ตัวเก็บประจุบล็อก DC อย่างไร

ฉันสับสนกับสิ่งนี้! ตัวเก็บประจุบล็อก DC อย่างไร

• ฉันเห็นวงจรจำนวนมากที่ใช้ตัวเก็บประจุที่ขับเคลื่อนด้วยแหล่งจ่ายไฟกระแสตรง ดังนั้นถ้าตัวเก็บประจุบล็อก DC ทำไมมันควรจะใช้ในวงจรดังกล่าว
• นอกจากนี้อัตราแรงดันไฟฟ้ายังถูกกล่าวถึงเป็นค่า DC ของตัวเก็บประจุ มันหมายถึงอะไร?

ฉันคิดว่ามันจะช่วยให้เข้าใจว่าตัวเก็บประจุบล็อก DC (กระแสตรง) ในขณะที่อนุญาตให้ AC (กระแสสลับ)

เริ่มจากแหล่งที่ง่ายที่สุดของ DC ซึ่งเป็นแบตเตอรี่:

เมื่อแบตเตอรี่นี้จะถูกใช้ในบางสิ่งบางอย่างพลังงานอิเล็กตรอนจะถูกดึงเข้าไปใน+ด้านข้างของแบตเตอรี่และผลักดันออก-ด้านข้าง

ลองต่อสายไฟเข้ากับแบตเตอรี่:

ยังไม่มีวงจรที่สมบูรณ์ (สายไม่ไปที่ใดก็ได้) ดังนั้นจึงไม่มีกระแสไฟฟ้าไหล

แต่นั่นไม่ได้หมายความว่ามีไม่ใด ๆไหลของกระแส คุณเห็นไหมว่าอะตอมในโลหะลวดทองแดงนั้นประกอบด้วยนิวเคลียสของอะตอมทองแดงล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอน การคิดว่าลวดทองแดงเป็นไอออนบวกของทองแดงจะมีประโยชน์ถ้ามีอิเล็กตรอนลอยอยู่รอบ ๆ :

หมายเหตุ:ฉันใช้สัญลักษณ์e ^-เพื่อเป็นตัวแทนของอิเล็กตรอน

ในโลหะมันง่ายมากที่จะผลักอิเล็กตรอนไปรอบ ๆ ในกรณีของเราเรามีแบตเตอรี่ติดอยู่ มันสามารถดูดอิเล็กตรอนบางตัวออกมาจากเส้นลวด:

ลวดแนบไปในเชิงบวกด้านข้างของแบตเตอรี่อิเล็กตรอนดูดออกจากมัน อิเล็กตรอนเหล่านั้นจะถูกผลักออกด้านลบของแบตเตอรี่เข้าไปในลวดที่ติดกับด้านลบ

เป็นเรื่องสำคัญที่จะต้องทราบว่าแบตเตอรี่ไม่สามารถกำจัดอิเลคตรอนได้ทั้งหมด โดยทั่วไปอิเล็กตรอนจะถูกดึงดูดไปยังไอออนบวกที่ทิ้งไว้ข้างหลัง ดังนั้นจึงเป็นการยากที่จะกำจัดอิเล็กตรอนออกทั้งหมด

ในตอนท้ายลวดสีแดงของเราจะมีประจุบวกเล็กน้อย (เพราะอิเล็กตรอนหายไป) และลวดสีดำจะมีประจุลบเล็กน้อย (เพราะมันมีอิเล็กตรอนพิเศษ)

ดังนั้นเมื่อคุณเชื่อมต่อแบตเตอรี่เข้ากับสายไฟเหล่านี้ครั้งแรกกระแสไฟฟ้าเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่จะไหล แบตเตอรี่จะไม่สามารถที่จะย้ายอิเล็กตรอนมากดังนั้นการไหลของกระแสมากในเวลาสั้น ๆ แล้วหยุด

หากคุณตัดการเชื่อมต่อแบตเตอรี่ให้พลิกไปรอบ ๆ และเชื่อมต่อใหม่: อิเล็กตรอนในสายสีดำจะถูกดูดเข้าไปในแบตเตอรี่และผลักเข้าไปในสายสีแดง อีกครั้งจะมีการไหลของกระแสเพียงเล็กน้อยและจากนั้นก็จะหยุด

ปัญหาเพียงแค่ใช้สายไฟสองเส้นคือเราไม่มีอิเล็กตรอนจำนวนมากที่จะผลักดัน สิ่งที่เราต้องการคืออิเล็กตรอนขนาดใหญ่ที่สามารถเล่นกับ - โลหะก้อนใหญ่ นั่นคือสิ่งที่ตัวเก็บประจุคือก้อนโลหะขนาดใหญ่ที่ติดอยู่ที่ปลายของสายแต่ละเส้น

