorrerà solo un po 'di corrente. La batteria non è in grado di spostare molti elettroni, quindi la corrente scorre molto brevemente, quindi si arresta.

Se scollegassi la batteria, la girassi e la ricollegassi: gli elettroni nel filo nero verrebbero aspirati nella batteria e spinti nel filo rosso. Ancora una volta ci sarebbe solo una piccola quantità di flusso di corrente, e poi si fermerebbe.

Il problema di usare solo due fili è che non abbiamo molti elettroni da spingere. Ciò di cui abbiamo bisogno è un grande magazzino di elettroni con cui giocare - un grosso pezzo di metallo. Ecco cos'è un condensatore: un grosso pezzo di metallo attaccato alle estremità di ciascun filo.

Con questo grosso pezzo di metallo, ci sono molti più elettroni che possiamo facilmente spingere in giro. Ora il lato "positivo" può avere molti più elettroni aspirati da esso, e il lato "negativo" può avere molti più elettroni spinti al suo interno:

Quindi, se si applica una sorgente di corrente alternata a un condensatore, parte di quella corrente sarà lasciata fluire, ma dopo un po 'si esauriranno gli elettroni per spostarsi e il flusso si arresterà. Questo è fortunato per la sorgente CA, poiché poi si inverte e la corrente può fluire ancora una volta.

Ma perché un condensatore è valutato in volt DC

Un condensatore non è solo due pezzi di metallo. Un'altra caratteristica di design del condensatore è che utilizza due grossi pezzi di metallo molto vicini tra loro (immagina uno strato di carta oleata intrecciato tra due fogli di carta stagnola).

La ragione per cui usano "lamina di stagno" separata da "carta cerata" è perché vogliono che gli elettroni negativi siano molto vicini ai "buchi" positivi che si sono lasciati alle spalle. Questo fa sì che gli elettroni siano attratti dai "buchi" positivi:

Poiché gli elettroni sono negativi e i "buchi" sono positivi, gli elettroni sono attratti dai buchi. Questo fa sì che gli elettroni rimangano effettivamente lì. È ora possibile rimuovere la batteria e il condensatore sarà effettivamente tenere quella carica.

Questo è il motivo per cui un condensatore può immagazzinare una carica; gli elettroni vengono attratti dai buchi che hanno lasciato alle spalle.

Ma quella carta cerata non è un isolante perfetto; consentirà qualche perdita. Ma il vero problema arriva se hai accumulato troppi elettroni. Il campo elettrico tra le due " piastre " del condensatore può effettivamente diventare così intenso da provocare una rottura della carta cerata, danneggiando permanentemente il condensatore:

In realtà un condensatore non è fatto di stagnola e carta cerata (più); usano materiali migliori. Ma c'è ancora un punto, una "tensione", in cui l'isolante tra le due piastre parallele si rompe, distruggendo il dispositivo. Questa è la tensione CC massima nominale del condensatore .

Fammi vedere se posso aggiungere un'altra prospettiva alle altre 3 risposte.

I condensatori si comportano come un corto ad alte frequenze e un aperto a basse frequenze.

Quindi, ecco due casi:

Condensatore in serie con segnale

In questa situazione, AC è in grado di passare, ma DC è bloccato. Questo è comunemente chiamato un condensatore di accoppiamento.

Condensatore in parallelo con il segnale

In questa situazione, DC è in grado di passare, ma AC è in corto a terra causando il blocco. Questo è comunemente chiamato un condensatore di disaccoppiamento.

Che cos'è AC?

Ho usato i termini "High Freq" e "Low Freq" piuttosto vagamente in quanto non hanno numeri associati. L'ho fatto perché ciò che è considerato basso e alto dipende da cosa sta succedendo nel resto del circuito. Se vuoi saperne di più su questo puoi leggere i filtri passa-basso su Wikipedia o alcune delle nostre domande sui filtri RC .

