我对此感到困惑!电容器如何阻挡直流电?
- 我已经看到许多电路使用由直流电源供电的电容器。那么,如果电容器阻塞了DC,为什么还要在此类电路中使用它呢?
- 另外,额定电压被称为电容器上的DC值。它代表什么?
我对此感到困惑!电容器如何阻挡直流电?
Answers:
我认为这将有助于理解电容器如何在允许AC(交流电)的同时阻止DC(直流电)。
让我们从最简单的直流电源开始:电池:
当此电池用于为某物供电时,电子被吸入电池的+侧,并从-侧推出。
让我们将一些电线连接到电池上:
这里仍然没有完整的电路(电线不会走到任何地方),因此没有电流流动。
但这并不意味着没有任何电流。您会看到,铜线金属中的原子由被电子包围的铜原子核组成。将铜线视为正铜离子,而电子会在周围浮动会有所帮助:
注:我用的是象征ë -代表电子
在金属中,很容易将电子推到周围。在我们的情况下,我们装有电池。它实际上可以从导线中吸取一些电子:
连接到电池正极的导线将电子吸出。然后将那些电子从电池的负极推出,插入连接到负极的导线中。
重要的是要注意,电池不能清除所有电子。电子通常被它们留下的正离子吸引。因此很难去除所有电子。
最终,我们的红线将带有轻微的正电荷(因为缺少电子),黑线将带有轻微的负电荷(因为具有额外的电子)。
因此,当您首次将电池连接到这些电线时,只会流过少量电流。电池不能移动很多电子,因此电流流动非常短暂,然后停止。
如果断开电池连接,将其翻转并重新连接:黑色电线中的电子将被吸入电池中,并被推入红色电线中。再一次,只有极少量的电流流动,然后它将停止。
仅使用两根导线的问题在于,我们没有太多的电子来推动。我们需要的是大量的电子可玩-大量的金属。电容器就是这样:每条导线的末端附着有一大块金属。
有了这么大的金属,我们可以轻松推动更多的电子。现在,“正”侧可以吸收更多的电子,而“负”侧可以吸收更多的电子:
因此,如果将交流电源施加到电容器,将允许一部分电流流动,但是过一会儿,电子将用光,从而停止流动。对于交流电源而言,这是幸运的,因为它随后会反转,并且允许电流再次流过。
电容器不仅是两个金属块。电容器的另一个设计特征是它使用了两个彼此非常靠近的金属块(想象一下,一层蜡纸夹在两片锡箔之间)。
他们之所以使用被“蜡纸”隔开的“锡箔”,是因为他们希望负电子非常接近他们留下的正“孔”。这导致电子被吸引到正“空穴”上:
因为电子是负的,而“空穴”是正的,所以电子被吸引到空穴上。这导致电子实际上停留在那里。现在,您可以取出电池,电容器实际上将保留该电荷。
这就是为什么电容器可以存储电荷的原因。电子被吸引到它们留下的空穴中。
但是那张蜡纸并不是理想的绝缘体。这将允许一些泄漏。但是,如果您堆积了太多的电子,就会出现真正的问题。电容器的两个“ 极板 ” 之间的电场实际上会变得如此强烈,以至于导致蜡纸破裂,从而永久损坏电容器:
实际上,电容器不再是由锡箔和蜡纸制成的;他们使用更好的材料。但是仍然存在一个“电压”点,两个平行板之间的绝缘子击穿,从而损坏了设备。这是电容器的额定最大直流电压。
让我看看是否可以在其他3个答案中添加一个观点。
电容器在高频下表现为短路,而在低频下表现为开路。
因此,这是两种情况:
电容器与信号串联
在这种情况下,AC可以通过,但DC被阻止。通常将其称为耦合电容器。
电容器与信号并联
在这种情况下,DC可以通过,但AC接地短路,导致其被阻塞。通常将其称为去耦电容器。
什么是交流电?