ด้วยโลหะก้อนใหญ่ชิ้นนี้มีอิเล็กตรอนจำนวนมากที่เราสามารถผลักไปมาได้อย่างง่ายดาย ตอนนี้ด้าน "บวก" สามารถดูดอิเล็กตรอนออกมาได้มากและด้าน "ลบ" สามารถผลักอิเล็กตรอนเข้ามาได้มากขึ้น:

ดังนั้นถ้าคุณใช้แหล่งกำเนิดกระแสสลับกับตัวเก็บประจุกระแสบางส่วนนั้นจะได้รับอนุญาตให้ไหล แต่หลังจากนั้นครู่หนึ่งมันจะไหลออกมาจากอิเล็กตรอนเพื่อดันไปรอบ ๆ และการไหลจะหยุด นี่คือโชคดีสำหรับแหล่ง AC เนื่องจากมันกลับด้านและกระแสได้รับอนุญาตให้ไหลอีกครั้ง

แต่ทำไมตัวเก็บประจุถึงได้คะแนนเป็น DC โวลต์

ตัวเก็บประจุไม่ได้เป็นแค่โลหะสองอันเท่านั้น คุณสมบัติการออกแบบอีกอย่างของตัวเก็บประจุคือมันใช้โลหะสองก้อนที่อยู่ใกล้กันมาก (ลองจินตนาการถึงชั้นของกระดาษขี้ผึ้งที่คั่นระหว่างแผ่นฟอยล์ดีบุกสองแผ่น)

เหตุผลที่พวกเขาใช้ "ฟอยล์ดีบุก" คั่นด้วย "กระดาษแว็กซ์" เป็นเพราะพวกเขาต้องการอิเล็กตรอนเชิงลบที่จะเป็นมากใกล้เคียงกับ "หลุม" ในเชิงบวกที่พวกเขาทิ้งไว้เบื้องหลัง สิ่งนี้ทำให้อิเล็กตรอนถูกดึงดูดไปที่ "หลุม" บวก:

เนื่องจากอิเล็กตรอนเป็นลบและ "หลุม" เป็นบวกอิเล็กตรอนจะถูกดึงดูดเข้าหารู นี่ทำให้อิเล็กตรอนอยู่ที่นั่นจริง ขณะนี้คุณสามารถเอาแบตเตอรี่และตัวเก็บประจุจริงจะถือค่าใช้จ่ายที่

นี่คือสาเหตุที่ตัวเก็บประจุสามารถเก็บประจุได้ อิเล็กตรอนจะถูกดึงดูดไปยังหลุมที่พวกเขาทิ้งไว้ข้างหลัง

แต่กระดาษแว็กซ์นั้นไม่ใช่ฉนวนที่สมบูรณ์แบบ มันจะช่วยให้บางส่วนรั่วไหล แต่ปัญหาที่แท้จริงเกิดขึ้นถ้าคุณมีอิเล็กตรอนมากเกินไป สนามไฟฟ้าระหว่าง " เพลต " สองตัวของคาปาซิเตอร์จริง ๆ แล้วจะรุนแรงมากจนทำให้กระดาษแว็กซ์พังทลายทำให้เสียหายอย่างถาวร:

ในความเป็นจริงตัวเก็บประจุไม่ได้ทำจากกระดาษฟอยล์และกระดาษไข (อีกต่อไป); พวกเขาใช้วัสดุที่ดีกว่า แต่ยังคงมีจุดหนึ่งคือ "แรงดันไฟฟ้า" ที่ฉนวนระหว่างแผ่นเปลือกโลกสองแผ่นที่พังทลายลงมาทำลายอุปกรณ์ นี่คือแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงสูงสุดของตัวเก็บประจุ

ให้ฉันดูว่าฉันสามารถเพิ่มมุมมองอีกหนึ่งข้อในอีก 3 คำตอบ

ตัวเก็บประจุทำหน้าที่เหมือนสั้นที่ความถี่สูงและเปิดที่ความถี่ต่ำ

ดังนั้นนี่คือสองกรณี:

ตัวเก็บประจุแบบอนุกรมพร้อมสัญญาณ

ในสถานการณ์นี้ AC สามารถผ่าน แต่ DC ถูกบล็อก สิ่งนี้เรียกว่าตัวเก็บประจุแบบคัปปลิ้ง

