¿Cómo bloquea un condensador DC?

Estoy confundido con esto! ¿Cómo bloquea un condensador DC?

• He visto muchos circuitos que usan condensadores alimentados por un suministro de CC. Entonces, si el capacitor bloquea la CC, ¿por qué debería usarse en tales circuitos?
• Además, la clasificación de voltaje se menciona como un valor de CC en el condensador. ¿Qué significa?

Creo que ayudaría a comprender cómo un condensador bloquea la CC (corriente continua) mientras permite la CA (corriente alterna).

Comencemos con la fuente más simple de CC, una batería:

Cuando esta batería está siendo utilizado para algo de energía, los electrones son atraídos al + lado de la batería, y empujaron a cabo el - lado.

Conectemos algunos cables a la batería:

Todavía no hay un circuito completo aquí (los cables no van a ninguna parte), por lo que no hay flujo de corriente.

Pero eso no significa que no haya flujo de corriente. Usted ve, los átomos en el metal de alambre de cobre están formados por un núcleo de átomos de cobre, rodeados por sus electrones. Puede ser útil pensar en el cable de cobre como iones de cobre positivos, con electrones flotando alrededor:

Nota: uso el símbolo e ^- para representar un electrón

En un metal es muy fácil empujar los electrones. En nuestro caso tenemos una batería conectada. Es capaz de aspirar algunos electrones del cable:

El cable conectado al positivo lado de la batería tiene electrones succionados hacia fuera de ella. Esos electrones se expulsan del lado negativo de la batería al cable conectado al lado negativo.

Es importante tener en cuenta que la batería no puede eliminar todos los electrones. Los electrones generalmente se sienten atraídos por los iones positivos que dejan atrás; así que es difícil eliminar todos los electrones.

Al final, nuestro cable rojo tendrá una ligera carga positiva (porque le faltan electrones), y el cable negro tendrá una ligera carga negativa (porque tiene electrones adicionales).

Entonces, cuando conecta la batería por primera vez a estos cables, solo fluirá un poco de corriente. La batería no puede mover muchos electrones, por lo que la corriente fluye muy brevemente y luego se detiene.

Si desconectó la batería, la volteó y la volvió a conectar: ​​los electrones en el cable negro serían absorbidos por la batería y empujados hacia el cable rojo. Una vez más, solo habría una pequeña cantidad de flujo de corriente, y luego se detendría.

El problema con solo usar dos cables es que no tenemos muchos electrones para empujar. Lo que necesitamos es una gran reserva de electrones para jugar, un gran trozo de metal. Eso es lo que es un condensador: un gran trozo de metal unido a los extremos de cada cable.

Con este gran trozo de metal, hay muchos más electrones que podemos empujar fácilmente. Ahora el lado "positivo" puede tener muchos más electrones absorbidos, y el lado "negativo" puede tener muchos más electrones empujados:

Entonces, si aplica una fuente de corriente alterna a un condensador, parte de esa corriente se permitirá que fluya, pero después de un tiempo se quedará sin electrones para empujar, y el flujo se detendrá. Esto es una suerte para la fuente de CA, ya que luego se invierte y se permite que la corriente fluya una vez más.

Pero, ¿por qué un condensador está clasificado en voltios CC

Un condensador no es solo dos trozos de metal. Otra característica de diseño del condensador es que utiliza dos trozos de metal muy cerca uno del otro (imagine una capa de papel encerado intercalada entre dos hojas de papel de aluminio).

La razón por la que usan "papel de aluminio" separados por "papel encerado" es porque quieren que los electrones negativos estén muy cerca de los "agujeros" positivos que dejaron atrás. Esto hace que los electrones se vean atraídos por los "agujeros" positivos:

Como los electrones son negativos y los "agujeros" son positivos, los electrones son atraídos por los agujeros. Esto hace que los electrones se queden allí. Ahora puede quitar la batería y el condensador retendrá esa carga.

Es por eso que un condensador puede almacenar una carga; los electrones son atraídos por los agujeros que dejaron atrás.

Pero ese papel encerado no es un aislante perfecto; va a permitir alguna fuga. Pero el verdadero problema viene si tienes demasiados electrones acumulados. El campo eléctrico entre las dos " placas " del condensador puede llegar a ser tan intenso que causa una ruptura del papel encerado, dañando permanentemente el condensador:

En realidad, un condensador ya no está hecho de papel de aluminio y papel encerado (más); Ellos usan mejores materiales. Pero todavía hay un punto, un "voltaje", donde el aislante entre las dos placas paralelas se rompe, destruyendo el dispositivo. Esta es la tensión de CC máxima nominal del condensador .

