Bagaimana kapasitor memblokir DC?

Saya bingung dengan ini! Bagaimana kapasitor memblokir DC?

• Saya telah melihat banyak rangkaian menggunakan kapasitor yang ditenagai oleh suplai DC. Jadi, jika kapasitor menghalangi DC, mengapa harus digunakan di sirkuit seperti itu?
• Juga, peringkat tegangan disebutkan sebagai nilai DC pada kapasitor. Apa artinya?

Saya pikir itu akan membantu untuk memahami bagaimana blok kapasitor DC (arus searah) sambil memungkinkan AC (arus bolak-balik).

Mari kita mulai dengan sumber DC paling sederhana, baterai:

Ketika baterai ini sedang digunakan untuk daya sesuatu, elektron ditarik ke dalam + sisi baterai, dan mendorong keluar - sisi.

Mari kita pasang beberapa kabel ke baterai:

Masih belum ada rangkaian lengkap di sini (kabel tidak pergi ke mana pun), jadi tidak ada aliran arus.

Tetapi itu tidak berarti bahwa tidak ada aliran saat ini. Anda lihat, atom-atom dalam logam kawat tembaga terdiri dari inti atom tembaga, dikelilingi oleh elektronnya. Akan sangat membantu jika menganggap kawat tembaga sebagai ion tembaga positif, dengan elektron melayang-layang:

Catatan: Saya menggunakan simbol e ^- untuk merepresentasikan elektron

Dalam logam, sangat mudah untuk mendorong elektron. Dalam kasus kami, kami memiliki baterai yang terpasang. Ia sebenarnya dapat menyedot beberapa elektron dari kawat:

Kabel yang terpasang pada sisi positif baterai memiliki elektron yang disedot keluar . Elektron-elektron tersebut kemudian didorong keluar dari sisi negatif baterai ke dalam kabel yang melekat pada sisi negatif.

Penting untuk dicatat bahwa baterai tidak dapat melepaskan semua elektron. Elektron umumnya tertarik pada ion positif yang mereka tinggalkan; jadi sulit untuk menghapus semua elektron.

Pada akhirnya kabel merah kita akan memiliki muatan positif sedikit (karena itu kehilangan elektron), dan kabel hitam akan memiliki muatan negatif sedikit (karena memiliki elektron ekstra).

Jadi, ketika Anda pertama kali menghubungkan baterai ke kabel ini, hanya sedikit sedikit arus akan mengalir. Baterai tidak mampu menggerakkan sangat banyak elektron, sehingga arus mengalir sangat singkat, dan kemudian berhenti.

Jika Anda memutus baterai, membalikkannya, dan menghubungkannya kembali: elektron pada kabel hitam akan tersedot ke dalam baterai dan didorong ke dalam kabel merah. Sekali lagi hanya akan ada sejumlah kecil arus yang mengalir, dan kemudian itu akan berhenti.

Masalah dengan hanya menggunakan dua kabel adalah bahwa kita tidak memiliki banyak elektron untuk didorong. Yang kita butuhkan adalah simpanan elektron yang besar untuk dimainkan - sebongkah besar logam. Itulah kapasitor: sepotong besar logam yang melekat pada ujung masing-masing kawat.

Dengan potongan logam yang besar ini, ada lebih banyak elektron yang dapat dengan mudah kita dorong. Sekarang sisi "positif" dapat memiliki lebih banyak elektron yang dihisap darinya, dan sisi "negatif" dapat memiliki lebih banyak elektron yang didorong ke dalamnya:

Jadi jika Anda menerapkan sumber arus bolak - balik ke kapasitor, sebagian dari arus itu akan dibiarkan mengalir, tetapi setelah beberapa saat akan kehabisan elektron untuk mendorong, dan aliran akan berhenti. Ini beruntung untuk sumber AC, karena kemudian berbalik, dan arus dibiarkan mengalir sekali lagi.

