Làm thế nào để một tụ điện DC chặn?

Tôi bối rối với điều này! Làm thế nào để một tụ điện DC chặn?

• Tôi đã thấy nhiều mạch sử dụng tụ điện được cung cấp bởi nguồn cung cấp DC. Vì vậy, nếu tụ điện chặn DC, tại sao nó nên được sử dụng trong các mạch như vậy?
• Ngoài ra, đánh giá điện áp được đề cập như một giá trị DC trên tụ điện. Nó biểu thị điều gì?

Tôi nghĩ rằng nó sẽ giúp hiểu làm thế nào một tụ điện chặn DC (dòng điện trực tiếp) trong khi cho phép AC (dòng điện xoay chiều).

Hãy bắt đầu với nguồn DC đơn giản nhất, pin:

Khi pin này đang được sử dụng một cái gì đó điện, electron được rút ra vào + bên của pin, và đẩy ra - phụ.

Hãy gắn một số dây vào pin:

Vẫn không có một mạch hoàn chỉnh ở đây (dây không đi đâu cả), vì vậy không có dòng điện.

Nhưng điều đó không có nghĩa là không có bất kỳ dòng chảy hiện tại. Bạn thấy đấy, các nguyên tử trong kim loại dây đồng được tạo thành từ một hạt nhân của các nguyên tử đồng, được bao quanh bởi các electron của chúng. Có thể hữu ích khi nghĩ về dây đồng là các ion đồng dương, với các electron nổi xung quanh:

Lưu ý: Tôi sử dụng ký hiệu e ^- để biểu thị một electron

Trong một kim loại, rất dễ dàng để đẩy các electron xung quanh. Trong trường hợp của chúng tôi, chúng tôi có một pin kèm theo. Nó có thể thực sự hút một số điện tử ra khỏi dây:

Dây được gắn vào mặt tích cực của pin có các electron bị hút ra khỏi nó. Những electron đó sau đó được đẩy ra phía cực âm của pin vào dây được gắn vào phía âm.

Điều quan trọng cần lưu ý là pin không thể loại bỏ tất cả các điện tử. Các electron thường bị thu hút bởi các ion dương mà chúng để lại; vì vậy thật khó để loại bỏ tất cả các điện tử.

Cuối cùng, dây màu đỏ của chúng ta sẽ có điện tích dương nhẹ (vì nó bị thiếu electron) và dây màu đen sẽ có điện tích âm nhẹ (vì nó có thêm electron).

Vì vậy, khi bạn lần đầu tiên kết nối pin với những dây, chỉ có một chút chút hiện tại sẽ chảy. Pin không thể di chuyển rất nhiều điện tử, vì vậy dòng điện chạy rất nhanh và sau đó dừng lại.

Nếu bạn ngắt kết nối pin, lật xung quanh và kết nối lại: các electron trong dây đen sẽ bị hút vào pin và bị đẩy vào dây đỏ. Một lần nữa, sẽ chỉ có một lượng nhỏ dòng chảy, và sau đó nó sẽ dừng lại.

Vấn đề với việc chỉ sử dụng hai dây là chúng ta không có nhiều điện tử để đẩy xung quanh. Những gì chúng ta cần là một kho điện tử lớn để chơi với - một khối kim loại lớn. Đó là những gì một tụ điện là: một khối kim loại lớn được gắn vào hai đầu của mỗi dây.

Với khối kim loại lớn này, có rất nhiều electron chúng ta có thể dễ dàng đẩy xung quanh. Bây giờ, bên "tích cực" có thể có nhiều electron bị hút ra khỏi nó và bên "tiêu cực" có thể có nhiều electron hơn được đẩy vào bên trong:

Vì vậy, nếu bạn áp dụng một nguồn dòng điện xoay chiều cho một tụ điện, một số dòng điện đó sẽ được phép chảy, nhưng sau một thời gian nó sẽ hết điện tử để đẩy xung quanh và dòng chảy sẽ dừng lại. Điều này là may mắn cho nguồn AC, vì sau đó nó đảo ngược và dòng điện được phép chảy một lần nữa.

