Frage:
Entkopplungskondensatoren: Was passiert mit dem Gleichstrom an der Kappe, wenn Rauschen auftritt und es kurzschließt?
OhmerSimpson
2020-01-20 14:01:00 UTC
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schematic

simulieren diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab sup>

Ich verwende seit einiger Zeit Entkopplungskappen und verstehe deren Zweck, Gleichstromsignale sauber zu halten, da Kondensatoren Hochfrequenzsignale durchlassen, die in die Erde gelangen und nicht als aufgebaute Ladung auf dem Kondensator erscheinen Gleichstromform, damit sie das Signal an der Last nicht stören.

Was ich mich schon seit einiger Zeit gefragt habe, ist, was passiert mit der bereits auf dem Kondensator gespeicherten Ladung, wenn eine zufällige Rauschspitze von der Stromquelle oder von einer externen Quelle durch kapazitive Kopplung in das System eingeführt wird? Wenn der Kondensator wie im Schaltplan gezeigt vollständig auf 1 V aufgeladen ist und dann sofort als Kurzschluss zur Umgehung des Hochfrequenzrauschens in Masse fungiert, würde ein Kurzschluss an der Last auftreten? Hätte die Last in diesem Moment 0 Volt angelegt? Wenn dies der Fall ist, würde die Last im Betrieb nicht für die Nanosekunde gestört, in der der Kondensator kurzschließt? Es fällt mir nur schwer, genau zu verstehen, wie der Kondensator die Ladung umgehen und als Kurzschluss fungieren kann, während die von der Gleichstromquelle aufgebaute Ladung erhalten bleibt.

In der Schule wurde mir erklärt, dass Kappen DC blockieren, aber AC passieren, aber ich denke, dass das allein die Entkopplung nicht gut genug erklärt. Vielen Dank für Ihre Zeit.

Die Trennung von DC- und AC-Komponenten der 1-V-Quelle ist ein * Schlüsselkonzept * zum Verständnis der Bypass-Funktion des Kondensators.Dieses Konzept gilt allgegenwärtig für andere Schaltkreise - nehmen Sie sich etwas Zeit, um es klar zu machen.
Empfehlen Sie OP, weil Sie Fragen gestellt haben, oder beleidigen Sie sie, weil sie es noch nicht wissen?Ihr Kommentar kann so oder so aufgenommen werden.
Die Antwort von @peufeu's hebt eine wichtige Tatsache hervor: Die Symbole in unseren Schaltplänen repräsentieren ideale Komponenten.Aber manchmal müssen wir uns daran erinnern, dass jeder physikalische Draht sowohl ein niederwertiger Widerstand als auch ein niederwertiger Induktor ist und jeder Raum zwischen zwei physikalischen Drähten tatsächlich ein niederwertiger Kondensator ist, um zu verstehen, was wirklich passiert.Wenn Sie Ihrem Diagramm einige der bedeutenderen dieser sogenannten "parasitären" Komponenten hinzufügen, sieht die einfache "Bypass-Kondensator" -Schaltung wie ein _ [Tiefpassfilter] aus (https: //en.wikipedia.org / wiki / Tiefpassfilter) _.
Sechs antworten:
#1
+22
Justme
2020-01-20 14:26:24 UTC
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Der Kondensator "schließt nicht kurz", er hat sich durch Speichern von Energie als elektrische Ladung auf eine konstante Spannung aufgeladen, und wenn etwas Externes versucht, die Spannung über dem Kondensator zu ändern, bedeutet dies, dass mehr oder weniger Ladung erforderlich istÄndern Sie die Kondensatorspannung nach oben oder unten, und beim Bewegen von Ladungen fließt Strom.

Kurz gesagt, ein Kondensator möchte die Spannung darüber konstant halten und widersteht Spannungsänderungen, indem er sie mit Strom bekämpft.Spannungsspitzen werden also gedämpft, weil der Kondensator die Energie der Spitze verwendet, um die Ladung zu ändern, und je größer die Kapazität ist, desto weniger kann die Spitze die Kondensatorspannung ändern.