Tetapi mengapa kapasitor dinilai dalam volt DC

Kapasitor bukan hanya dua bak logam. Fitur desain lain dari kapasitor adalah bahwa ia menggunakan dua bongkahan logam yang sangat dekat satu sama lain (bayangkan lapisan kertas lilin diapit di antara dua lembar kertas timah).

Alasan mereka menggunakan "kertas timah" yang dipisahkan oleh "kertas lilin" adalah karena mereka ingin elektron negatif sangat dekat dengan "lubang" positif yang mereka tinggalkan. Ini menyebabkan elektron tertarik ke "lubang" positif:

Karena elektron negatif, dan "lubang" positif, elektron tertarik ke lubang. Ini menyebabkan elektron benar-benar tinggal di sana. Anda sekarang dapat melepas baterai dan kapasitor benar-benar akan menahan muatan itu.

Inilah sebabnya mengapa kapasitor dapat menyimpan muatan; elektron tertarik ke lubang yang mereka tinggalkan.

Tapi kertas lilin itu bukan insulator yang sempurna; itu akan memungkinkan beberapa kebocoran. Tetapi masalah sebenarnya muncul jika jumlah elektron Anda terlalu banyak . Medan listrik antara dua " pelat " kapasitor benar-benar dapat menjadi sangat intens sehingga menyebabkan kerusakan kertas lilin, merusak kapasitor secara permanen:

Pada kenyataannya kapasitor tidak terbuat dari kertas timah dan kertas lilin (lagi); mereka menggunakan bahan yang lebih baik. Tetapi masih ada titik, "tegangan", di mana isolator antara dua pelat paralel rusak, menghancurkan perangkat. Ini adalah nilai tegangan DC maksimum kapasitor .

Biarkan saya melihat apakah saya dapat menambahkan satu perspektif lagi ke 3 jawaban lainnya.

Kapasitor bertindak seperti pendek pada frekuensi tinggi dan terbuka pada frekuensi rendah.

Jadi, inilah dua kasus:

Kapasitor seri dengan sinyal

Dalam situasi ini, AC dapat melewati, tetapi DC diblokir. Ini biasa disebut kapasitor kopling.

Kapasitor sejajar dengan sinyal

Dalam situasi ini, DC dapat melewati, tetapi AC korslet ke tanah menyebabkannya diblokir. Ini biasa disebut kapasitor decoupling.

Apa itu AC?

Saya telah menggunakan istilah "Frekuensi Tinggi" dan "Frekuensi Rendah" agak longgar karena mereka tidak benar-benar memiliki angka yang terkait dengan mereka. Saya melakukan ini karena apa yang dianggap rendah dan tinggi tergantung pada apa yang terjadi di sisa rangkaian. Jika Anda ingin mempelajari lebih lanjut tentang ini, Anda dapat membaca tentang filter low-pass di Wikipedia atau beberapa pertanyaan filter RC kami .

Peringkat tegangan

Tegangan yang Anda lihat dengan kapasitor adalah tegangan maksimum yang dapat Anda amankan ke kapasitor sebelum Anda mulai menjalankan risiko kapasitor rusak secara fisik. Terkadang ini terjadi sebagai ledakan, terkadang kebakaran, atau terkadang menjadi panas.

Penjelasannya adalah fakta bahwa tuduhan yang berlawanan menarik satu sama lain. Kapasitor adalah konstruksi kompak dari 2 pelat konduktor yang dipisahkan oleh isolator yang sangat tipis. Jika Anda menempatkan DC di satu sisi akan bermuatan positif dan sisi lain negatif. Kedua muatan saling menarik tetapi tidak bisa melewati penghalang isolasi. Tidak ada aliran saat ini. Jadi itulah akhir cerita untuk DC.
Untuk AC berbeda. Satu sisi secara berturut-turut akan dibebankan secara positif dan negatif, dan menarik tanggapan negatif dan positif. Jadi perubahan di satu sisi penghalang memprovokasi perubahan di sisi lain, sehingga tampak bahwa muatan melintasi penghalang, dan bahwa arus secara efektif mengalir melalui kapasitor.