Déjame ver si puedo agregar una perspectiva más a las otras 3 respuestas.

Los condensadores actúan como un corto a altas frecuencias y un abierto a bajas frecuencias.

Así que aquí hay dos casos:

Condensador en serie con señal

En esta situación, AC puede pasar, pero DC está bloqueado. Esto se llama comúnmente un condensador de acoplamiento.

Condensador en paralelo con señal

En esta situación, la CC puede pasar, pero la CA está en cortocircuito a tierra y se bloquea. Esto se denomina comúnmente condensador de desacoplamiento.

¿Qué es el aire acondicionado?

He usado los términos "High Freq" y "Low Freq" de forma bastante flexible, ya que en realidad no tienen ningún número asociado. Hice esto porque lo que se considera bajo y alto depende de lo que esté sucediendo en el resto del circuito. Si desea obtener más información al respecto, puede leer acerca de los filtros de paso bajo en Wikipedia o algunas de nuestras preguntas sobre filtros RC .

Voltaje

El voltaje que ve con los condensadores es el voltaje máximo que puede aplicar de manera segura al condensador antes de comenzar a correr el riesgo de que el condensador se descomponga físicamente. A veces esto sucede como una explosión, a veces fuego o a veces se calienta.

La explicación está en el hecho de que las cargas opuestas se atraen entre sí. Un condensador es una construcción compacta de 2 placas conductoras separadas por un aislante muy delgado. Si coloca CC en un lado, se cargará positivamente y el otro lado negativamente. Ambas cargas se atraen pero no pueden pasar la barrera aislante. No hay flujo de corriente. Así que ese es el final de la historia para DC.
Para AC es diferente. Un lado tendrá sucesivamente carga positiva y negativa, y atraerá cargas negativas y positivas resp. Entonces, los cambios en un lado de la barrera provocan cambios en el otro lado, de modo que parece que las cargas cruzan la barrera y que la corriente fluye efectivamente a través del condensador.

Un condensador cargado siempre tiene carga de CC, es decir, un lado tiene las cargas positivas y el otro el negativo. Estas cargas son un almacenamiento de energía eléctrica , que es necesaria en muchos circuitos.

El voltaje máximo está determinado por la barrera aislante. Por encima de un cierto voltaje se descompondrá y creará un cortocircuito. Eso puede suceder bajo DC pero también bajo AC.

Una forma simple de pensarlo es que un condensador en serie bloquea la CC, mientras que un condensador paralelo ayuda a mantener un voltaje constante.

Estas son realmente dos aplicaciones del mismo comportamiento: un condensador reacciona para tratar de mantener constante el voltaje. En el caso de la serie, es bastante feliz eliminar una diferencia de voltaje constante, pero cualquier cambio brusco en un lado se pasará al otro para mantener constante la diferencia de voltaje. En el caso paralelo, cualquier cambio abrupto en el voltaje reaccionará.

La cantidad de carga que se desarrolla a través de las placas de un condensador con un voltaje dado en sus terminales se rige por la fórmula:

$Q = C \times V$

Al diferenciar ambos lados (la corriente es la derivada del tiempo de la carga), da:

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

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

Por lo tanto, un condensador no permite que la corriente fluya "a través de él" para el voltaje de CC (es decir, bloquea la CC).

El voltaje a través de las placas de un condensador también debe cambiar de manera continua, por lo que los condensadores tienen el efecto de "mantener" un voltaje una vez que se cargan, hasta que ese voltaje pueda descargarse a través de una resistencia. Por lo tanto, un uso muy común para los condensadores es estabilizar los voltajes de los rieles y desacoplar los rieles de la tierra.

La clasificación de voltaje es la cantidad de voltaje que puede aplicar a través de las placas antes de que las fuerzas electrostáticas rompan las propiedades del material del material dieléctrico entre las placas y lo rompen como un condensador :).

Esta no es una respuesta muy técnica, pero es una explicación gráfica que me parece muy divertida y simple:

Mi respuesta a tales preguntas es siempre "agua". El agua que fluye a través de las tuberías es una analogía sorprendentemente precisa para la corriente que fluye a través de los cables. La corriente es la cantidad de agua que fluye a través de una tubería. La diferencia de voltaje se convierte en la diferencia en la presión del agua. Se supone que las tuberías deben estar planas, por lo que la gravedad no juega ningún papel.