Nhưng tại sao một tụ điện được đánh giá trong volt DC

Một tụ điện không chỉ là hai khối kim loại. Một đặc điểm thiết kế khác của tụ điện là nó sử dụng hai khối kim loại rất gần nhau (hãy tưởng tượng một lớp giấy sáp được kẹp giữa hai tờ giấy thiếc).

Lý do họ sử dụng "lá thiếc" được phân tách bằng "giấy sáp" là vì họ muốn các electron âm rất gần với "lỗ" dương mà họ để lại. Điều này khiến các electron bị thu hút vào các "lỗ" dương:

Bởi vì các electron là âm và "lỗ" là dương, nên các electron bị hút vào các lỗ. Điều này làm cho các điện tử thực sự ở lại đó. Bây giờ bạn có thể tháo pin và tụ điện sẽ thực sự giữ điện tích đó.

Đây là lý do tại sao một tụ điện có thể lưu trữ một khoản phí; các electron bị thu hút vào các lỗ mà chúng để lại.

Nhưng giấy sáp đó không phải là một chất cách điện hoàn hảo; nó sẽ cho phép một số rò rỉ. Nhưng vấn đề thực sự xảy ra nếu bạn có quá nhiều electron chồng chất. Điện trường giữa hai " tấm " của tụ điện thực sự có thể trở nên mãnh liệt đến mức nó gây ra sự cố vỡ giấy sáp, làm hỏng tụ điện vĩnh viễn:

Trong thực tế, một tụ điện không được làm từ lá thiếc và giấy sáp (nữa); họ sử dụng vật liệu tốt hơn. Nhưng vẫn còn một điểm, một "điện áp", trong đó chất cách điện giữa hai bản song song bị phá vỡ, phá hủy thiết bị. Đây là điện áp DC tối đa định mức của tụ điện.

Hãy để tôi xem nếu tôi có thể thêm một quan điểm cho 3 câu trả lời khác.

Các tụ điện hoạt động như một ngắn ở tần số cao và mở ở tần số thấp.

Vì vậy, đây là hai trường hợp:

Tụ nối tiếp với tín hiệu

Trong tình huống này, AC có thể vượt qua, nhưng DC bị chặn. Điều này thường được gọi là một tụ điện khớp nối.

Tụ song song với tín hiệu

Trong tình huống này, DC có thể vượt qua, nhưng AC bị chập xuống đất khiến nó bị chặn. Điều này thường được gọi là một tụ điện tách.

AC là gì?

Tôi đã sử dụng thuật ngữ "High Freq" và "Low Freq" khá lỏng lẻo vì chúng không thực sự có bất kỳ số nào liên quan đến chúng. Tôi đã làm điều này bởi vì những gì được coi là thấp và cao phụ thuộc vào những gì đang diễn ra trong phần còn lại của mạch. Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm về điều này, bạn có thể đọc về các bộ lọc thông thấp trên Wikipedia hoặc một số câu hỏi về bộ lọc RC của chúng tôi .

Đánh giá điện áp

Điện áp mà bạn thấy với các tụ điện là điện áp tối đa bạn có thể áp dụng một cách an toàn cho tụ điện trước khi bạn bắt đầu có nguy cơ tụ điện bị hỏng. Đôi khi điều này xảy ra như một vụ nổ, đôi khi lửa hoặc đôi khi chỉ nóng.

Giải thích là trong thực tế rằng các chi phí ngược lại thu hút lẫn nhau. Một tụ điện là một cấu trúc nhỏ gọn gồm 2 tấm dẫn điện được ngăn cách bởi một chất cách điện rất mỏng. Nếu bạn đặt DC lên nó, một bên sẽ tích điện dương và bên còn lại tiêu cực. Cả hai điện tích thu hút lẫn nhau nhưng không thể vượt qua hàng rào cách điện. Không có dòng chảy hiện tại. Vậy là kết thúc câu chuyện cho DC.
Đối với AC thì khác. Một bên sẽ liên tiếp được tích cực và tích cực tiêu cực, và thu hút các khoản phí tiêu cực và tích cực. Vì vậy, những thay đổi ở một bên của rào cản gây ra những thay đổi ở phía bên kia, do đó có vẻ như các điện tích vượt qua rào cản và dòng điện đó chạy qua tụ điện một cách hiệu quả.