Kapasitor yang terisi selalu bermuatan DC, yaitu satu sisi memiliki muatan positif dan sisi lain negatif. Muatan ini adalah penyimpanan energi listrik , yang diperlukan di banyak rangkaian.

Tegangan maksimum ditentukan oleh penghalang isolasi. Di atas tegangan tertentu itu akan rusak dan membuat korsleting. Itu bisa terjadi di bawah DC tetapi juga di bawah AC.

Cara sederhana untuk memikirkannya adalah bahwa kapasitor seri memblokir DC, sementara kapasitor paralel membantu menjaga tegangan tetap.

Ini benar-benar dua aplikasi dari perilaku yang sama - sebuah kapasitor bereaksi untuk mencoba menjaga voltase tetap konstan Dalam kasus seri, cukup senang untuk menghapus perbedaan tegangan tetap, tetapi setiap perubahan tiba-tiba di satu sisi akan diteruskan ke sisi lain untuk menjaga perbedaan tegangan konstan. Dalam kasus paralel, setiap perubahan tegangan yang tiba-tiba akan bereaksi.

Jumlah muatan yang berkembang melintasi pelat kapasitor dengan tegangan yang diberikan melintasi terminalnya diatur oleh rumus:

$Q = C \times V$ (muatan = kapasitansi * tegangan)

Membedakan kedua belah pihak (saat ini adalah turunan waktu dari biaya), memberikan:

$I = C \times \dfrac {dV}{dt}$ (arus = kapasitansi * tingkat perubahan tegangan)

Tegangan DC sama dengan mengatakan .$\dfrac{dV}{dt} = 0$

Jadi kapasitor tidak memungkinkan arus mengalir "melalui" itu untuk tegangan DC (yaitu itu memblokir DC).

Tegangan melintasi pelat kapasitor juga harus berubah secara kontinu, sehingga kapasitor memiliki efek "menahan" tegangan begitu mereka dibebankan padanya, sampai tegangan itu dapat dilepaskan melalui resistansi. Penggunaan yang sangat umum untuk kapasitor adalah menstabilkan voltase rel dan memisahkan rel dari ground.

Nilai tegangan adalah berapa banyak tegangan yang dapat Anda terapkan di seluruh pelat sebelum gaya elektro-statis memecah sifat material dari bahan dielektrik di antara pelat yang membuatnya rusak sebagai kapasitor :).

Ini bukan jawaban yang sangat teknis, tetapi ini adalah penjelasan grafis yang menurut saya sangat lucu dan sederhana:

Jawaban saya untuk pertanyaan seperti itu selalu "air". Air yang mengalir melalui pipa adalah analogi yang sangat akurat untuk arus yang mengalir melalui kabel. Arus adalah berapa banyak air yang mengalir melalui pipa. Perbedaan tegangan menjadi perbedaan tekanan air. Pipa-pipa itu seharusnya rata, sehingga gravitasi tidak berperan.

Dalam analogi seperti itu, baterai adalah pompa air, dan kapasitor adalah membran karet yang sepenuhnya memblokir pipa. DC adalah air yang mengalir secara konstan dalam satu arah melalui pipa. AC adalah air yang mengalir bolak-balik sepanjang waktu.

Dengan mengingat hal ini, harus jelas bahwa kapasitor menghalangi DC: karena membran hanya dapat meregang sejauh ini, air tidak bisa terus mengalir ke arah yang sama. Akan ada beberapa aliran sementara membran membentang (yaitu muatan kapasitor), tetapi pada satu titik itu menjadi cukup meregang untuk sepenuhnya menyeimbangkan tekanan air, sehingga menghalangi aliran lebih lanjut.

Ini juga menjadi jelas bahwa kapasitor tidak akan memblokir AC sepenuhnya, tetapi itu tergantung pada sifat membran. Jika membran cukup melar (kapasitansi tinggi), itu tidak akan menimbulkan tantangan untuk air mengalir bolak-balik dengan cepat. Jika membran benar-benar agak kaku (misalnya selembar plastik tipis), ini sesuai dengan kapasitansi rendah, dan jika air mengalir bolak-balik perlahan, aliran tersebut akan tersumbat, tetapi osilasi frekuensi sangat tinggi masih akan berhasil melewatinya.

