Kondensatory, a prąd przemienny

[KrecikLublin]

Dzień dobry. 

Zrozumiałem ,że przez kondensator np. foliowy przepłynie prąd zmienny a już prąd stały nie przepłynie. Interesuje mnie ,dlaczego w takim razie taki kondensator o pojemności 16uF na napięcie graniczne 250V podłączony do gniazdka domowego nie robi zwarcia i nie wyzwala bezpiecznika w rozdzielnicy domowej ? Czy to dlatego ,że tam występuje prąd przemienny i wykres osiąga 50 razy na sekundę wartość 0 (zero) ? 

I w ogóle dlaczego kondensatory w elektronice nie powodują zwarć do tego stopnia,że duży ,maksymalny prąd nie powoduje tłamszenia i zaniku napięcia w transformatorach zasilaczy ?

Z podziękowaniem,
Piotr

[Treker (Damian Szymański)]

Pytanie zostało wydzielone z: https://forbot.pl/forum/topic/7842-kurs-elektroniki-4-kondensatory/

[adam30010]

Z tym przepłynięciem prądu to jest daleko idące uproszczenie. 

Odpowiedź na pytanie pierwsze i drugie jest jedna. Przede wszystkim dla prądu zmiennego należy rozpatrywać impedancję. Każdy element bierny (cewka, kondensator czy rezystor) posiadają określoną impedancję. Pomijając wszelkie wielkości pasożytnicze, impedancją rezystora będzie jego rezystancja. Natomiast impedancją cewki czy kondensatora będzie reaktancja. Reaktancja ta zależy od częstotliwości prądu i "cechy charakterystycznej" elementu. W przykładzie który podałeś impedancja tego kondensatora będzie wynosić około 200Ω (jednostką impedancji, reaktancji i rezystancji jest Ω). Kondensator ten więc będzie daleki od robienia zwarcia w obwodzie. Dla prądu zmiennego praktycznie nigdy nie operuje się na wartościach chwilowych prądu czy napięcia. Najczęściej używa się wartości skutecznych - i na tę wartość reagują bezpieczniki. Wartość skuteczna prądu płynącego przez taki kondensator wyniesie więc około 1.15A - nie tak znowu dużo.

Odpowiadając na trzecie pytanie. Masz rację - dobrze kombinujesz. Ale po kolei. Kondensatory są używane w 2 celach. Do magazynowania energii albo jako element jakiegoś filtru. Dla prądu stałego stanowią magazyn energii, dla prądu zmiennego są filtrem (przepuszczają bądź blokują prąd o jakiejś częstotliwości - dla różnych f mają różną impedancję) - tak w uproszczeniu. Dla zmiennego już napisałem, więc teraz dla napięcia stałego. Jeżeli w zasilaczu jest duża pojemność, to kondensator który jest nienaładowany (nie ma na nim żadnego napięcia) stanowi zwarcie - chce się jak najszybciej naładować. Wtedy prąd pobierany do ładowania takiego kondensatora jest bardzo duży, co prawda przez ułamek sekundy ale może znacznie przekroczyć prądy znamionowe urządzeń. Jest to szczególnie widoczne w przypadku zasilaczy impulsowych. Każdy kto miał styczność z ich większą ilością podłączaną do jednego źródła napięcia wie że przy włączaniu mogą "wyrzucić" bezpiecznik (zależnie jaki bezpiecznik, o jakiej charakterystyce itp) - to właśnie w powodu prądu ładowania kondensatorów (oczywiście są różne sposoby aby ten problem zniwelować).

Jeżeli chodzi o zasilacze liniowe - tam odbywa się to na podobnej zasadzie jak dla zasilaczy impulsowych. Każdy transformator posiada określony maksymalny prąd przy którym napięcie na jego zaciskach zacznie spadać, jeżeli zacznie spadać napięcie, to zacznie spadać i prąd wyjściowy takiego transformatora. Problem w zasadzie sam się rozwiązuje. W przypadku znacznej pojemności podłączonej do takiego transformatora (np. za mostkiem graetza, kondensator jako filtr do wygładzania napięcia - magazyn energii), musi upłynąć odpowiedni czas by napięcie się ustabilizowało, przy źle dobranej pojemności może minąć nawet kilkadziesiąt cykli nim napięcie na kondensatorze osiągnie odpowiednie napięcie. Oczywiście działa to też w drugą stronę - po wyłączeniu zasilacza z sieci minie jakiś czas nim kondensator napięcie na kondensatorze spadnie do 0.