En tal analogía, una batería es una bomba de agua y un condensador es una membrana de goma que bloquea completamente la tubería. DC es agua que fluye constantemente en una dirección a través de una tubería. El aire acondicionado es agua que fluye de un lado a otro todo el tiempo.

Con esto en mente, debería ser obvio que un condensador bloquea la CC: dado que la membrana solo puede estirarse hasta cierto punto, el agua no puede seguir fluyendo en la misma dirección. Habrá algo de flujo mientras la membrana se estira (es decir, las cargas del condensador), pero en un punto se estira lo suficiente como para equilibrar completamente la presión del agua, bloqueando así cualquier flujo adicional.

También resulta obvio que un condensador no bloqueará la CA por completo, pero depende de las propiedades de la membrana. Si la membrana es suficientemente elástica (alta capacitancia), no representará un desafío para el agua que fluye rápidamente de un lado a otro. Si la membrana es realmente bastante rígida (por ejemplo, una lámina delgada de plástico), esto corresponde a una baja capacitancia, y si el agua fluye lentamente de un lado a otro, dicho flujo se bloqueará, pero las oscilaciones de muy alta frecuencia aún lo harán.

Esta analogía me ha sido tan excepcionalmente útil que realmente me pregunto por qué no se usa más ampliamente.

En primer lugar, un condensador bloquea la CC y es una impedancia más baja a la CA, mientras que un inductor tiende a bloquear la CA y, sin embargo, pasa la CC con mucha facilidad. Por "bloqueo", queremos decir que ofrece una alta impedancia a la señal de la que estamos hablando.

Primero, sin embargo, necesitamos definir algunos términos para explicar esto. Sabes qué es la resistencia, ¿verdad? La resistencia es la oposición al flujo de corriente que resulta en la quema de energía, medida en vatios. No importa si la corriente es CA o CC, la potencia disipada por una resistencia perfecta es la misma cantidad para cualquiera.

Entonces la resistencia es un tipo de "impedancia" al flujo de corriente. Hay otros 2: "reactancia inductiva" y "reactancia capacitiva". Ambos también se miden en ohmios, como la resistencia, pero ambos son diferentes en el sentido de que, por un lado, varían con la frecuencia, y por otro, en realidad no consumen energía como lo hace una resistencia. Entonces, todos juntos, hay 3 tipos de impedancia: resistiva, inductiva y capacitiva.

La cantidad de bloqueo o impedancia de los inductores en ohmios se puede determinar mediante:

Donde 2pi es aproximadamente 6.28, f es la frecuencia (AC, obviamente) de una señal, L es la inductancia medida en henries, y donde "X sub L" es la reactancia inductiva en ohmios.

La reactancia inductiva es la impedancia de un componente debido a la inductancia; es un tipo de resistencia, pero en realidad no quema energía en vatios como lo hace una resistencia, y dado que se necesita suministrar "f" para la frecuencia, el valor de la misma varía con la frecuencia para un inductor dado.

Observe que a medida que aumenta la frecuencia, también lo hace la impedancia (resistencia de CA) en ohmios. Y observe que si la frecuencia es igual a cero, entonces también lo hace la impedancia: una frecuencia de cero significa CC, por lo que los inductores prácticamente no tienen resistencia al flujo de corriente CC. Y a medida que aumenta la frecuencia, también aumenta la impedancia.

Los condensadores son lo opuesto: la fórmula para la reactancia capacitiva es

Aquí, C es la capacitancia de la tapa en faradios, "2pi" y "f" son los mismos que los anteriores, y "X-sub-C" es la reactancia capacitiva en ohmios. Observe que aquí, la reactancia es "una dividida por" la frecuencia y la capacitancia; esto da como resultado valores de impedancia que disminuyen con la frecuencia y la capacitancia. Entonces, si la frecuencia es alta, la impedancia será baja, y si la frecuencia es cercana a cero, que es DC, la impedancia será casi infinita; en otras palabras, los condensadores bloquean DC, pero pasan AC, y cuanto mayor sea la frecuencia de la señal de CA, menor es la impedancia a la misma.

Iré por el enfoque de respuesta cualitativa de respuesta más corta:

En efecto, hay un condensador a través de los rieles de CC para acortar cualquier señal de CA que de otro modo podría llegar a los rieles de suministro, por lo que se reduce la cantidad de CA a través de su circuito de CC .

La clasificación de voltaje en una tapa es la tensión máxima (suma de CC y cualquier CA presente) que la tapa debería ver. Supere este voltaje y la tapa fallará.