ตัวเก็บประจุแบบขนานกับสัญญาณ

ในสถานการณ์เช่นนี้ DC สามารถผ่านได้ แต่ AC สั้นลงสู่พื้นทำให้ถูกบล็อก โดยทั่วไปเรียกว่าตัวเก็บประจุแยก

AC คืออะไร

ฉันใช้คำว่า "High Freq" และ "Low Freq" ค่อนข้างหลวมเพราะไม่มีตัวเลขที่เกี่ยวข้อง ฉันทำสิ่งนี้เพราะสิ่งที่ถือว่าต่ำและสูงขึ้นอยู่กับสิ่งที่เกิดขึ้นในส่วนที่เหลือของวงจร หากคุณต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับสิ่งนี้คุณสามารถอ่านเกี่ยวกับตัวกรอง low-pass ในWikipediaหรือคำถามเกี่ยวกับตัวกรอง RCของเรา

ระดับแรงดันไฟฟ้า

แรงดันไฟฟ้าที่คุณเห็นด้วยตัวเก็บประจุเป็นแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่คุณสามารถนำไปใช้กับตัวเก็บประจุได้อย่างปลอดภัยก่อนที่คุณจะเริ่มเสี่ยงของตัวเก็บประจุที่จะทำลายลง บางครั้งสิ่งนี้เกิดขึ้นจากการระเบิดบางครั้งไฟหรือบางครั้งก็ร้อน

คำอธิบายนั้นในความจริงที่ว่าค่าใช้จ่ายตรงข้ามดึงดูดซึ่งกันและกัน ตัวเก็บประจุเป็นโครงสร้างที่กะทัดรัดของแผ่นนำ 2 แผ่นคั่นด้วยฉนวนที่บางมาก หากคุณวาง DC ไว้ด้านหนึ่งจะมีประจุบวกและอีกด้านหนึ่งเป็นลบ ประจุทั้งสองดึงดูดกัน แต่ไม่สามารถผ่านสิ่งกีดขวางที่เป็นฉนวนได้ ไม่มีกระแสในปัจจุบัน นั่นคือจุดสิ้นสุดของเรื่องราวสำหรับ DC
สำหรับ AC มันแตกต่างกัน ด้านหนึ่งจะถูกประจุบวกและลบอย่างต่อเนื่องและดึงดูดประจุลบและประจุบวก ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงในด้านหนึ่งของสิ่งกีดขวางกระตุ้นให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในอีกด้านหนึ่งเพื่อให้ปรากฏว่าประจุพุ่งผ่านสิ่งกีดขวางและกระแสนั้นไหลผ่านตัวเก็บประจุได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ตัวเก็บประจุที่มีประจุจะถูกประจุ DC เสมอนั่นคือด้านหนึ่งมีประจุบวกและอีกด้านหนึ่งเป็นลบ ประจุเหล่านี้เป็นแหล่งเก็บพลังงานไฟฟ้าซึ่งมีความจำเป็นในหลาย ๆ วงจร

แรงดันไฟฟ้าสูงสุดจะถูกกำหนดโดยกำแพงฉนวน เหนือแรงดันไฟฟ้าบางอย่างมันจะพังและสร้างไฟฟ้าลัดวงจร ที่สามารถเกิดขึ้นภายใต้ DC แต่ยังอยู่ภายใต้ AC

วิธีคิดง่ายๆคือตัวเก็บประจุอนุกรมบล็อกกระแสตรงในขณะที่ตัวเก็บประจุแบบขนานช่วยรักษาแรงดันไฟฟ้าคงที่

นี่เป็นแอปพลิเคชั่นสองตัวที่มีพฤติกรรมเดียวกัน - ตัวเก็บประจุตอบสนองเพื่อพยายามรักษาแรงดันให้คงที่ ในกรณีของซีรีส์มีความสุขมากที่จะลบความต่างของแรงดันไฟฟ้าคงที่ แต่การเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันในด้านใดด้านหนึ่งจะถูกส่งผ่านไปยังอีกด้านหนึ่งเพื่อให้ค่าคงที่ของความต่างศักย์คงที่ ในกรณีแบบขนานการเปลี่ยนแปลงแรงดันอย่างฉับพลันใด ๆ จะทำปฏิกิริยากับ

จำนวนประจุที่พัฒนาข้ามเพลตของตัวเก็บประจุที่มีแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดข้ามเทอร์มินัลจะถูกควบคุมโดยสูตร:

$Q = C \times V$

การแยกความแตกต่างของทั้งสองด้าน (ปัจจุบันคือเวลาอนุพันธ์ของประจุ) ให้:

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

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

ตัวเก็บประจุจึงไม่อนุญาตให้กระแสไหลผ่าน "ผ่าน" สำหรับแรงดัน DC (เช่นบล็อก DC)

แรงดันไฟฟ้าที่อยู่บนเพลตของตัวเก็บประจุจะต้องเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องดังนั้นตัวเก็บประจุจึงมีผลกระทบของ "แรงดันไฟฟ้า" เมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกประจุจนกระทั่งมันจะถูกปล่อยออกมาผ่านแรงต้านทาน การใช้งานทั่วไปมากสำหรับตัวเก็บประจุจึงทำให้แรงดันไฟฟ้าของรถไฟคงตัวและแยกรางออกจากพื้น

ระดับแรงดันไฟฟ้าคือแรงดันไฟฟ้าที่คุณสามารถใช้งานได้ทั่วทั้งแผ่นก่อนที่กองกำลังคงที่จะสลายคุณสมบัติของวัสดุของวัสดุอิเล็กทริกระหว่างแผ่นที่แสดงว่ามันแตกเป็นตัวเก็บประจุ :)

นี่ไม่ใช่คำตอบทางเทคนิค แต่เป็นคำอธิบายเชิงกราฟิกที่ฉันพบว่าตลกและเรียบง่ายมาก:

คำตอบของคำถามเช่นนี้คือ "น้ำ" เสมอ น้ำไหลผ่านท่อเป็นการเปรียบเทียบที่แม่นยำอย่างน่าประหลาดใจสำหรับกระแสที่ไหลผ่านสายไฟ กระแสคือปริมาณน้ำไหลผ่านท่อ ความต่างศักย์ไฟฟ้าจะกลายเป็นความแตกต่างของแรงดันน้ำ ท่อควรจะนอนราบดังนั้นแรงโน้มถ่วงจึงไม่มีบทบาท

ในการเปรียบเทียบแบตเตอรี่เป็นปั๊มน้ำและตัวเก็บประจุเป็นเมมเบรนยางซึ่งปิดกั้นท่ออย่างสมบูรณ์ DC คือน้ำไหลอย่างต่อเนื่องในทิศทางเดียวผ่านท่อ AC คือน้ำไหลไปมาตลอดเวลา

เมื่อคำนึงถึงเรื่องนี้มันควรจะเห็นได้ชัดว่าตัวเก็บประจุบล็อก DC: เนื่องจากเมมเบรนสามารถยืดได้จนถึงขณะนี้น้ำไม่สามารถไหลไปในทิศทางเดียวกันได้ จะมีการไหลบางส่วนในขณะที่เมมเบรนยืด (เช่นประจุตัวเก็บประจุ) แต่เมื่อถึงจุดหนึ่งมันก็จะยืดมากพอที่จะทำให้สมดุลของแรงดันน้ำสมบูรณ์

นอกจากนี้ยังเห็นได้ชัดว่าตัวเก็บประจุจะไม่บล็อก AC ทั้งหมด แต่ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของเมมเบรน ถ้าเมมเบรนยืดเพียงพอ (ความจุสูง) ก็จะไม่เกิดความท้าทายกับน้ำที่ไหลไปมาอย่างรวดเร็ว หากเมมเบรนค่อนข้างแข็ง (เช่นแผ่นพลาสติกบาง ๆ ) สิ่งนี้สอดคล้องกับความจุต่ำและหากน้ำไหลไปมาช้า ๆ การไหลดังกล่าวจะถูกบล็อก แต่การแกว่งความถี่สูงมากจะทำให้มันผ่านไปได้

การเปรียบเทียบนี้มีประโยชน์มากสำหรับฉันโดยเฉพาะฉันสงสัยจริงๆว่าทำไมมันไม่ได้ใช้อย่างแพร่หลายมากขึ้น

ก่อนอื่นตัวเก็บประจุจะบล็อก DC และเป็นความต้านทานต่อ AC ที่ต่ำกว่าในขณะที่ตัวเหนี่ยวนำมีแนวโน้มที่จะบล็อก AC แต่ผ่าน DC ได้อย่างง่ายดายมาก โดย "การปิดกั้น" เราหมายถึงว่ามันมีความต้านทานสูงต่อสัญญาณที่เรากำลังพูดถึง