Z tym przepłynięciem prądu to jest daleko idące uproszczenie. 

Odpowiedź na pytanie pierwsze i drugie jest jedna. Przede wszystkim dla prądu zmiennego należy rozpatrywać impedancję. Każdy element bierny (cewka, kondensator czy rezystor) posiadają określoną impedancję. Pomijając wszelkie wielkości pasożytnicze, impedancją rezystora będzie jego rezystancja. Natomiast impedancją cewki czy kondensatora będzie reaktancja. Reaktancja ta zależy od częstotliwości prądu i "cechy charakterystycznej" elementu. W przykładzie który podałeś impedancja tego kondensatora będzie wynosić około 200Ω (jednostką impedancji, reaktancji i rezystancji jest Ω). Kondensator ten więc będzie daleki od robienia zwarcia w obwodzie. Dla prądu zmiennego praktycznie nigdy nie operuje się na wartościach chwilowych prądu czy napięcia. Najczęściej używa się wartości skutecznych - i na tę wartość reagują bezpieczniki. Wartość skuteczna prądu płynącego przez taki kondensator wyniesie więc około 1.15A - nie tak znowu dużo.

Odpowiadając na trzecie pytanie. Masz rację - dobrze kombinujesz. Ale po kolei. Kondensatory są używane w 2 celach. Do magazynowania energii albo jako element jakiegoś filtru. Dla prądu stałego stanowią magazyn energii, dla prądu zmiennego są filtrem (przepuszczają bądź blokują prąd o jakiejś częstotliwości - dla różnych f mają różną impedancję) - tak w uproszczeniu. Dla zmiennego już napisałem, więc teraz dla napięcia stałego. Jeżeli w zasilaczu jest duża pojemność, to kondensator który jest nienaładowany (nie ma na nim żadnego napięcia) stanowi zwarcie - chce się jak najszybciej naładować. Wtedy prąd pobierany do ładowania takiego kondensatora jest bardzo duży, co prawda przez ułamek sekundy ale może znacznie przekroczyć prądy znamionowe urządzeń. Jest to szczególnie widoczne w przypadku zasilaczy impulsowych. Każdy kto miał styczność z ich większą ilością podłączaną do jednego źródła napięcia wie że przy włączaniu mogą "wyrzucić" bezpiecznik (zależnie jaki bezpiecznik, o jakiej charakterystyce itp) - to właśnie w powodu prądu ładowania kondensatorów (oczywiście są różne sposoby aby ten problem zniwelować).

Jeżeli chodzi o zasilacze liniowe - tam odbywa się to na podobnej zasadzie jak dla zasilaczy impulsowych. Każdy transformator posiada określony maksymalny prąd przy którym napięcie na jego zaciskach zacznie spadać, jeżeli zacznie spadać napięcie, to zacznie spadać i prąd wyjściowy takiego transformatora. Problem w zasadzie sam się rozwiązuje. W przypadku znacznej pojemności podłączonej do takiego transformatora (np. za mostkiem graetza, kondensator jako filtr do wygładzania napięcia - magazyn energii), musi upłynąć odpowiedni czas by napięcie się ustabilizowało, przy źle dobranej pojemności może minąć nawet kilkadziesiąt cykli nim napięcie na kondensatorze osiągnie odpowiednie napięcie. Oczywiście działa to też w drugą stronę - po wyłączeniu zasilacza z sieci minie jakiś czas nim kondensator napięcie na kondensatorze spadnie do 0.

 

To tak w dużym skrócie.

[Kraevsky]

Witam. Nie chcę zakładać nowego tematu, niestety nie znalazłem satysfakcjonującej odpowiedzi na moje pytanie nigdzie indziej. Wchodząc na forum elektroda tylko się bardziej zagubiłem😵, więc zapytam tutaj.