Danke, das macht Sinn.Da die Rauschspitze sehr kurzlebig ist und nicht in der Lage ist, die Schaltung dauerhaft mit Strom zu versorgen, ändert sich die Spannung am Kondensator sehr unbedeutend, um die Last nicht zu stören, oder?
@OhmerSimpson Ja, genau aus diesem Grund ist der Kondensator vorhanden.Das Ändern der Spannung erfordert mehr Arbeit, sodass eine Rauschspitze mit einer festgelegten Energiemenge die Spannung nicht so stark oder so schnell ändern kann.
@OhmerSimpson und während wir gerade dabei sind, funktionieren Drosseln (Induktoren) in Bezug auf die Filterung von ** Stromspitzen ** fast genauso.Sie wollen den durch sie fließenden Strom konstant halten und widerstehen jeglichen Stromänderungen, indem sie ihn mit Spannung bekämpfen.
@OhmerSimpson Als würde man einen Zug mit einem Vorschlaghammer schlagen, um zu sehen, ob man seine Geschwindigkeit ändern kann.Sogar eine ziemlich große Spitze kann mit geringem Einfluss auf die Geschwindigkeit des Zuges abgeführt werden.
#2
+8
Andy aka
2020-01-20 14:14:55 UTC
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Die grundlegende Natur eines Kondensators ist, dass gespeicherte Ladung = Kapazität x Spannung: - $$ Q = CV $$ span>

Wir wissen auch, dass Strom die Änderungsrate der Ladung mit der Zeit ist. Wenn die Formel in Bezug auf die Zeit differenziert wird, erhalten wir Folgendes: -

$$ I = C \ cdot \ dfrac {dV} {dt} $$ span>

Diese Formel hat zur Folge, dass bei Einspeisung eines Stroms die Klemmenspannung des Kondensators steigt oder fällt, je nachdem, ob der Strom positiv oder negativ ist.

Wenn dieser Strom an einen Widerstand angelegt würde, würde sich die Spannung schrittweise ändern, bei einem Kondensator jedoch ein Hoch- oder Herunterfahren und kein plötzlicher Verlust der Klemmenspannung.

Wenn eine Spannungsrampe an den Kondensator angelegt wird, fließt aus einem anderen Winkel ein konstanter Stromfluss in und aus dem Kondensator.

Keines dieser Szenarien impliziert, dass sich der Kondensator in einen anderen Kurzschluss verwandelt, als zu versuchen, Änderungen seiner Klemmenspannung entgegenzuwirken. Es kann keinen plötzlichen Abfall auf Null Volt geben, da dies einen unendlichen Stromstoß in den Kondensator bedeuten würde.

Stellen Sie sich den Kondensator wie ein Schwungrad vor, das sich mit konstanter Geschwindigkeit dreht. Jede Aktion, die versucht, das Schwungrad zu beschleunigen oder zu verlangsamen, erfordert ein hohes Drehmoment und führt nur zu einem Hoch- oder Herunterfahren der Geschwindigkeit und nicht zu einer plötzlichen Änderung der Geschwindigkeit auf Null.

Danke, das macht mehr Sinn.Ich dachte an ein Extrem, bei dem der Kondensator plötzlich ein Kurzschluss ist.Dies bedeutet also, dass der Kondensator versucht, sich aufgrund des Rauschens zu entladen / aufzuladen, aber da das Signal so schnell transient ist, ändert sich die Ladung auf der Kappe nicht genug, um die Last zu stören, oder?
Laststörungen sind unvermeidlich, wenn der Stoß oder der Übergang ausreichend ist, aber für mäßiges Material und eine Last, die kleinere Störungen bewältigen kann, sollte es kein Problem geben.Ich denke, Sie sollten sich von der Annahme entfernen, dass ein Kondensator plötzlich ein Kurzschluss ist, es sei denn, Sie betrachten ihn als Kurzschluss nur für vorübergehende Effekte.Die zugrunde liegenden Gleichstrombedingungen am Kondensator werden nicht plötzlich geändert (im Gegensatz zu einem Widerstand, bei dem eine Strominjektion zu einer sofortigen Änderung der Widerstandsspannung führt).
#3
+8
user253751
2020-01-20 18:55:44 UTC
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Der Kondensator wird kein tatsächlicher Kurzschluss.