Một tụ điện tích điện luôn được tích điện một chiều, tức là một bên có điện tích dương và bên còn lại âm. Các khoản phí này là một kho lưu trữ năng lượng điện , cần thiết trong nhiều mạch.

Điện áp tối đa được xác định bởi hàng rào cách điện. Trên một điện áp nhất định, nó sẽ bị hỏng và tạo ra một mạch ngắn. Điều đó có thể xảy ra dưới DC nhưng cũng theo AC.

Một cách nghĩ đơn giản về nó là một tụ điện chặn DC, trong khi một tụ điện song song giúp duy trì điện áp ổn định.

Đây thực sự là hai ứng dụng có cùng hành vi - một tụ điện phản ứng để cố gắng giữ cho điện áp trên chính nó không đổi. Trong trường hợp sê-ri, thật vui khi loại bỏ chênh lệch điện áp ổn định, nhưng mọi thay đổi đột ngột ở một bên sẽ được truyền qua bên kia để giữ cho chênh lệch điện áp không đổi. Trong trường hợp song song, bất kỳ thay đổi đột ngột về điện áp sẽ được phản ứng.

Lượng điện tích phát triển trên các bản của tụ điện với điện áp cho trước trên các cực của nó được điều chỉnh theo công thức:

$Q = C \times V$ (điện tích = điện dung * điện áp)

Phân biệt cả hai mặt (hiện tại là đạo hàm thời gian của điện tích), đưa ra:

$I = C \times \dfrac {dV}{dt}$ (current = điện dung * tốc độ thay đổi điện áp)

Điện áp một chiều giống như nói .$\dfrac{dV}{dt} = 0$

Vì vậy, một tụ điện cho phép không có dòng điện "chạy qua" nó cho điện áp DC (tức là nó chặn DC).

Điện áp trên các bản của tụ điện cũng phải thay đổi liên tục, do đó, tụ điện có tác dụng "giữ" điện áp một khi chúng được nạp vào nó, cho đến khi điện áp đó có thể được phóng qua điện trở. Do đó, việc sử dụng rất phổ biến cho các tụ điện là ổn định điện áp đường ray và đường ray tách rời khỏi mặt đất.

Xếp hạng điện áp là mức điện áp bạn có thể áp dụng trên các bản trước khi các lực tĩnh điện phá vỡ các tính chất vật liệu của vật liệu điện môi giữa các bản khiến nó bị vỡ như một tụ điện :).

Đây không phải là một câu trả lời kỹ thuật, nhưng nó là một lời giải thích đồ họa mà tôi thấy rất buồn cười và đơn giản:

Câu trả lời của tôi cho những câu hỏi như vậy luôn luôn là "nước". Nước chảy qua các đường ống là một sự tương tự chính xác đáng ngạc nhiên cho dòng chảy qua dây dẫn. Hiện tại là bao nhiêu nước chảy qua một đường ống. Chênh lệch điện áp trở thành chênh lệch áp suất nước. Các đường ống được cho là nằm phẳng, do đó trọng lực không có vai trò.

Trong một tương tự như vậy, một pin là một máy bơm nước, và một tụ điện là một màng cao su mà hoàn toàn khối các ống. DC là nước chảy liên tục theo một hướng thông qua một đường ống. AC là nước chảy qua lại mọi lúc.

Với suy nghĩ này, rõ ràng là một tụ điện chặn DC: vì màng chỉ có thể kéo dài cho đến nay, nước không thể tiếp tục chảy theo cùng một hướng. Sẽ có một số dòng chảy trong khi màng kéo dài (tức là các tụ điện), nhưng tại một thời điểm, nó trở nên căng đủ để cân bằng hoàn toàn áp lực nước, do đó ngăn chặn mọi dòng chảy tiếp theo.