1. Skoro kondensator jest przedzielony warstwą nieprzepuszczającą uporządkowanego strumienia, w jaki sposób prąd zmienny przechodzi? Chodzi mi między innymi o przykład kondensatora C1 z załącznika (kanal RS Elektronika) Jestem totalnie początkujący (na etapie kondensatorów oraz, o zgrozo, cewek). W obwodzie prądu stałego jest dla mnie wszystko zrozumiałe (skoro magazynuje ładunek na okładkach - oddaje go do obwodu w przypadku chwilowego spadku napięcia). Dziękuję za wszelką pomoc.

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[marek1707]

Ok, skoro już wiesz, że w obwodzie prądu stałego przez kondensator popłynie najpierw duży prąd a potem w trakcie procesu ładowania coraz mniejszy aż w końcu ustanie, to spójrz na powyższy układ w ten sposób:

1. C1 tworzy wraz z potencjometrem P1 szeregowy obwód RC.
2. Gdybyś podłączył do wejścia napięcie stałe, powiedzmy 1V, to początkowo popłynąłby prąd 1V/10k=100uA i od takiego prądu kondensator zacząłby swój proces ładowania.
3. Początkowo zatem mamy napięcie na C1=0V i na P1=1V. Wzmacniacz dostaje z tego jakąś część określoną ustawieniem potencjometru.
4. Przepływający prąd robi dwie rzeczy: ładuje kondensator i napięcie na nim rośnie oraz wytwarza spadek napięcia na P1.
5. Rosnące napięcie na kondensatorze i malejący prąd sprawiają, że napięcie na P1 powoli spada, bo ich suma musi być przecież równa 1V - to obwód szeregowy.
6. Po długim czasie napięcie na C1 wynosi 1V a na P1 0V.

To było proste, prawda? I na pewno zauważyłeś, że podłączenie głupiego napięcia stałego spowodowało, że wzmacniacz zobaczył jakiś skok sygnału, mimo że po drodze był kondensator. To teraz dalej: przykładasz sygnał audio, który jest napięciem zmiennym. Ładujesz i rozładowujesz zatem kondensator w każdym cyklu a prąd który to robi płynie przez kondensator i ten sam płynie przez P1 odkładając na nim napięcie. To wszystko.

Dalej jest już trochę wzorów, impedancja kondensatora dla prądu zmiennego, ch-ka częstoliwościowa filtra RC itd. Zauważ, że to nie jest tak, że kondensator blokuje prąd stały a przepuszcza bezkrytcznie prąd zmienny. Faktycznie, przez naładowany kondensator prąd stały już nie płynie, ale samo podłączenie sygnału stałego jest zmianą. A im szybsza zmiana, tym więcej prądu płynie. I dlatego im większa częstotliwość prądu zmiennego, tym mniejszą impedancję (hm.. opór) dla prądu zmiennego ma kondensator:

X_C=1/(2*Pi*f*C)

gdzie Pi no to wiadomo, f to częstotliwość a C to pojemność. Wszystko co ciekawe jest w mianowniku, więc każde jego zwiększenie (pojemności lub częstotliwości) powoduje zmniejszenie wyniku. Przykładowo dla przypadku wzmacniacza, na wejściu masz dzielnik napięcia złożony z C1 i P1. Dla częstotliwości 1kHz impedancja kondensatora 4.7uF wynosi 33Ω. Współpracując zatem z rezystancją 10k praktycznie niczego nie zmienia, bo dzielnik 33Ω/10k przenosi ponad 99.6% sygnału. Natomiast dla 10Hz masz już X_C1=3.4kΩ a zatem dzielnik wejściowy będzie przenosił jedynie 74% sygnału. Sam policz jak będzie to wyglądało np. dla 1Hz. Tym samym policz pierwszy w życiu filtr górnoprzepustowy 🙂 

[Gieneq]

9 godzin temu, marek1707 napisał:

Przykładowo dla przypadku wzmacniacza, na wejściu masz dzielnik napięcia złożony z C1 i P1.

To ja tak tylko dopowiem, jak sam podchodziłem do tematu obwodów RLC to było dla mnie nieoczywiste.

W takich układach gdzie ma płynąć prąd zmienny, np sygnał audio, dla testów nie rozpatrujemy złożonego sygnału tylko pojedynczą harmoniczną czyli np. sygnał sinusoidalny: u(t) = A₀ * sin(wt), lub zamiast w podstawiasz 2πf i masz  u(t) = A₀ * sin(2πft), gdzie A₀ to amplituda.