Wenn wir sagen, dass ein Kondensator bei hohen Frequenzen ein Kurzschluss ist, sprechen wir über die Impedanz eines Kondensators, wenn eine Sinuswellenspannung an ihn angelegt wird. Die Impedanz ist die Spannung geteilt durch den Strom (ähnlich dem Widerstand)

$$ Z_C = \ frac {V} I = \ frac {1} {2 \ pi jfC} $$ span>

Es ist eine imaginäre Zahl, was bedeutet, dass Strom und Spannung phasenverschoben sind. Abgesehen davon ist die Impedanz dem Widerstand sehr ähnlich

Angenommen, Sie haben einen 1uF-Kondensator und eine 10-kHz-Sinuswelle mit 1 V (Effektivwert). Die Mathematik sagt, dass die Impedanz 15,9 imaginäre Ohm beträgt. Daher ist der Strom \ $ \ frac {1V} {15.9 \ Omega} = 0.063A \ $ span>. Berechnen Sie nun den Strom bei 100kHz. Der aktuelle Wert ist \ $ 0.63A \ $ span>. Versuchen Sie es jetzt mit 10 MHz. Der aktuelle Wert ist \ $ 63A \ $ span>. Viel Strom!

Ein echter Kurzschluss würde natürlich unendlich viele Ampere fließen lassen. Wenn wir die Frequenz erhöhen, nähert sich die Impedanz 0 und der Strom der Unendlichkeit. Das bedeutet "Kondensatoren sind wie Kurzschlüsse bei hohen Frequenzen". Ein Hochfrequenzspannungssignal führt dazu, dass ein großer Strom fließt. (Oder äquivalent dazu erzeugt ein Hochfrequenzstromsignal nur eine kleine Spannung)

Was passiert also, wenn Sie ein Signal haben, das aus mehreren Frequenzen besteht? Kondensatoren werden als lineare Elemente bezeichnet, was bedeutet, dass wir jede Frequenz unabhängig analysieren können. Wenn Sie eine Gleichspannung (0 Hz) und eine hochfrequente Rauschspannung haben, erzeugt das Gleichstromsignal keinen Strom durch den Kondensator (die Impedanz ist unendlich), aber die hochfrequente Rauschspannung erzeugt ein großes hochfrequentes Rauschen Strom durch den Kondensator, der die Rauschspannung aufhebt.

#4
+6
bobflux
2020-01-20 16:37:21 UTC
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Was passiert mit der bereits auf dem Kondensator gespeicherten Ladung, wenn von der Stromquelle oder von einer externen Quelle durch kapazitive Kopplung eine zufällige Rauschspitze in das System eingeführt wird?

Es wird einfacher zu verstehen, wenn Sie das verrauschte Netzteil als DC + AC-Rauschspannungsquelle mit einer Ausgangsimpedanz "Z" modellieren:

enter image description here

Dies macht einen einfachen Spannungsteiler zwischen der Stromversorgungsimpedanz Z und der Kondensatorimpedanz \ $ Z_c = \ frac {1} {2 j \ pi f C} \ $ span>.

Wenn C ein realer Kondensator ist, hat er auch einen gewissen Serienwiderstand (ESR) und Serieninduktivität (ESL).