ก่อนอื่นเราต้องนิยามคำศัพท์สองสามคำเพื่ออธิบายสิ่งนี้ คุณรู้ไหมว่าความต้านทานคืออะไร ความต้านทานคือการต่อต้านกระแสที่ส่งผลให้เกิดการเผาไหม้ของพลังงานวัดเป็นวัตต์ ไม่สำคัญว่ากระแสจะเป็น AC หรือ DC กำลังงานที่กระจายโดยตัวต้านทานที่สมบูรณ์แบบนั้นมีค่าเท่ากัน

ความต้านทานจึงเป็น "อิมพีแดนซ์" ชนิดหนึ่งต่อการไหลของกระแส มี 2 ​​คนอื่น ๆ - "ปฏิกิริยารีแอคทีฟ" และ "รีแอคแตนซ์ปฏิกิริยา" ทั้งสองวัดในหน่วยโอห์มเช่นความต้านทาน แต่ทั้งสองแตกต่างกันสำหรับสิ่งหนึ่งพวกเขาแตกต่างกันไปตามความถี่และอื่น ๆ พวกเขาไม่ได้ใช้พลังงานเหมือนที่ความต้านทานทำ ดังนั้นทั้งหมดเข้าด้วยกันมีอิมพีแดนซ์ 3 ชนิดคือตัวต้านทานตัวเหนี่ยวนำและตัวต้านทาน

จำนวนของการปิดกั้นหรืออิมพีแดนซ์ของตัวเหนี่ยวนำในโอห์มสามารถกำหนดได้โดย:

ที่ 2pi มีค่าประมาณ 6.28, f คือความถี่ (AC, ชัด) ของสัญญาณ, L คือการเหนี่ยวนำที่วัดในเฮนรี, และที่ "X sub L" เป็นปฏิกิริยารีเอเจนต์ในโอห์ม

ปฏิกิริยาการเหนี่ยวนำคือความต้านทานของส่วนประกอบเนื่องจากการเหนี่ยวนำ; มันเป็นความต้านทาน แต่จริง ๆ แล้วไม่ได้เผาผลาญพลังงานในวัตต์เหมือนที่ตัวต้านทานทำและเนื่องจาก "f" สำหรับความถี่จำเป็นต้องได้รับการจัดหาค่าของมันจึงแปรผันตามความถี่ของตัวเหนี่ยวนำที่กำหนด

โปรดสังเกตว่าในขณะที่ความถี่สูงขึ้นอิมพิแดนซ์ (ความต้านทาน AC) จึงมีหน่วยเป็นโอห์ม และสังเกตว่าถ้าความถี่เท่ากับศูนย์ดังนั้นอิมพีแดนซ์ - ความถี่ของศูนย์หมายถึง DC ดังนั้นตัวเหนี่ยวนำจึงแทบไม่มีความต้านทานกระแสไฟฟ้ากระแสตรง และเมื่อความถี่เพิ่มขึ้นอิมพีแดนซ์ก็เช่นกัน

ตัวเก็บประจุเป็นสิ่งที่ตรงกันข้าม - สูตรสำหรับปฏิกิริยารีเซพเตอร์ capacitive คือ

ที่นี่ C คือความจุของฝาปิดที่อยู่ไกล "2pi" และ "f" เหมือนกันกับด้านบนและ "X-sub-C" เป็นปฏิกิริยาแบบ capacitive ในหน่วยโอห์ม โปรดสังเกตว่าในที่นี้ค่ารีแอกแตนซ์คือ "หนึ่งหารด้วย" ความถี่และความจุ - ซึ่งส่งผลให้ค่าความต้านทานที่ลงไปด้วยความถี่และความจุ ดังนั้นถ้าความถี่สูงอิมพีแดนซ์จะต่ำและถ้าความถี่ใกล้ศูนย์ซึ่งก็คือ DC อิมพีแดนซ์จะเกือบไม่มีที่สิ้นสุด - กล่าวอีกอย่างคือตัวเก็บประจุบล็อก DC แต่ผ่าน AC และความถี่ของ สัญญาณ AC, ความต้านทานน้อยลงไป

ฉันจะไปหาคำตอบเชิงคุณภาพแบบตอบกลับสั้นที่สุด:

ตัวเก็บประจุข้ามราง DC จะมีผลให้สัญญาณ AC ใด ๆ สั้น ๆ ที่อาจเข้าสู่รางจ่ายได้ดังนั้นปริมาณ AC ในวงจรDCของคุณจึงลดลง

คะแนนแรงดันไฟฟ้าบนฝาปิดคือแรงดันไฟฟ้าสูงสุด (ผลรวมของ DC และ AC ใด ๆ !) ที่ฝาครอบควรดู เกินแรงดันนี้และฝาจะล้มเหลว