Rõ ràng là một tụ điện sẽ không chặn hoàn toàn AC, nhưng nó phụ thuộc vào thuộc tính màng. Nếu màng đủ co giãn (điện dung cao), nó sẽ không gây ra thách thức đối với nước chảy qua lại nhanh chóng. Nếu màng thực sự khá cứng (ví dụ như một tấm nhựa mỏng), điều này tương ứng với điện dung thấp và nếu nước chảy qua lại chậm, dòng chảy đó sẽ bị chặn, nhưng dao động tần số rất cao vẫn sẽ chảy qua.

Sự tương tự này rất hữu ích với tôi đến nỗi tôi thực sự tự hỏi tại sao nó không được sử dụng rộng rãi hơn.

Trước hết, một tụ điện chặn DC và là trở kháng thấp hơn với AC, trong khi một cuộn cảm có xu hướng chặn AC nhưng lại vượt qua DC rất dễ dàng. Bằng cách "chặn", chúng tôi muốn nói là nó cung cấp trở kháng cao cho tín hiệu mà chúng ta đang nói đến.

Tuy nhiên, trước tiên, chúng ta cần xác định một vài thuật ngữ để giải thích điều này. Bạn biết kháng cự là gì, phải không? Kháng chiến là sự đối lập với dòng chảy hiện tại dẫn đến việc đốt cháy năng lượng, được đo bằng watt. Không có vấn đề gì nếu dòng điện là AC hoặc DC, công suất tiêu tán bởi một điện trở hoàn hảo là cùng một lượng cho cả hai.

Vì vậy, điện trở là một loại "trở kháng" đối với dòng chảy hiện tại. Có 2 loại khác - "phản ứng cảm ứng" và "phản ứng điện dung". Cả hai cũng được đo bằng ohms, giống như điện trở, nhưng cả hai đều khác nhau ở chỗ, vì một điều, chúng thay đổi theo tần số, và đối với một thứ khác, chúng không thực sự tiêu thụ năng lượng như điện trở. Vì vậy, tất cả cùng nhau, có 3 loại trở kháng - điện trở, điện cảm và điện dung.

Số lượng chặn hoặc trở kháng của cuộn cảm trong ohms có thể được xác định bởi:

Trong đó 2pi xấp xỉ 6,28, f là tần số (AC, rõ ràng) của tín hiệu, L là độ tự cảm được đo trong henries và trong đó "X sub L" là phản ứng cảm ứng trong ohms.

Phản ứng cảm ứng là trở kháng của một thành phần do độ tự cảm; nó là một loại điện trở, nhưng không thực sự đốt cháy năng lượng tính bằng watt như điện trở, và vì "f" cho tần số cần được cung cấp, giá trị của nó thay đổi theo tần số của một cuộn cảm nhất định.

Lưu ý rằng khi tần số tăng, thì trở kháng (điện trở AC) trong ohms cũng vậy. Và lưu ý rằng nếu tần số bằng 0, thì trở kháng cũng vậy - tần số bằng 0 có nghĩa là DC, do đó, cuộn cảm hầu như không có khả năng chống lại dòng điện DC. Và khi tần số tăng lên, trở kháng cũng vậy.

Các tụ điện ngược lại - công thức cho phản ứng điện dung là

Ở đây, C là điện dung của nắp trong farads, "2pi" và "f" giống như trên và "X-sub-C" là phản ứng điện dung trong ohms. Lưu ý rằng ở đây, điện kháng là "một chia cho" tần số và điện dung - điều này dẫn đến các giá trị trở kháng đi xuống với tần số và điện dung. Vì vậy, nếu tần số cao, trở kháng sẽ thấp và nếu tần số gần bằng 0, đó là DC, trở kháng sẽ gần như vô hạn - nói cách khác, tụ điện chặn DC, nhưng vượt qua AC, và tần số càng cao tín hiệu AC, trở kháng càng ít.

Tôi sẽ đi theo cách tiếp cận ngắn gọn nhất để trả lời định tính:

Trên thực tế, có một tụ điện trên đường ray DC để rút ngắn mọi tín hiệu AC có thể đi vào đường ray cung cấp, do đó lượng AC trên mạch DC của bạn bị giảm.

Xếp hạng điện áp trên nắp là điện áp tối đa (tổng DC và bất kỳ AC hiện diện nào!) Mà nắp phải nhìn thấy. Vượt quá điện áp này và nắp sẽ thất bại.