Wenn wir die Rauschquelle mit einer gewissen Serienimpedanz modellieren, z. B. etwas Drahtinduktivität und -widerstand, und die Kappe ESR und ESL aufweist, ist dies wiederum ein einfacher Spannungsteiler, den Sie mit den üblichen Spannungsteilergleichungen berechnen können (unter Verwendung komplexer Impedanzen). Das obere Diagramm zeigt das Vout / Vin-Verhältnis und das untere Diagramm zeigt die Impedanz des Kondensators (rot) und der Rauschquelle (grün):

enter image description here

Ein idealer Kondensator hat eine unendliche Impedanz bei Gleichstrom und eine Impedanz von Null bei unendlich hoher Frequenz, sodass Sie sagen können, dass er "Gleichstrom blockiert und Wechselstrom kurzschließt". Aber im wirklichen Leben wird seine Impedanz bei "AC" niemals Null sein, da die Frequenz nicht unendlich ist. Es wird \ $ Z_c = \ frac {1} {2 j \ pi f C} \ $ span> plus ESR plus \ $ 2 j \ pi L f \ $ span> Impedanz für seine Induktivität, wodurch die Gesamtimpedanz bei hoher Frequenz ansteigt.

Was passiert mit der bereits im Kondensator gespeicherten Ladung?

Sie können die Spannungswelligkeit an der Kappe mithilfe der Spannungsteilerformel berechnen. Wenn Sie q = Cv kennen, wissen Sie, was mit der Ladung passiert. Es bewegt sich entsprechend dem in der Kappe fließenden Strom.

#5
  0
sarthak
2020-01-20 19:42:07 UTC
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Der Kondensator wirkt als Kurzschluss für das Rauschen und nicht für das Signal, wodurch der Gesamtsignalwert auf einer konstanten Spannung gehalten wird, die die Absicht der Stromversorgung ist.
Wenn ein Rausch- oder Störsignalsignal an die Versorgung mit der Frequenz \ $ \ omega \ $ span> gekoppelt ist, wird die gesamte Versorgungsspannung zu: $$ v_ {in} (t) = V_O + A_nsin (\ omega t) $$ span> Hier ist \ $ A_n \ $ span> die Interferenzspannungsamplitude.
Nach dem Durchgang durch den Kondensator (unter der Annahme eines ausreichend großen Kondensators) wird: $$ v_ {out} (t) \ ca. V_O + \ frac {A_ {n}} {\ omega CR_ {in}} sin (\ omega t) \ ca. V_O + 0$$ span> für einen großen Entkopplungskondensator, bei dem die 0 der Kurzschluss bei hohen Frequenzen ist.
Hoffe es ist klar.

#6
  0
rackandboneman
2020-01-22 04:00:08 UTC
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Kondensatoren und Induktoren, die zum Entkoppeln verwendet werden, werden aus gutem Grund als Filter bezeichnet.

Vergleichen Sie einen Kaffeefilter: Wenn Sie nicht viel zu viel Druck ausüben (dies wäre bei einem Kondensator der Fall, wenn Sie die Nennspannung stark überschreiten!) oder den Filter verrotten und brechen lassen (einige Kondensatoren altern!), wird das Wasser kurzgeschlossen und gelösten Kaffee (AC, tatsächlicher Kaffee) in die Kaffeekanne, ohne dass dies einen Einfluss darauf hat, wie viel Kaffeesatz (DC) durchlaufen wird.

Übrigens, Entkopplungskondensatoren schließen Hochfrequenzrauschen nicht nur kurz - sie liefern es, wenn der dynamische Strombedarf der Last dies erfordert. Ein plötzlicher Strombedarf wird vom Entkopplungskondensator anstelle der Stromversorgung abgenommen (da die längeren Drähte zur Stromversorgung als Induktor wirken), wodurch der HF-Stromfluss eher lokal wird (dies ist der Schlüssel dafür, dass er nicht mit anderen Schaltkreisen in Konflikt gerät) Durcheinander mit der Last selbst (!!) und nicht als Rauschen abgestrahlt!) an die Schaltung, die durch Entkopplung von Kondensator und Last gebildet wird. "Durcheinander mit der Last selbst" tritt auf, wenn die Induktivität der Stromverdrahtung bei plötzlichem Strombedarf einen Spannungsabfall verursacht.



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