Tensione nominale

La tensione che vedi con i condensatori è la tensione massima che puoi applicare in sicurezza al condensatore prima di iniziare a correre il rischio che il condensatore si rompa fisicamente. A volte questo accade come un'esplosione, a volte un incendio o a volte si surriscalda.

La spiegazione sta nel fatto che accuse opposte si attraggono. Un condensatore è una costruzione compatta di 2 piastre conduttrici separate da un isolante molto sottile. Se metti DC su di esso, un lato verrà caricato positivamente e l'altro lato negativamente. Entrambe le cariche si attraggono ma non possono superare la barriera isolante. Non c'è flusso di corrente. Quindi questa è la fine della storia per DC.
Per AC è diverso. Una parte verrà successivamente caricata positivamente e negativamente e attrarrà le cariche negative e positive. Quindi i cambiamenti su un lato della barriera provocano cambiamenti sull'altro lato, in modo che sembra che le cariche attraversino la barriera e che la corrente fluisca effettivamente attraverso il condensatore.

Un condensatore carico è sempre carico CC, ovvero un lato ha le cariche positive e l'altro lato è negativo. Queste cariche sono un accumulo di energia elettrica , necessario in molti circuiti.

La tensione massima è determinata dalla barriera isolante. Al di sopra di una certa tensione si romperà e creerà un corto circuito. Ciò può accadere in DC ma anche in AC.

Un modo semplice di pensarci è che un condensatore in serie blocca la corrente continua, mentre un condensatore parallelo aiuta a mantenere una tensione costante.

Si tratta in realtà di due applicazioni dello stesso comportamento: un condensatore reagisce per cercare di mantenere costante la tensione su se stesso. Nel caso della serie, è abbastanza felice di rimuovere una differenza di tensione costante, ma qualsiasi cambiamento improvviso in un lato verrà passato all'altro per mantenere costante la differenza di tensione. Nel caso parallelo, qualsiasi brusca variazione di tensione verrà reagita.

La quantità di carica che si sviluppa attraverso le piastre di un condensatore con una determinata tensione attraverso i suoi terminali è regolata dalla formula:

$Q = C \times V$

Differenziando entrambe le parti (la corrente è la derivata temporale della carica), fornisce:

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

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

Quindi un condensatore non consente alla corrente di fluire "attraverso" per la tensione CC (cioè blocca la corrente continua).

Anche la tensione tra le piastre di un condensatore deve cambiare in modo continuo, quindi i condensatori hanno l'effetto di "trattenere" una tensione una volta caricata su di essa, fino a quando tale tensione può essere scaricata attraverso una resistenza. Un uso molto comune per i condensatori è quindi stabilizzare le tensioni delle rotaie e le guide di disaccoppiamento da terra.

La tensione nominale è quanta tensione è possibile applicare attraverso le piastre prima che le forze elettrostatiche abbattano le proprietà del materiale dielettrico tra le piastre rendendolo rotto come un condensatore :).

Questa non è una risposta molto tecnica, ma è una spiegazione grafica che trovo molto divertente e semplice:

La mia risposta a tali domande è sempre "acqua". L'acqua che scorre attraverso i tubi è un'analogia sorprendentemente accurata per la corrente che scorre attraverso i fili. La corrente è quanta acqua scorre attraverso un tubo. La differenza di tensione diventa la differenza nella pressione dell'acqua. Le tubature dovrebbero essere piatte, in modo che la gravità non abbia alcun ruolo.

In tale analogia, una batteria è una pompa dell'acqua e un condensatore è una membrana di gomma che blocca completamente il tubo. DC è l'acqua che scorre costantemente in una direzione attraverso un tubo. AC è l'acqua che scorre continuamente avanti e indietro.

Con questo in mente, dovrebbe essere ovvio che un condensatore blocca la corrente continua: poiché la membrana può allungarsi solo fino a quel momento, l'acqua non può continuare a scorrere nella stessa direzione. Ci sarà un certo flusso mentre la membrana si allunga (cioè le cariche del condensatore), ma a un certo punto si allunga abbastanza per bilanciare completamente la pressione dell'acqua, bloccando così qualsiasi ulteriore flusso.