Wtedy wszystkie elementy jakie są w torze sygnału wykazują swoją reaktancję czyli opór zastępczy.

9 godzin temu, marek1707 napisał:

tym mniejszą impedancję (hm.. opór)

Tu bym się zastanawiał, bo z definicji reaktancja to część urojona impedancji, więc tu raczej piszemy o reaktancji kondensatora.

Także wszystkie rezystory jako że nie generują żadnego prądu i napięcia, są dalej rezystorami, zaś kondensatory i cewki stają się rezystorami ale o takim dziwnym oporze wyrażonym wzorami który podął @marek1707 . Dla cewki będzie to X_L = w_L = 2πfL

W takim układzie możesz rozpatrywać układ kondensatora i rezystorów (potencjometru) jako zwykły dzielnik napięcia. Tylko na tym się nie kończy bo taki dzielnik robi coś jeszcze co wynika z impedancji zespolonej. I tu pojawia się problem, czy kolega @Kraevsky słyszał coś kiedyś o liczbach zespolonych 😞 

[Kraevsky]

@marek1707 Dziękuję za obszerną wypowiedź, doceniam wysiłek. Muszę się zatem uważnie przyjrzeć obwodom RC. @GieneqJa jestem narazie na poziomie poznawania charakterystyki poszczególnych elementów RLC😂 l zespolone - słyszałem, ale jeszcze omijam😁Problem jaki mam, to zrozumienie jakim cudem przez kondensator przepływa prąd zmienny.  Przy wpięciu kondensatora równolegle - wszystko jasne - oddaje do obwodu to co zmagazynował i po powrocie zasilania ładuje się ponownie. Wszelkie wahania są neutralizowane. W połączeniu szeregowym natomiast nie trzyma mi się to w logice. Mamy przykładowo wahania +/- 2V, napięcie zasilania spada i....

1. Co się dzieje z tym ładunkiem na okładzinie  "bliżej" źródła zasilania? Cofa się do żródła zasilania?
2. Jeżeli prąd zmienny przechodzi przez dielektryk to jest cos w rodzaju przebicia?

 

Edytowano Styczeń 29, 2021 przez Kraevsky

[Elvis]

@Kraevsky Przebicie to zupełnie inne zjawisko, przez dielektryk w kondensatorze nie przechodzą elektrony, a i tak prąd płynie. Wyobraź, albo wykonaj takie doświadczenie - weź dwa magnesy i np. kartkę papieru. Jeśli położysz magnesy blisko siebie po obu stronach kartki, to będą oddziaływały nawet przez nią nie przechodząc. Tak samo jest z elektronami w kondensatorze, nie przechodzą przez barierę dielektryka, ale oddziałują na siebie. Jeśli ustawisz magnesy tak żeby się odpychały, to będziesz miał podobnie jak z elektronami. Teraz zbliżając jeden z magnesów do kartki, zobaczysz że drugi się odsuwa - i to samo jeśli przysuniesz ten drugi, to odsunie się pierwszy. Więc jeśli magnesy byłyby w ruchu, powiedzmy dociskane sprężynkami to mogłyby sobie drgać nie stykając się ze sobą i nie przechodząc przez kartkę. Tak dokładnie działa "przepływ" prądu zmiennego przez kondensator. Elektrony na obu okładkach "przepychają" sąsiadów po przeciwnej stronie za pomocą pola elektrycznego, ale nie przechodzą przez dielektryk. Natomiast takie przesunięcia elektronów w zupełności wystarczają, żeby przepływał prąd. Ogólnie przepływ prądu jest związany z bardzo niewielkimi przesunięciami nośników ładunku - to nie jest tak, że elektron z jednego bieguna baterii przelatuje do drugiego. Bliższa analogia to bardzo długi rurociąg - jeśli z jednej strony zwiększy się ciśnienie to z drugiej zacznie wypływać np. woda. Ale dana cząsteczka wody nie przepływa od razu przez całą instalację.

[Kraevsky]

@Elvis Dziękuję, rozumiem już mechanizm. Prosty element bierny, a potrafi zrobić zamieszanie😀