Analogi ini sangat berguna bagi saya sehingga saya benar-benar bertanya-tanya mengapa itu tidak digunakan secara lebih luas.

Pertama, kapasitor memblokir DC dan impedansi yang lebih rendah untuk AC, sedangkan induktor cenderung memblokir AC namun melewati DC dengan sangat mudah. Dengan "memblokir", maksud kami daripada menawarkan impedansi tinggi untuk sinyal yang sedang kita bicarakan.

Namun, pertama-tama, kita perlu mendefinisikan beberapa istilah untuk menjelaskan hal ini. Anda tahu apa itu resistensi, bukan? Perlawanan adalah oposisi terhadap aliran arus yang menghasilkan pembakaran daya, diukur dalam watt. Tidak masalah jika arus AC atau DC, daya yang dihamburkan oleh resistor sempurna adalah jumlah yang sama untuk keduanya.

Jadi resistensi adalah salah satu jenis "impedansi" untuk aliran arus. Ada 2 lainnya - "reaktansi induktif", dan "reaktansi kapasitif". Keduanya juga diukur dalam ohm, seperti resistensi, tetapi keduanya berbeda dalam hal itu, untuk satu hal, mereka berbeda dengan frekuensi, dan untuk yang lain, mereka tidak benar-benar mengkonsumsi daya seperti halnya resistensi. Jadi secara keseluruhan, ada 3 macam impedansi - resistif, induktif, dan kapasitif.

Jumlah pemblokiran atau impedansi induktor dalam ohm dapat ditentukan oleh:

Di mana 2pi adalah sekitar 6,28, f adalah frekuensi (AC, jelas) dari suatu sinyal, L adalah induktansi yang diukur dalam henries, dan di mana "X sub L" adalah reaktansi induktif dalam ohm.

Reaktansi induktif adalah impedansi komponen karena induktansi; itu adalah semacam perlawanan, tetapi tidak benar-benar membakar daya dalam watt seperti resistor, dan karena "f" untuk frekuensi perlu dipasok, nilainya bervariasi dengan frekuensi untuk induktor yang diberikan.

Perhatikan bahwa ketika frekuensi naik, begitu juga impedansi (resistansi AC) dalam ohm. Dan perhatikan bahwa jika frekuensi sama dengan nol, maka impedansinya - frekuensi nol berarti DC, sehingga induktor sebenarnya tidak memiliki perlawanan terhadap aliran arus DC. Dan ketika frekuensinya naik, begitu juga impedansinya.

Kapasitor adalah kebalikannya - rumus untuk reaktansi kapasitif adalah

Di sini, C adalah kapasitansi tutup dalam farad, "2pi" dan "f" sama dengan di atas, dan "X-sub-C" adalah reaktansi kapasitif dalam ohm. Perhatikan bahwa di sini, reaktansi adalah "satu dibagi dengan" frekuensi dan kapasitansi - ini menghasilkan nilai-nilai impedansi yang turun dengan frekuensi dan kapasitansi. Jadi jika frekuensinya tinggi, impedans akan rendah, dan jika frekuensinya mendekati nol, yaitu DC, impedansi akan hampir tak terbatas - dengan kata lain, kapasitor memblokir DC, tetapi melewati AC, dan semakin tinggi frekuensi sinyal AC, semakin sedikit impedansinya.

Saya akan menggunakan pendekatan kualitatif-jawaban-pendek-pendek:

Kapasitor di sepanjang rel DC ada, pada dasarnya, untuk mempersingkat sinyal AC yang mungkin masuk ke rel pasokan, sehingga jumlah AC di sirkuit DC Anda berkurang.

Nilai tegangan pada penutup adalah tegangan maksimum (jumlah DC dan semua AC yang ada!) Yang harus dilihat oleh tutup. Melebihi tegangan ini dan tutupnya akan gagal.