Diventa anche ovvio che un condensatore non bloccherà completamente l'AC, ma dipende dalle proprietà della membrana. Se la membrana è sufficientemente elastica (alta capacità), non rappresenterà una sfida per l'acqua che scorre avanti e indietro rapidamente. Se la membrana è davvero piuttosto rigida (ad esempio un sottile foglio di plastica), ciò corrisponde a una bassa capacità e se l'acqua scorre avanti e indietro lentamente, tale flusso verrà bloccato, ma le oscillazioni ad altissima frequenza lo faranno comunque passare.

Questa analogia è stata così eccezionalmente utile per me che mi chiedo davvero perché non sia utilizzata più ampiamente.

Prima di tutto, un condensatore blocca la corrente continua ed è un'impedenza inferiore alla corrente alternata, mentre un induttore tende a bloccare la corrente alternata, ma passa facilmente la corrente continua. Con "blocco" intendiamo che offre un'alta impedenza al segnale di cui stiamo parlando.

Per prima cosa, però, dobbiamo definire alcuni termini per spiegare questo. Sai cos'è la resistenza, vero? La resistenza è l'opposizione al flusso di corrente che provoca la combustione di energia, misurata in watt. Non importa se la corrente è CA o CC, la potenza dissipata da un resistore perfetto è la stessa quantità per entrambi.

Quindi la resistenza è un tipo di "impedenza" al flusso di corrente. Ce ne sono altri 2: "reattanza induttiva" e "reattanza capacitiva". Entrambi sono anche misurati in ohm, come la resistenza, ma entrambi sono diversi in quanto, per una cosa, variano con la frequenza, e per un'altra, in realtà non consumano energia come fa una resistenza. Quindi tutti insieme, ci sono 3 tipi di impedenza: resistiva, induttiva e capacitiva.

La quantità di blocco o impedenza degli induttori in ohm può essere determinata da:

Dove 2pi è circa 6,28, f è la frequenza (CA, ovviamente) di un segnale, L è l'induttanza misurata in henries e dove "X sub L" è la reattanza induttiva in ohm.

La reattanza induttiva è l'impedenza di un componente dovuta all'induttanza; è un tipo di resistenza, ma in realtà non brucia energia in watt come fa una resistenza, e poiché è necessario fornire "f" per la frequenza, il suo valore varia con la frequenza per un dato induttore.

Notare che quando la frequenza aumenta, aumenta anche l'impedenza (resistenza AC) in ohm. E nota che se la frequenza è uguale a zero, lo stesso vale per l'impedenza: una frequenza pari a zero significa DC, quindi gli induttori non hanno praticamente alcuna resistenza al flusso di corrente DC. E quando la frequenza sale, aumenta anche l'impedenza.

I condensatori sono l'opposto, la formula per la reattanza capacitiva è

Qui, C è la capacità del cappuccio in farad, "2pi" e "f" sono gli stessi di cui sopra, e "X-sub-C" è la reattanza capacitiva in ohm. Si noti che qui la reattanza è "una divisa per" la frequenza e la capacità - questo si traduce in valori di impedenza che diminuiscono con frequenza e capacità. Quindi se la frequenza è alta, l'impedenza sarà bassa e se la frequenza è vicina allo zero, che è DC, l'impedenza sarà quasi infinita - in altre parole, i condensatori bloccano DC, ma passano AC e maggiore è la frequenza di il segnale AC, minore è l'impedenza ad esso.

Proverò l'approccio qualitativo da asporto con la risposta più breve:

Un condensatore attraverso le guide CC è lì, in effetti, per cortocircuitare qualsiasi segnale CA che potrebbe altrimenti arrivare sulle guide di alimentazione, quindi la quantità di CA attraverso il circuito CC è ridotta.

La tensione nominale su un cappuccio è la tensione massima (somma di CC e di ogni CA presente!) Che il cappuccio dovrebbe vedere. Superare questa tensione e il cappuccio non funzionerà.