我使用了“高频率”和“低频率”这两个术语,因为它们实际上没有任何关联的数字。我这样做是因为认为高低取决于电路其余部分的情况。如果您想了解更多有关此的信息,可以阅读Wikipedia上的低通滤波器或我们的一些RC滤波器问题。
额定电压
电容器上看到的电压是在开始存在电容器物理损坏的危险之前,可以安全地施加到电容器的最大电压。有时这会发生爆炸,有时是火灾,有时甚至是变热。
原因在于相反的电荷相互吸引。电容器是由两个导电板组成的紧凑结构,由非常薄的绝缘体隔开。如果将DC放在其一侧,则一侧将带正电,而另一侧将带负电。两种电荷相互吸引,但不能通过绝缘层。没有电流。这就是DC故事的结尾。
对于AC,情况有所不同。一侧将依次带正电荷和负电荷,并分别吸引负电荷和正电荷。因此,势垒一侧的变化会引起另一侧的变化,从而使电荷似乎越过势垒,并且电流有效地流过电容器。
一个已充电的电容器总是直流充电的,即一侧带有正电荷,另一侧带有负电荷。这些电荷是电能的存储,这在许多电路中都是必需的。
最大电压由绝缘势垒确定。超过一定电压,它将击穿并产生短路。这可能在直流下发生,但在交流下也可能发生。
一种简单的思考方法是,串联电容器可阻止直流电,而并联电容器则有助于保持稳定的电压。
这实际上是两种具有相同行为的应用程序-电容器会做出反应,以尝试使自身两端的电压保持恒定。在串联情况下,消除稳定的电压差是很高兴的,但是任何一侧的突然变化都将传递到另一侧,以保持电压差恒定。在并联情况下,电压的任何突然变化都会受到反应。
这不是一个非常技术性的答案,但是我发现它是一个图形化的解释,非常有趣和简单:
我对这些问题的回答永远是“水”。流经管道的水是流经电线的电流的令人惊讶的准确类比。电流是流过管道的水量。电压差成为水压差。管道应平放,因此重力不起作用。
在这样的类比,一个电池是一个水泵和一个电容器是橡胶膜,其完全阻断的管。DC是不断通过管道向一个方向流动的水。AC是一直来回流动的水。
考虑到这一点,很明显电容器会阻塞DC:由于膜只能拉伸到这么远,所以水不能仅保持向同一方向流动。膜拉伸时会有一定的流量(即电容器充电),但在某一时刻它会变得足够拉伸以完全平衡水压,从而阻止任何进一步的流量。
同样显而易见的是,电容器不会完全阻塞交流电,但它确实取决于膜的性能。如果膜具有足够的弹性(高电容),它将不会对快速来回流动的水造成挑战。如果膜确实很硬(例如,一块塑料薄片),则表示电容低,并且如果水来回缓慢流动,则这种流动将被阻止,但非常高的频率振荡仍会使其通过。
这种类比对我是如此有用,以至于我真的想知道为什么它没有被更广泛地使用。
首先,电容器会阻止DC,并且对AC的阻抗较低,而电感器会阻止AC,但很容易通过DC。“阻塞”是指它为我们正在谈论的信号提供了高阻抗。
但是,首先,我们需要定义一些术语来解释这一点。你知道什么是抵抗吗?电阻是导致电流消耗的电流的相反方向,以瓦特为单位。电流是AC还是DC都没有关系,理想电阻器消耗的功率对于这两者都是相同的。
因此,电阻是电流的一种“阻抗”。还有另外两个-“电感电抗”和“电容电抗”。两者都以欧姆为单位进行测量,就像电阻一样,但是两者都不同,一方面,它们随频率而变化,另一方面,它们实际上并没有像电阻那样消耗功率。因此,总共有3种阻抗-电阻性,电感性和电容性。
电感器的阻隔或阻抗量可以通过以下方式确定:
其中2pi约为6.28,f是信号的频率(显然是AC),L是用亨利度量的电感,而“ X sub L”是以欧姆为单位的感抗。
感抗是由于电感引起的元件阻抗。它是一种电阻,但实际上并没有像电阻器那样消耗瓦特的功率,并且由于需要提供频率的“ f”,因此给定电感器的值会随频率而变化。
请注意,随着频率的升高,阻抗(交流电阻)也以欧姆为单位。并请注意,如果频率等于零,那么阻抗也是如此-频率为零表示直流,因此电感器实际上对直流电流没有任何电阻。随着频率的升高,阻抗也随之升高。
电容是相反的-电容电抗的公式为
此处,C是电容器的电容,以法拉为单位,“ 2pi”和“ f”与上面相同,“ X-sub-C”是电容电抗,以欧姆为单位。请注意,在这里,电抗被频率和电容“除以”-这导致阻抗值随频率和电容而降低。因此,如果频率高,则阻抗会低;如果频率接近零(即直流),则阻抗几乎是无限的-换句话说,电容器会阻塞DC,但会通过AC,且频率越高交流信号的阻抗越小。